加氢裂化设备基础知识

海南炼化HNLH加氢裂化设备基础知识周辉海南实华炼油化工有限公司2004年9月海南炼化HNLH一、主要工艺设备海南炼化HNLH1.反应器海南炼化HNLH加氢反应器是加氢裂化装置的核心设备。有两个特点：一是操作于高温高压环境中，且进入到反应器的物料中往往含有硫和氮等杂质，与氢反应分别形成具有腐蚀性的H2S和NH3。海南炼化HNLH二是加氢裂化是个放热反应，在反应过程中，其反应热较大（约630-840KJ/kg），使床层温度升高，会引起局部过热现象。如此苛刻的使用条件给设计、制造带来很大难度。所以，反应器的问世，不仅体现出加氢高压设备技术的进步，而且在某种程度上也是一个国家总体技术水平的一个重要标志。海南炼化HNLH1.1反应器技术发展概况随着加氢工艺的广泛应用，并且一直向上保持着发展的趋势，因而加氢工艺设备技术也得到了很快的发展与进步，具体表现在：◆大型化为了获得较佳的经济效益，装置日趋大型化带来了设备的大型化我国在1989年自行研制成功的第一台锻焊结构的热壁加氢反应器，海南炼化HNLH重量约220t，成功用于抚顺石化公司石油三厂的加氢裂化装置，1998年已分别生产出内径达4.2m和单台重量近千吨的大型反应器。海南炼化HNLH◆安全性在核心技术上主要是围绕其使用的安全性上得以提高，包括设计方法、结构型式及反应器材料（包括焊接材料）等许多方面的技术都有明显的进步。这一系列成就为安全使用提供了牢靠的基础。这些技术的发展与进步是与科学、制造、冶金及计算机应用等技术的进步与发展密不可分的。海南炼化HNLH设计方法过去一般采用的“规则设计”即“常规设计”的方法（GB150等），它是以弹性失效准则为理论基础,采用第一强度理论，用第一主应力为控制应力。现在逐步发展到采用以“应力分析为基础的设计”，即“分析设计”的方法，采用最大剪应力为控制作用的第三强度理论，按照JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》进行设计。“分析设计”要求对容器的有关部位海南炼化HNLH的应力进行详细计算及按应力的性质进行分类，并对各类应力及其组合进行评价，同时对材料、制造、检验也提出了比“常规设计”更高的要求，该设计方法先进、严格，从而提高了设计的准确性与使用的可靠性，设备重量减轻，投资节省，它是容器设计观点和方法的一个飞跃。海南炼化HNLH结构型式反应器本体经历了由单层到多层的阶段，后来由于冶金、锻造等技术的进步，单层锻造结构或厚板卷焊结构的反应器又逐渐占了统治地位。从使用状态下其高温介质是否直接与器壁接触来看，又分为热壁结构和冷壁结构。为了易于解决反应器用材的耐氢腐蚀和硫化氢腐蚀等问题，在反应器内表面衬非金属隔热衬里结构或通以温度不高的氢气以达到保护反应器不直接受高温高压氢腐蚀的另一种带“瓶衬”的结构称为冷壁结构；反之称为热壁结构。海南炼化HNLH材料技术热壁结构是伴随着冶金技术和堆焊技术的进步而出现的，与冷壁结构相比，具有以下优点：器壁相对不易产生局部过热现象，从而可提高使用的安全性。而冷壁结构在生产过程中隔热衬里较易损坏，热流体渗到壁上，导致器壁超温，使安全生产受到威胁或被迫停工。可以充分利用反应器的容积，其有效容积利用率可达80-90%。海南炼化HNLH1.2结构特征1.2.1本体结构可分为两大类：一是单层结构，二是多层结构。在单层结构中又有钢板卷焊结构和锻焊结构两种。多层结构有绕带式、热套式等多种形式。在单层结构的设计中，一般在反应器等设备内壁堆焊双层不锈钢（309L+347）以抵抗H2S的侵蚀，单层结构以锻焊结构的优点明显多。表现在：海南炼化HNLH实心锻造可清除钢锭中的偏析和夹杂，80年代开发的中空锭锻造技术既可降低锭中的碳偏析，又可使锻件制造时间大为缩短；锻造变形过程的拔长、扩孔等工艺，使锻件各向性能差别较小，增加内部致密度，所以材料的均质性和致密性较好；海南炼化HNLH焊缝较少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周向应力的可靠性，同时也可缩短制造周期及减少制造和使用过程中对焊缝检查的工作量；锻造筒的粗造度和尺寸精度高，可方便筒节对接，错边量小；反应器内部支撑结构可加工成与筒体一体的结构，这对于防止有关的脆性损伤很有好处。海南炼化HNLH1.2.2细部结构细部结构的设计也很重要。一些脆性损伤事故往往发生在一些细部结构部位，如内部承受重载荷的支撑圈和较大法兰的应力集中的高应力区。对于这些部位以及对于一些不便于使用中的维护与检测或是不利于各类应力水平降低的细部结构都作了一些改进，避免或大大减少了各类损伤的出现。海南炼化HNLH◆催化剂支撑结构最早支撑催化剂的支持圈多半都是直接焊接于筒体上，如图-1（a）所示。使用中在支持圈处发现多起裂纹，改进为如图-1（b）所示的结构。海南炼化HNLH海南炼化HNLH◆反应器进出口大法兰密封结构一般反应器进出口管的尺寸较大，其法兰多采用环形八角型金属垫片密封。由于螺栓载荷大，且原先设计上有不完善之处，曾在法兰密封槽内发生过裂纹，因而将该结构的设计的图-2（a）改进为图-2（b）的结构海南炼化HNLH海南炼化HNLH◆反应器支撑结构为了改善反应器裙座支撑部位的应力状况和为使裙座连接处焊缝在制造与使用过程检修时能够进行超声和射线检测，将此处的结构由过去的图-3（a）的形式改进为图-3（b）的形式。海南炼化HNLH(过去的结构(新的结构图-3催化剂支持结构的改进海南炼化HNLH◆改善裙座连接处应力水平的结构设计反应器在操作状态下，裙座连接部位由于器壁和裙座的边界条件差别较大，在设计中往往发现此处的热应力相当大。为了能够使裙座连接部位的温度梯度减小，以降低其热应力，对此连接处的设计，由过去的图-4（a）改进为设有热箱的图-4（b）的结构。海南炼化HNLH海南炼化HNLH1.3主要内件形式及作用反应器内件的设计性能的优劣与催化剂性能一道是关系到加氢裂化工艺水平的关键因素。在加氢过程中存在着气、液、固三相状态，反应器内件特别是液体分配盘的设计很重要，如果反应物分布不好，就会出现短路、沟流等现象，反应温度控制不好，就会出现“飞温”、催化剂过快结焦、缩短运转周期、目的产品收率下降等情况。反应物均匀分布和反应温度控制是加氢裂化装置正常运转的关键，因此，优化反应器内构件设计，确保反应器进料与催化剂颗粒的有效充分接触，在催化剂床层内不发生流体偏离；以及针对加海南炼化HNLH氢反应为放热反应的特点，对于多床层的情况设置了有效的温控结构（如冷氢箱），以保证生产安全和催化剂的使用寿命。在加氢裂化装置中，到目前为止一般采用固定床的工艺过程。为此，要确保：海南炼化HNLH进入反应器的液体停留时间不要太长，以免过度反应；避免催化剂的流化与磨损；压力降要小基于以上几点考虑，反应器的形式几乎都为气液并流的下流式结构，包括：入口扩散器设置目的是防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，海南炼化HNLH从而起到预分配的作用；气液分配盘目的是使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效的接触，充分发挥催化剂的作用；积垢蓝置于催化剂床层的顶部，是由各种规格的不锈钢金属丝网与骨架构成的蓝筐，它为反应器的进入物料提供更多的流通面积，使催化剂床层可积聚更多的锈垢和沉积物而不致引起床层压降过分的增加；冷氢箱由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，用以控制加氢放热反应引起的床层温升海南炼化HNLH热电偶对加氢放热反应引起的催化剂床层温升及床层截面温度分布状况进行监控。出口收集器等用于支持下部的催化剂床层，以减轻床层的压降和改善反应物料的分配。海南炼化HNLH海南炼化HNLH2.高压换热器海南炼化HNLH在炼厂中使用的换热器形式较多，但用于高温高压含有H2和H2S介质场合的换热器并不多。这是由于随着装置的大型化，所需换热器的尺寸也越来越大，解决给在如此苛刻条件下密封问题带来很大困难。另外，这类装置加工或处理的物料中都含有腐蚀性介质，换热器需要抽芯进行内部检查，要求管束的拆装方便容易。上述难点和要求，对于炼厂中使用较多的普通大法兰型换热器，虽具有结构简单等优点，但难以满足要求。特别是大型化后，这种形式换热器紧固螺栓将很大，给紧固和拆卸带来相当困难，既不便维修，又难以保证不泄漏。同时管壳程的大法兰螺栓也随之海南炼化HNLH变大、变厚，既不易加工，又使金属耗量增加，从而使制造成本上升。所以，在加氢裂化和加氢脱硫装置中使用较多的是螺纹环锁紧式换热器。此类换热器多用U型管式，它的独特结构在于管箱部分，管壳程均为高压时称为H-H型，对于壳程为低压而管程为高压的称为H-L型。海南炼化HNLH主要特点密封性能可靠这是由于在管箱中内压引起的轴向力通过管箱盖和螺纹锁紧环传递给管箱壳体承受。它不象普通型法兰换热器，其法兰螺栓载荷由两部分组成：一是流体静压力产生的轴向力使法兰分开，需克服此种端面载荷；二是为保证密封性，在垫片或接触面上需维持足够的压紧力。因此普通型法兰换热器所需的螺栓大，拧紧困难，密封可靠性相对较差。螺纹锁紧环换热器密封结构则不同，螺栓只需提供给垫片密封所需的密封压紧力，流体静压力产生的轴向力通过螺纹环传到了管箱壳体上，由管箱壳体承受，所以螺栓小，便于拧紧，很容易达到密封效果。海南炼化HNLH拆装方便因为它的螺栓小，很容易操作。金属用量少结构紧紧凑，占地面积小海南炼化HNLH3.高压分离器海南炼化HNLH3.1概述加氢裂化装置通常在高压反应器的下游设置高压分离器，对反应器流出物进行分离。通常采用的反应流出物高分流程有冷高分和热高分两种流程。因此随着装置采用的高分流程的不同，高分也相应的分为热高分和冷高分两类。本装置设计采用热高分流程，好处是：换热量大大减少，减少高压换热面积；空冷负荷减少，空冷面积大大减少；生成油分馏的换热负荷降低，减少投资；可以防止稠环芳烃的积聚，堵塞高压空冷，特别对于全循环流程更为合适；海南炼化HNLH可以避免冷高分的油水乳化现象发生，尤其是开停工期间，同时可缩短开工时间；降低装置的能耗。从安装方式来看，有立式和卧式之分。立式的优点是占地面积小卧式更有利于油、水、气的分离目前大都采用立式，因此，在冷高分设计时，对内部构件进行了特殊考虑，以满足工艺的需要。海南炼化HNLH3.2结构加氢装置中的高分要实现气液两相分离需要有合适的气相分离空间和充分的液相停留时间。对于立式冷高分，由于要分离液相中的油和水比卧式冷高分难度大，因此需在液相部分设置有利于油水两相分离的聚液器，以利于缩小分离空间，减小高分体积，降低设备吨位，减少设备投资。海南炼化HNLH二、加氢裂化设备的氢损伤形式海南炼化HNLH1.概述在加氢过程中，设备处于高温高压氢气中，氢损伤是常见的问题。金属材料中由于有氢的存在或氢与金属的相互作用而引起其机械性能变坏的现象，通称为氢损伤（HD）（HydrogenDamage）。原子态的氢是唯一能通过扩散进入金属中的物质，因而只有原子态的氢才引起氢损伤。金属材料的氢损伤，根据产生条件、作用机理和破坏形态，主要可分为两大类：一类是在常温时由于氢扩散到金属中而引起的氢脆（HE）（HydrogenEmbrittlement）和氢鼓泡（HB）（HydrogenBlistering）；另一类是在高温高压临氢条件下，氢进入金属后产生化学反应，导致材料脱碳、膨胀及沿晶海南炼化HNLH开裂的现象，称为氢腐蚀，简称氢蚀（HC）（HydrogenCorrosion）。炼油化工企业中，除了加工含硫原油的原因外，在加氢裂化临氢装置中存在有氢损伤的腐蚀环境，尤其是对于装置中处于高温高压临氢环境的反应器、换热设备和工艺管道来说，防止因氢蚀而造成突然事故的问题显得格外重要。海南炼化HNLH