固定床反应器催化剂装剂方法与展望

催化剂作为影响化学反应的重要媒介,在全球各行各业广泛使用,其装填质量的好坏更是直接影响生产装置的技术经济指标和催化效果。近年来,固定床反应器广泛用于石油化学工业中的气-固相反应和液-固相反应过程,其催化剂装填质量直接影响着装置长周期平稳运行及催化剂的使用寿命。文章针对固定床反应器催化剂装填采用的人工装填、密相装填、机械装填、智能装填等方法进行总结梳理,分析不同方法的优势与弊端,并根据分析结果及当前趋势提出对催化剂装填设备进行改进以提升催化剂装填质量的对策与建议,为实现固定床催化剂智能化装填提供一定理论基础。

关键词：固定床反应器 催化剂装填 传统装填 智能装填

固定床催化反应器是一种在管式反应器中填充一段催化剂颗粒而形成静止固体颗粒床层的设备。在这种反应器中,物料从催化剂颗粒间的间隙流过,与催化剂表面发生化学反应。固定床催化反应器具有工艺成熟、产品收率高、脱硫效果佳、投资费用少、操作稳定等优点【1-2】,其催化剂装填质量的好坏会直接决定装置的运行周期与经济效益,如果催化剂装填疏密不均,很容易造成物料“短路”或床层下陷,从而导致反应器内物料和温度分布、物料与催化剂接触时间、反应器压力降不均匀【3-4】。为了提升催化剂装填质量,国内外催化剂公司不断研究,不断提升催化剂装填技术,并对相应设备进行不断优化。

1 传统催化剂装填

1.1 人工装填技术

由于技术因素限制,早期的固定床催化剂多采用人工装填。该方式需要作业人员通过绳梯进入反应器内部,采用木制耙子将催化剂表面沿径向耙平,故该方式又称为袜(布)带法,如图1所示。这种人工装填方式具有操作简单、成本低廉、作业工人无需特殊培训即可作业、工艺上无需专有技术等优点,被国内大量炼油化工企业采用。但由于作业人员处于反应器内部,受工作时间长、反应器内部温度高、作业人员责任心等因素影响,很难保证装剂质量。一旦装剂质量不佳,催化剂颗粒之间将会存在较多空隙,出现“短路”、“架桥”(即上部催化剂大量堆积而下部无料)的问题【5】。并且,在作业过程中,工作人员需长期站在耙平的催化剂料面上作业,经踩踏后催化剂外观将会受到一定程度的破坏,影响催化剂的使用寿命。

图1 人工装剂流程

此外,在催化剂装填过程中,会涉及“氮气保护无氧环境作业”、“粉尘控制与收集”等风险因素,人工作业风险程度高,作业周期长,劳动强度大,稍有不慎即可能造成人员窒息、粉尘损伤等伤亡事故。为改善作业环境,诸多公司对人工装填技术加以改进,以达到缩短作业时长、降低作业风险的目的。

人工装剂过程中,需在反应器中安插反应器管心热偶来测量反应器轴向温度分布,依靠工作人员手动移动进行测量。但热偶套管在催化剂装填过程中不仅妨碍正常装填,还容易被催化剂和稀释剂夹住而不易移动。催化剂人工装填设备中,具有代表性的有中国石化石油化工科学研究院开发的一种催化剂装填器。该发明依靠固定管支撑架将反应器热偶套管固定在反应器的中心区域,不仅能够提高装填质量,还具有结构简单、安拆便利、价格低廉等优点【6】,装置结构如图2所示。大连石油化工研究院发明了一种固体催化剂颗粒的装填装置(见图3)。该装置固定在反应器之上,四周设置筛网,其中一侧筛网上固定风扇,其他三面再设置1层滤网,滤网下部安装粉尘收集盒。该装置借助风力作用解决了催化剂在生产、包装、运输过程中因挤压、磨损等原因产生的催化剂粉末,并通过设置筛网、滤网来防止催化剂颗粒的溅出以及催化剂粉末排放至环境中,以减少催化剂浪费,同时,降低催化剂粉末对装剂人员的影响及环境的破坏。

图2 中型固定床反应器催化剂装填器

图3 固体催化剂颗粒的装填装置

虽然现有的装填技术及设备一定程度上减少了作业人员的工作时长,减轻了催化剂装填对人员、环境的影响,但对于部分企业、单位存在的重生产、轻安全,部分作业人员安全生产意识薄弱、不具备安全生产的操作技能和防范事故的能力等问题,现有发明并不能有效解决。此外,对于人工装剂质量,仍没有较好方案加以优化改进。

1.2 密相装填技术

密相装填技术起源于20世纪70年代,多家国际知名催化剂服务商利用该技术开发出了机械装填设备【7】。该技术具有代表性的有美国ARCO公司的催化剂定向装填技术、TCFR公司的密相装填技术、UOP公司的紧密装填技术、捷克布拉格化工技术研究所的气动填充法【8-11】等。相比人工装填,这种通过旋转播料盘将催化剂分配至各床层、实现对物料有效装填分配的装剂方式,可以使反应器内床层径向更均匀、轴向更紧密【12】,对充分发挥催化剂性能、提高装置处理量、保证装置安全平稳运行、延长装置操作周期等具有重要作用。

但密相装填器仍存在较多弊端。如从播料盘的形态上看,现有的固定床密相装填器一部分采用锥形播料盘,播料槽的宽度不能灵活地调节,且在旋转播料盘播料时,催化剂很容易从播料盘上沿飞出,导致装剂效果不佳;还有一部分播料盘采用十字形落料口,这种落料口无法控制落料速度和落料量,导致催化剂堆积密度不稳定,并且该方式对催化剂的强度、外观形状要求较高,强度较低、外观不一致的催化剂装填后,破损较为严重。

为避免上述情况发生,多家公司在传统的密相装填方法上加以改进,如IFP公司开发的Cata-pac TM密相装填技术。该技术采用轻型高速装填机,将催化剂均匀分布至整个床层,作业方式温和,能够有效避免催化剂的断裂与粉碎,并将催化剂的装填量提高20%。Haldor Topsoe公司开发的Spiraload方法则是通过控制催化剂颗粒在床层上的堆积速度,将催化剂破碎程度降至最低的同时使催化剂颗粒有序分布,装填过程简单,仅需1～2名工作人员即可完成操作,无需特殊培训即可上岗【13】。

国内山东恒晖化工有限公司开发了一种螺旋式密相装填器。该装置依靠螺旋结构的螺旋叶缓冲和输送催化剂,并通过连接杆转动播料盘和通过转动杆控制落料速度和落料量。该发明特有的螺旋结构在保护催化剂不被破坏的基础上解决了催化剂从播料盘上沿飞出的问题【14】,装置结构如图4所示。淄博齐帅石化工程有限公司发明的一种密相装填器采用气动机推动播料盘旋转,气动的推力可使催化剂如羽毛般自由均匀下落。该装置底部安装微型摄像头,根据拍摄的催化剂分布均匀度调节播料盘转速,降低催化剂破损率的同时,还可提高产品的质量和催化剂的寿命【15】。江苏天鹏石化特种工程有限公司、常州大学和中国石化抚顺石油化工研究院共同开发的加氢催化剂新型高效密相装填技术,在传统密相装填的基础上融入先进的离散元EDEM软件, 采用数值模拟的方式明确影响装填质量的关键因素为播料盘结构、 转速, 外观形状等。利用该技术研制的可降低催化剂破碎率的催化剂密相装填器具有装填均匀、密度大、效率高等优势【16】, 装置结构如图5所示。

图4 螺旋式密相装填器

图5 可降低催化剂破碎率的催化剂密相装填器

国内密相装填技术起步较晚,整体技术水平较国外存在一定差距,具体体现为缺乏关键核心技术。国内自行研发的催化剂装填设备多以国外装填器为基准,由装剂公司根据多年装剂经验将装置改良加工,开发出符合自身特点的装填设备。目前,国内并没有较为通用的密相装填设备,也没有相关标准规范加以约束,一旦装填不规范,则将造成不良后果,比如将催化剂装填得过于紧实,将会导致床层压降迅速升高,严重影响装置运转周期;又如,播料盘形状较为固定,运转起来后多进行圆周运动,无法实时根据装剂效果调节填料方向等。因此,选取科学有效的级配方式、发明先进精密的填装布料设备是催化剂装填工作中至关重要的环节。

1.3 机械装填技术

机械装填是为代替人工装填而开发的一种全新装填途径,这种“机器换人”方式是提高劳动生产率、解决用工难题、提升职业健康和安全生产水平的直接手段。因此,开发机械装填技术代替作业工人完成高危岗位下的作业劳动、减少装剂人员作业时间成为了装剂公司研究的新方向。

南通江天化学品有限公司发明了一种催化剂装填机【17】。该装置的优势为每个催化剂仓中均设有装填计量装置,可根据计量槽的体积和列管装填的催化剂高度计算出装填密度,使人工量尺测量密度的效率与精度得到有效提高,装置结构如图6所示。江苏天鹏石化科技股份有限公司(以下简称江苏天鹏石化)发明了一种连续自动放料装置。该装置在每个料罐顶部安装破空阀,罐体内部安装料位开关,罐体底部安装气缸阀。通过第一、第二气缸阀分别操控催化剂进料口、真空泵接口,实现连续上料,使装剂效率得到有效提升【18】,装置结构如图7所示。

图6 催化剂装填机

图7 连续自动放料装置机

2 智能催化剂装填

近年来,在信息与互联网、新材料与新能源、自动化与人工智能等技术的推动下,全球正迎来一个崭新的科技时代,特种作业机器人作为一种依靠智能感知、自主决策、精准控制、自动执行的方式来实现某种特定功能的新型装备,可以通过受人指挥、预先编程和人工智能规划协助或替代人完成作业劳动或高危岗位的操作。目前,在装剂行业,许多企业也正在积极推进催化剂装填工作的智能替代,践行“无人则安”的安全生产理念。整体来看,国内外催化剂装卸技术与装备在自动化、智能控制方面都有较大提升空间。

2.1 智能装填系统

江苏天鹏石化发明了一种催化剂自动装填装置(见图8)【19】。该装置的优势一是依靠卷扬机驱动升降装置,与可伸缩式催化剂输料管一起穿过平台伸入反应器内部,满足不同催化剂床层高度的要求;二是采用特有的人机交互界面HMI进行操作,依靠PLC控制柜驱动旋转填料装置,带动出料管模拟圆周运动自动装剂,出料管的角度可以自行调节,使装料过程更加均匀可控。

图8 催化剂自动装填装置

虽然该发明打破了传统密相装填器可控参数单一,外观、强度要求较高的弊端,实现了催化剂自动装填装置的多角度、多高度调节,但仍有诸多弊端等待进一步完善。此外,对于该装卸技术,仅有相关文字资料记载,鲜有现场应用相关报道,实际效果有待进一步检验。

2.2 催化剂密相装填过程床层料面监测技术及优化

常州大学刘梅华利用单个脉冲微波雷达搭载运动装置,基于催化剂颗粒的落料规律,建立密相装填器中布料器的控制优化机制,开发多源数据耦合算法,形成布料优化策略,开发出一套集测量、显示、控制于一体的床层料面监测系统。系统生成的三维毯式图像和径向料线分布图使得密相装填过程床层料面的可读性得到显著提升,具有操作方便、价格低廉、可靠性强等特点【20】。但目前该装置尚处于实验室级别,未真正应用于催化剂装填现场,实际优化效果有待进一步考证。

3 智能化装填技术进展探讨

尽管当前国内外针对催化剂装填技术智能化进行了大量尝试,但仍有较多不足有待解决, 如催化效果智能感知提升、 优化智能装剂设备外观形态、 装填器实现多因素可控等问题亟需进一步探索。

3.1 装剂效果智能感知技术

传统催化剂装剂效果监测多采用人工量尺进行测量,每隔一段时间记录一次。该方式测量方法粗糙,仅靠肉眼识别读数,测得的密度存在较大误差,导致反应器内部容积无法得到充分利用,不仅会缩短催化剂运转周期,还会影响油品质量。而个别密相装填器上配备的单点雷达、摄像也仅能检测某一点的料面高度。常州大学开发的料面监测优化方法在反应器内部环境含尘量高、检测平台位置受传动齿轮影响等环境下,也会导致测量精度不足。为解决这一问题,未来可尝试在自动装填装置上搭载超声雷达、电磁波等精密光学元件,在装填过程中将数据实时传输至感知终端,并开发一套装剂效果评价方法,结合传输数据评价当前装剂效果。

3.2 灵活、便携的智能装剂设备

现有的机械装填设备体积较大、结构复杂,给携带、安装带来诸多不便,如江苏天鹏石化开发的催化剂自动装填装置,其对应的辅助设施(如电气控制柜、卷扬机、导轨等)均需放置在操作平台上,占据较大空间。此外,对于容积较小的反应器,由于其塔板空隙较小,很多装剂设施无法轻松通过塔板进入反应器内部开展装剂工作,因此,亟需开发灵活、便携的机械设备,以提高装置适应性。

3.3 多因素可控的装填器

目前机器装填、抛料器多采用电机驱动控制,通过改变播料盘转速来实现床层高度的控制,而当装剂过程中发生料面缺陷、料面倾斜问题时,无法及时处理修补。针对这一问题,可在自动伸缩装置上搭载多因素控制装填器,开发多参数可控的抛料系统,将光学元件检测到的料面状态实时反馈到装填器布料控制装置,实现装剂料面的自动补偿、优化床层,在不停工的状态下及时完成料面修补工作。

4 总结与展望

催化剂装填质量直接影响反应装置效率、周期、产品质量和催化剂寿命。随着工业的发展,传统的人工装填技术由于装填速度低、装填质量差、危险系数高,正在被慢慢淘汰,取而代之的大型化、机械化装剂设备被大量应用。但在装填过程中,仍存在很多亟需解决的问题以及装剂装置的提升改造空间。日后,在石油石化行业,开发特殊作业机器人替代人工作业已成为行业智能化发展新趋势,应把催化剂装填效果作为催化剂工程化的重要一步引起高度重视,研制新型智能装剂设备,不断提升装剂水平