加氢工艺培训教材

加氢工艺培训教材

近年来由于国家对汽柴油等石化产品的质量要求越来越高，而原料的性质越来越差，传统的油品加工工艺越来越难以满足要求。美国DuPont 公司IsoTherming 加氢新工艺，使用新型加氢反应系统，投资成本和操作费用较低。该工艺通过先用氢气使混合进料和先前已被加氢处理的液体循环物流处于氢饱和状态，混合进料和循环物流和反应所需的全部氢气一起进入催化剂床层。当氢气呈液相以溶解氢形式进入反应器时，整个反应只受内在反应速率(催化剂的有效因素和实际反应速率) 的控制。加氢时，发生的绝大多数反应为高放热反应。被处理过的流体循环物流不仅可向反应提供大量溶解氢，还可以作为热载体，有助于吸收反应热量，使反应器在更为等温的模式中运行，同时该技术还可大大减少催化剂的结焦现象。

1 加氢技术简介

1.1加氢的作用：

1）脱除原料油中的S 、N 、重金属等组分，为后续装置做好准备；

2）降低原料油中胶质，残炭值，提高后续装置加工量、产品收率；

3）对催化柴油，焦化柴油，直馏柴油等产品进行精制以提高质量；

4）使油品中的芳烃饱和，降低油品密度；

1.2加氢的种类：

1、石脑油加氢

通过加氢使得S 含量

石脑油加氢的约束条件：

1）反应床层温度不得高于350℃；

2）硅含量需严格控制，以防催化剂中毒；

3）控制砷的含量；

4）辛烷值损失要尽量少；

5）注意控制压力降，不能过大。

2、煤油加氢

通过加氢改善煤油烟点；降硫醇含量；降酸度、环烷烃含量。 煤油加氢的约束条件：

1）温度控制合适，温度过高会使煤油颜色加深，烟点上升；

2）采用钴钼催化剂。

3、柴油加氢

通过加氢使产品质量得以改进，生产产品低硫柴油和超低硫柴油；同时使柴油中的芳烃饱和，改善柴油色泽，稳定性；脱蜡，改善柴油凝固点。

柴油加氢的约束条件：

1）温度限制，随着催化剂活性的降低，为保证产品质量需提高进料油品的温度，但进料温度过高催化剂又易结焦；

2）反应床层温度过高会影响柴油色度；

3）压力降不能过大。

4、催化原料预处理

通过加氢对催化原料脱S, 脱N ，降原料油密度，降残炭，使芳烃饱和。

约束条件：

1）反应床层温度，影响反应速率；

2）重金属含量过高，会使催化剂中毒；

3）压力降过高会影响操作。

2 加氢技术的发展

加氢技术可分为三个阶段：

第一阶段为1940～1970年，以提高产率为主，渣油转化技术；

第二阶段为1980～2010年，对产品质量要求逐渐提高，以清洁环保为主。

第三阶段为2020～以后，针对能源紧缺，需将更多重油转化为产品。为能源充分利用阶段。

3 DuPont IsoTherming加氢

3.1 IsoTherming加氢工艺

IsoTherming 油品加氢改质工艺分原料预处理部分，加氢反应部分，热、冷低分部分，分馏部分，新氢压缩机部分等。

原料预处理部分：混合原料（包括焦化蜡油、焦化柴油、直馏柴油、催化柴油）先进入进料过滤器过滤，然后与低硫柴油换热后进入原料缓冲罐，原料进入缓冲罐前腰控制好温度在150℃以下，以防结焦，然后由进料泵将原料抽出送往后续工段。

加氢反应部分：保护床控制总体原则要确保进入床层的液体处于

氢饱和状态，可采取以下措施：（1）每个床层上都要保证一定液位，淹没催化剂；（2）释放气的流量控制至最小且为固定值，确保有连续的气相不断从反应器床层往外排，确保有氢气逸出，从而保证油品处于氢饱和状态。反应器床层的液位通过注氢量来控制，液位高时，加大氢气量，可将液位压下去。

热、冷低分部分：主要为热低压分离罐、冷低压分离罐。由于反应过程中有铵盐生成，会对设备造成腐蚀，因此在油品进冷低压分离器前注水，以洗去铵盐。

分馏部分：由热低压分离器底抽出的油进入分馏进料加热炉，然后进入分馏塔底部（28层）然后通过分馏工艺分离出各组分。

新氢压缩机部分：由进出口分液罐、中间冷却器、往复压缩机组成。制氢装置来的氢气进入压缩机入口分液罐后，由压缩机升压后送入反应系统。

3.2关键设备介绍

（1）、反应器

1) 反应器关键参数为反应温度、压力及催化剂体积；

2) 反应器床层数量与氢耗、氢气的溶解度、反应器床层压降有关，同时受加氢循环泵的相关参数（扬程、流量等）限制。

（2）、反应器循环泵

反应器循环泵目的：1) 是将溶解有氢气的反应产物循环带入反应器中；2) 吸收反应热，使反应器床层温度比传统模式低，生焦量下降。 因此泵的可靠性要求高、无泄漏，一般采用高温屏蔽泵以提高整个装置的安全性。

3.3与传统加氢工艺的比较

该套工艺称为等温加氢，因反应热被循环的液体吸收，温升较低，接近等温而得名。传统工艺靠循环氢压缩机和新氢压缩机提供氢源，在反应器中有气液两相存在，有H 2从气相到液相的传质过程，同时反

应产物H 2S 从液相传质到气相中。而该套工艺不同于传统技术，采用

液相循环。整个反应器为全液相，氢气溶解于油中，少了气液相的传质过程，没有传质阻力。因此反应器体积相对较小，同时省去了很多高压设备。热高分、冷高分分别由热低分、冷低分代替，用循环油泵代替了循环氢压缩机，取消了部分高压换热器，大大降低了投资成本。

4化学反应原理

4.1加氢反应原理

利用H 2把不饱和键饱和、将C-S 、C-N 键断开变成H 2S 、NH 3及将

C-C 键断开，把大分子变成小分子。

4.2反应分类

（1）希望发生的反应(正反应)

1) 脱硫反应；2) 脱氮反应；3) 脱氧反应；4) 脱卤素反应；5) 脱金属反应；6) 加氢饱和反应(芳烃饱和可提高十六烷值，芳烃开环及支键断开可降低油品密度) ；7) 深度有限的裂化反应。

（2）不希望发生的反应(副反应)

1) 过度裂化(如石脑油变瓦斯) 。过度裂化床层温度不好控制；

2) 结焦反应。减少催化剂使用寿命，床层压降上升。

4.3原料的性质

原料的性质主要表现在以下几个方面：1) 馏程；2) 硫含量；3) 氮含量；4) 密度；5) 芳烃；6) 重金属；7) 辛烷值。

（1）馏程

原料干点高，分子量大，API 下降，密度增大，硫化物含量多，重金属含量高(特别是蜡油) ，催化剂更易中毒，同时加工过程中产品的颜色加深，易产生焦炭，主要是其中不饱和物高，在有氧条件下很快氧化成胶质，使颜色加深。

原料干点增加达一定程度后，干点仅上升一点，其中的硫化物的复杂程度却增加很多，加工难度也相应增大几倍。

（2）硫含量

注：相对反应速度是以4为基准。

越复杂的硫化物因难于接触到活性中心，需要更多的催化剂及反

应空速来脱除，加工难度大。

原料中芳烃含量大，十六烷值低，硫化物脱除也相对困难。

汽油、煤油、柴油中硫化物的脱除难易程度为汽油＜煤油＜柴油。硫化物含量高并非都难脱除，主要取决于其中难于脱除的硫化物的多少，即脱硫转化率与硫的结构有很大关系。

（3）氮含量

催化剂为酸性活性中心，氮更易于吸附并占据活性中心。在此情况下，硫化物脱除较困难。一般需将氮脱除到一定程度以利于硫的脱除。

原料中的氮含量增加，若要得到相同质量的产品，则反应温度需上调。一般氮含量小于400ppm 时，温度上调幅度较大；大于400ppm 时则温度上调较缓慢。

（4）残炭

残炭越高，加氢难度越大。

（5）重金属

重金属会造成催化剂永久失活，装置设置预加氢反应器主要是吸附重金属，对主催化剂进行保护。一般情况下，主催化剂中金属含量超过总量的2～3%便不可再生。

（6）芳烃

由上表可知，催化柴油加氢精制氢消耗的氢气最大，且双环与三环芳烃加氢饱和易于单环芳烃。通常情况下，芳烃饱和过程中其含量与反应温度呈抛物线形，存在一个饱和的最低温度，当反应温度低于该温度时，原料中芳烃含量随温度的上升逐渐下降，反之则上升。

总之，原料性质的相对性对操作的影响可归纳为干点增加、芳烃含量增加、不饱和烃含量增加、氮含量增加，操作难度均会增大。但

是硫含量增加，操作难度是否增大取决于其中难于脱除的硫化物的含量是否增加。

5 催化剂

5.1新老催化剂比较

老式催化剂挂硫低、活性低、有效成份二硫化钼分散高；新型催化剂挂硫高，活性高，有效成份分散低。

5.2催化剂活化

催化剂一般都是氧化态的，需进行硫化，即活化，才能起到作用。硫化过程不好，活性可能就不高，不过完全硫化也是相对的。

将催化剂活化可采用硫化氢、含硫原料或活化剂(如DMDS 、TNPS 、DMS) 。也有已硫化好的催化剂，方便简单。但一般不采用此种催化剂，若存放不当，易自然，比较危险。

5.3催化剂装填

为确保床层压降不至于太大，催化剂装填为分级装填，包括稀相装填和密相装填。稀相装填为瓷球的装填。瓷球主要起保护催化剂并过滤固体颗粒的作用，装填方式为不同粒径瓷球分层平铺，相对松散。密相装填为催化剂的装填。催化剂入装填器漏斗，底部由旋转器带动分布管旋转进入反应器内，旋转速度与催化剂粒径大小，反应器直径大小有关，旋转速度过大或过小都会造成催化剂装填不均匀，影响反应过程，使反应器内各部分催化剂失效不同步。密相装填并非一次性装填到位，装填一部分后需测量是否均匀，再继续装填。

5.4催化剂的选择

1、催化剂的选择取决于原料性质及产品的质量要求。

2、评价催化剂的好坏可从以下几方面进行：1) 活性。衡量反应速率；

2) 选择性。正反应发生，副反应少则选择性好；3) 稳定性；4) 产品质量。是否能满足产品质量要求。

3、DuPont 公司推荐使用雅宝公司催化剂：保护床层催化剂KF-647-1.3Q ，主床层催化剂KF-860-1.3Q 。

6 影响反应器的操作条件

6.1原料的质量

1) 增加原料干点，反应苛刻程度增加，催化剂寿命缩短；

2) 原料残炭含量增加，高分子的量增加，转化反应难度增加；

3) 氮含量增加，加工难度增加，氮会抑制加氢脱硫反应；

4) 沥青质、金属杂质会使催化剂失活，特别是重金属会造成永久失活。

6.2 H2S 的分压

H 2S 浓度影响加氢反应的选择性，主要是脱硫的选择性，可通过

释放气来调节该压力。

6.3 H2的可用度

在整个加氢反应过程中需确保氢气量足够。

H 2的可用度=可用氢的流量/耗氢的流量

设计H 2的可用度=2。

6.4反应温度

提高反应温度来提高反应深度，但结焦速度会加快。通常降处理量首先降反应温度。

床层温度是床层的平均温度，是催化剂活性的衡量标准。

床层平均温度WABT=Tin +[2/3(Tout -T in )]

反应温度的测量取点包括径向床层温度及轴向床层温度。测温点越多得到的数据越接近真实值。径向床层温度差异是液体分布好坏的衡量标准。若径向温差大，说明原料出现沟流，可能存在的原因有

1) 催化剂装填不好；2) 局部结焦；3) 原料过滤不好，颗粒物堵塞部分催化剂。轴向床层温度从上到下逐渐增大，若下层温度上升很快，说明催化剂失活比较严重了。床层温度与催化剂高度的关系如下图：

T/℃

H/高度

一般通过控制反应器入口温度来控制床层温度，提高反应器平均

床层温度促进对硫、氮脱除，但也会造成结焦速率增大。调整反应温

度不能过快，通常每两小时提高1℃。

催化剂反应初期有一个快速失活过程，此时反应温度上升较快，之后随反应时间增加，该反应温度上升较缓慢。在原料性质无大变化的情况下，反应温度与时间几乎成线性。如图所示：

T/

100 t/天

原料性质的变化，加工量的变化对反应温度均有影响。

6.5液空速(原料在催化剂)

液空速=进料体积流量/催化剂体积

液空速是进料量的函数。若原料性质变差，为得到质量合格的产品，可通过提高反应温度或降低液空速来达到。但是提高反应温度有一弊端，会造成结焦加速。若上游进料量降低，液空速降低，则需适当降低反应床层温度，此时应先降温度后降处理量。

6.6循环比

循环比为循环油与新鲜进料比

循环比一般为3

循环系统主要是向反应系统提供氢气。通过循环比控制氢气可用度，确保氢气量足够，而循环比则由循环泵(为变频调速泵) 出口外送量来控制。一般增大循环比的原因有：1) 耗氢量大；2) 反应床层温度高，需增中循环油量来带走反应热。

7 控制方法简述

加氢精制的目的产品为柴油、蜡油、石脑油。针对工艺几大部分对重点控制手段简述如下：

1) 没注氢气前，混合原料温度不宜过高，易结焦。因此控制低硫柴油与原料换热温度不超过150℃，通过低硫柴油换热器旁路控制。

2) 缓冲罐液位由进料直馏柴油量来控制，而加氢进料泵出口控制

进加氢反应器的流量，与常规泵出口控制液位方式有所不同。

3) 催化剂在反应过程中会逐渐失活需提高床层温度，此时则提高瓦斯进料量以控制加热炉出口温度达到要求。

4) 确保液体中氢气为饱和状态，工艺上设计每个床层通氢气，同时保持床层液位，上部留有一定气态空间，释放气流量设置最小量，持续流动即可。

5) 床层液位的高低通过床层上部气态压力来控制，若液位较高，可增大氢气量，因释放气量小，上部气态压力上升，将液位压下来。

6) 热冷低分系统及分馏塔顶注净化水主要是防结晶，NH 3与H 2S 在低温下(120℃) 易产生铵盐。

8 操作故障处理

8.1催化剂失活

（1）催化剂的影响因素

1) 结焦，通过反应温度的变化来判断结焦情况；

2) 原料重金属、机械杂质的影响；

3)H 2中杂质的影响。

（2）判断及处理

首先检查仪表测量是否准备，再判断原料性质是否发行变化；再次判断H 2中的CO 等杂质是否过高。

原料性质发生变化也有多种情况：

1) 含有过多烯烃，反应放热大幅度增加，可通过提循环量，降加工量，提氢气量来处理。

2) 重金属含量增加。会造成催化剂永久失活。

3) 原料中胶质增加。处理方法：a 加防焦剂；b 回炼；c 改善上游分馏塔的操作；d 原料储存有浮顶罐或氮封、瓦斯封，以隔绝空气。

8.2过滤器堵

采用自动反冲洗过滤器，根据压差来控制反冲洗频率

8.3换热器泄漏

原料侧压力高，若发生泄漏会使产品质量不合格，判断方法：分析换热器进出口物质的硫含量。

8.4空冷器、循环水冷却器结盐

热低分气及分馏塔顶气存在H 2S 及NH 3，在低温下易形成铵盐结

晶，可通过分析酸性水中的硫化铵浓度来判断是否结盐，一般浓度控制在2～4%，超过4%则表示结盐，需加大注净化水的量。也可通过测厚来判断。

8.5判断问题的步聚

例如：产品质量不合格

NO

YES

NO

9 开工过程

9.1开工准备

（1）公用系统、原料罐区处于可用状态；

（2）检查关键设备； （3）系统试压、试漏； （4）压缩机、反应器循环泵调试；

（5）催剂装填。

9.2开工步骤

（1）赶空气、系统干燥

用热氮气对催化剂进行干燥。流程为：

氮气通过压缩机压缩E105壳管程

液体导淋

（2）开工引油循环

引油循环是脱水及脱除机械杂质的过程，同时也是仪表校验的过

程。开工油为直流柴油。流程为：

原料油

分馏塔

顶

回流罐

（3）床层液位的建立

床层液位从下层开始逐步建立，上部空间需保证压力，待液体无法下降时，开始建立第二层。为保证压力，需将释放气阀门关死，反应器原有N 2(干燥过程中所充) ，若压力不够可补充氢气。原料接触催

化剂存在放热，反应器内会有温度变化。

（4）反应器升温升压

反应器升温升压要缓慢，为保证反应器操作安全，温度≯120℃，同时不能冒然升压，不能超过设计值的1/4。

（5）催化剂预硫化

在进料泵前注硫化剂，若分馏塔内水已排尽，可带着分馏塔进行硫化。此时处理量为满负荷的30%，注硫化剂分为两个阶段，低温下挂硫至饱和，升温后再次挂硫至饱和，催化剂预硫化结束。置换出来的氧与氢结合生成水，从冷低分的导淋处出来。过量的硫化剂生成的H 2S 需用汽提蒸汽从塔顶汽提出去，以保护设备。因预硫化控制温度

不能过高，若用汽提蒸汽，后段需投用降温设备，投空冷，循环水冷却器等，多消耗些能源。通常硫化剂购置为需要量的1.5倍。

判断挂硫达饱和的方法：1) 测量低分气中H 2S 的含量，H 2S 含量

急涨表明已饱和。2) 反应器的压力。为避免浪费，释放气阀一般处于关死状态，若反应器压力急涨也可判断挂硫达饱和了。

低温硫化温度控制在200～250℃，高温硫化温度控制在250～350℃。从催化剂干燥到硫化过程约三天左右，催化剂硫化好后可逐渐注入其他种类的原料，每次注入量为原料量的25%，约2～3周后，原料转正常。

10 停工过程

10.1正常停工

10.1.1正常停工的目的

（1）保护催化剂

以下三种情况对催化剂有影响：

1) 系统内没有H 2，只有油，会使催化剂结焦；

2) 系统内只有H 2，没有油，会使催化剂中的硫流失；

3) 催化剂遇到凝结水，会使催化剂出现热崩。

（2）保护设备

10.1.2正常停工步聚

（1）降进料量至50%；

（2）不合格产品入不合格罐；

（3）保证循环泵在正常工作中；

（4）降反应器温度；

（5）打循环，将裂化原料改直馏柴油原料，置换反应器中的重油。

在300℃温度下循环6个小时，逐渐停炉；

（6）将催化剂有害物质、重油汽提出来；

（7）停注水、空冷器等；

（8）逐渐停炉，将反应器切除，维持低H 2量，保持反应器压力；

（9）逐步关循环油泵；

（10）退分馏塔顶回流罐中的油；

（11）待反应器完全切出，可停分馏塔蒸汽，塔底油至不合格罐；

（12）用N 2置换H 2，打循环降温。

（13）催化剂卸剂(需要时进行) ，硫化的催化剂在空气中会自然，在卸剂过程中需通N 2进行保护。催化剂一般不进行现场再生。

10.2非计划停工

（1）进料泵故障

进料关闭，停加热炉，不停H 2和循环油泵。打开备泵，流量控制

为正常量的50%，开加热炉升温，看反应器温度变化情况提量。

（2）循环泵故障

循环泵有自动联锁保护系统，该泵停，进料也被切断。将释放气、反应器出口阀门关闭，保反应器压力，再启动备用泵，若30分钟内能启动正常，控制进料量为正常量的50%，开加热炉，视情况提量；若30分钟内不能启动，反应器温度上升快，易结焦，启动紧急停车程序进行处理。

（3）压缩机故障

与循环泵的处理方法相同，均表现为H 2量不足。

（4）注水泵故障

30分钟内可恢复则可开车，若在此时间内没能恢复需启动紧急停车程序进行处理。

（5）反应器进料加热炉故障

切断进料，停注氢气，维持循环泵运行，待反应器温度下降至200℃以下停车。若反应器温度不能维持允许温度，可适当泄压。

（6）停电

按紧急停车程序进行处理。

（7）停风

按紧急停车程序进行处理。

（8）停冷却水

按紧急停车程序进行处理。

（9）催化剂床层温度过高(一般很少)

降进料量，提循环量，提H 2量防结焦，降反应器入口温度，若仍

超温，停车泄压

10.3紧急停车程序

（1）原则

1) 保护人身安全；

2) 保护环境；

3) 保护设备。

利用安全逻辑自动停车(SIS系统) ，应尽可能判断产生报警原因，尽量避免这一过程发生。

（2）步聚

1）停进料加热炉；

2）停进料泵；

3）停进料泵出口阀；

4）停压缩机，保护循环泵来维持操作。

5）分馏系统退油。

6）反应系统用0.5Mpa N 2充压，维持5分钟，再泄压至火炬系统，反

复如此，将H 2置换出来。反应器温度降至200℃以下。

7）火灾情况或有泄漏情况按紧急停车处理即可。

2013年8月1日