PSA开工运行对加氢裂化装置运行及氢气管网影响

PSA开工运行对加氢裂化装置运行及氢气管网影响摘要：本文以天津某炼油部为例，通过对渣油加氢PSA单元开工对氢气管网及加氢裂化装置运行进行分析，从PSA开工操作、装置工艺参数变化等方面进行总结，对炼油企业氢气管网运行的优化起到一定的借鉴意义。

关键词：PSA；优化运行；加氢裂化氢气是一种宝贵而清洁的能量资源，在炼油行业中，它既是石油炼制和石油化工的副产品，又是石油炼制和石油化工加氢工艺工过程的重要原料来源。

[[1]]一般炼油企业的氢气来源主要有天然气制氢、重整装置产氢、乙烯裂解产氢等不同品质的氢气。

不同的油品精炼装置对氢气纯度要求不同，一般汽柴油加氢装置氢气纯度要求90%以上、重整预加氢装置氢气纯度要求85%以上、航煤加氢装置氢气纯度要求85%以上，渣油加氢装置氢气纯度要求99%以上、加氢裂化装置氢气纯度要求93%以上。

某炼油部利用变压吸附氢气提纯装置（PSA）对重整产氢、外购芳烃装置产氢等低纯度氢气进行吸附提纯，产出纯度99%的氢气满足加氢裂化、渣油加氢等装置对高纯度氢气的需求。

1.炼厂氢气管网概述某炼油企业年加工能力1500万吨/年，下游配套100万吨/年乙烯项目。

炼油厂氢气来源主要有乙烯装置产氢气、催化重整氢气、低分气膜分离产氢气、外购芳烃装置产氢、制氢装置产氢，耗氢装置主要有120万吨/年1#加氢裂化、180万吨/年2#加氢裂化、260万吨/年渣油加氢、260万吨/年2#柴油加氢、200万吨/年3#柴油加氢、130万吨/年蜡油加氢等。

2.氢气管网图从上图可知2#制氢装置产氢首先满足渣油加氢装置的使用，然后进入氢气管网。

PSA装置建立在渣油加氢装置内，PSA装置产氢直供2#加氢裂化装置使用，PSA开工将有利于2#加氢裂化装置氢气纯度的提升。

3. PSA装置开工过程3.1 PSA开工关键步骤节点3.2 PSA开工对氢气、燃料气平衡影响以外购芳烃氢气（化工氢）15000标立/时，重整氢全部进PSA进行氢气平衡计算，氢气平衡如下：全厂燃料气平衡如下：以上表内看出PSA开工，2#制氢装置负荷比PSA停工时略有增加,对氢气管网整体管控是一个比较好的结果；燃料气管网方面，PSA解析气的增加造成厂内燃料气供大于求，需增加外部需求。

1.PSA装置开工后对2#加氢裂化装置影响4.1氢气纯度提高对2#加氢裂化反应的化学动力学影响4.1.1提高氢气纯度对加氢脱硫反应的影响当提升氢气纯度，相当于在反应过程中提升了氢分压[[2]]，氢分压对加氢脱硫反应的影响十分复杂，综合大量国内外研究表明，在一定的范围内，提升氢分压可以显著促进加氢脱硫反应进行。

4.1.2提高氢气纯度对加氢脱氮反应的影响加氢脱氮反应较加氢脱硫反应更难进行，相较于加氢脱硫反应，加氢脱氮反应往往需要先进行加氢饱和反应，随后C-N键的断裂才较易发生，而在加氢裂化反应中，大部分物质的C-S键断裂可直接进行。

因此脱氮反应较脱硫反应较难进行。

氢分压对加氢脱氮反应影响复杂且十分重要，提高氢分压，不但大大提高了加氢脱氮反应的速度，而且通过加氢脱氮的反应途径大幅改变了相应的产品结构。

4.1.3提高氢气纯度对裂化反应的影响烷烃加氢裂化主要发生的是裂化和异构化反应。

对于芳香环的裂化反应过程，涉及芳烃的饱和和断键，提升氢分压，在一定程度上有利于反应的进行，但当氢分压提高到一定程度，又会抑制反应的进行。

因此原料的性质，即原料中所含芳烃和氮化物的含量不同，提升氢分压所能产生的效果也有不同。

4.2氢气纯度提升前后装置运行状态对比2023年2月以前，装置采用原料氢气纯度在93%左右，在使用PSA提纯氢后原料氢气平均纯度在99%以上。

装置各方面参数产生较大的变化，尤其以中压蒸汽耗量、燃料气消耗量、氢气耗量、循环氢量、反应温升变化特别显著。

4.2.1中压蒸汽消耗变化使用PSA产高纯度氢气作为原料后，反应氢分压显著提高，循环氢纯度也由原来的85%左右提高至91%以上。

循环氢中氢气纯度提高，使得循环氢密度大幅下降，循氢机推动气相循环所需要做的功相应降低。

装置适当调节循氢机转速，降低中压蒸汽耗量。

3.5Mpa中压蒸汽由原来的24吨/小时下降至19吨/小时左右。

通过计算，蒸汽综合能耗同比去年同期大幅下降。

图1装置中压蒸汽耗量对比4.2.2 燃料气消耗变化在原料氢气纯度提升以后，氢分压上升，达到相同转化率所需要的反应温度降低。

因此，反应器入口温度做出适当调整。

通过观察，实际情况与理论推测相符合。

精制反应器入口温度降低3-4℃，便能达到同等工况的温升。

反应进料加热炉燃料气消耗大幅下降。

装置整体瓦斯耗量已从3200 Nm3/h下降至2700 Nm3/h（见图2），下降500 Nm3/h。

图2 燃料气消耗图4.2.3 循环氢量的变化图4 循化氢量变化图由于补充新氢纯度提升，循环氢纯度也大量提升，加之氢气耗量大幅下降，在多方面因素共同影响下，加氢裂化装置循环氢量下降。

趋势非常明显。

循氢量变化，使2#加氢裂化装置高压空冷负荷下降，达到关闭风机节约电能的效果。

4.2.5 反应温升变化.图5 精制反应器R101温升变化图由于氢分压的提高，改善了反应环境，使得达到相同脱硫脱氮等精制反应效果所需要的反应器入口温度大幅下降。

根据以往经验，2#加氢裂化装置先适当降低反应器入口温度，防止高纯度氢气进入后，温升增加较多，使精制反应器出口温度上升过多。

图5中趋势可以看出，在不改变其他条件的基础下，PSA氢气进入后，精制反应器温升快速提高。

达到少用燃料气同时精制反应器温升维持较高水平的效果。

5.加氢裂化装置在PSA开工前后运行数据分析5.1 氢气纯度对循氢机中压蒸汽耗量影响的讨论高纯度氢气提高了装置的氢油比，氢油比的提升为加氢裂化反应提高了反应的氢分压。

在富氢环境下，提高了装置携带热量的能力，可以良好的控制反应温升。

同时，为原料油的雾化提供了帮助，使反应保持良好的物系分布。

循环氢的氢气纯度也较以往有了大幅度的提高，自2月以来循环氢纯度由85%提升至95%左右。

氢气密度较循氢中其他组分密度小很多。

使得循环氢密度大为下降。

固定体积的循环氢在系统能循环所需要的能量随之减少。

因此循氢机做功大幅度降低。

适当降低装置循环氢压缩机转速，在维持目前转速的前提下，作为循氢机动力源的中压蒸汽消耗由起初的24吨/小时左右降低至现在的19吨/小时，下降约20%。

5.2 氢气纯度对装置燃料气消耗影响的讨论装置提升氢气纯度后，氢油比得到提升，此变化实质上是提升了反应的氢分压。

在物料流率不变的情况下，提升氢油比即提升循环氢流率。

氢油比较原工况提升，同时在满足装置产品质量要求的前提下，平均反应温度得以降低，以精制反应器温升为例，原工况下达到温升50℃，反应器入口温度需要达到347℃，在使用PSA产高纯度氢气原料后，达到相同温升，精制反应器入口温度仅需要343℃左右。

本装置采用加热炉前混氢，反应流出物与原料换热的工艺流程，因此反应进料加热炉可降低燃料气控制阀开度，以降低炉出口温度即降低精制反应器入口温度，装置燃料气消耗量由原先的3200标立/小时降低至2700标立/小时。

5.3 氢气利用率提高反应压力是加氢裂化反应中重要的参数[[3]]，加氢裂化反应总体上是体积缩小的反应，从反应平衡的角度来说，反应压力升高有利于反应的进行。

反应压力的提升实质上是提升反应过程中的氢分压，通过引入PSA产高纯度氢气，可在不增加反应系统总压力的情况下，实现氢分压提升。

从芳烃饱和、烯烃饱和、脱硫、脱氮几个主要的反应速率来说，氢分压较高，烯烃饱和就能进行的较为充分。

芳烃饱和反应由于受到反应平衡影响较大，较高的氢分压，有利于反应的进行，受氢分压提升的影响明显，能够提高反应速率。

脱氮反应比脱硫反应更容易受到氢分压提升带来的影响，因为脱氮反应需要先进行含氮杂环的加氢饱和，而较高的氢分压能够显著提升芳烃饱和的速率，从而提升脱氮反应的整体速率。

但是过高的压力，会造成油品气化困难，形成油膜较厚，阻碍氢气向催化剂表面扩散，但随着氢分压的提高，又推动氢通过油膜向催化剂扩散，抵消了油品气化不足产生的油膜阻力。

总的来说，较高的氢分压，利于反应进行。

综合上述几个方面，高纯度氢气的引入，对加氢裂化装置优化反应条件十分有益。

装置整体氢耗也有所降低。

当氢气纯度提高，有效降低氢气中杂质的比例，由于氢气相对分子量小，相较于在固定质量的混合物中原氢气中杂质比例最大的甲烷、乙烷等组分，大幅降低了维持系统需要的补充氢整体质量。

使得氢耗显著下降。

5.4 装置能耗大幅降低由于氢耗降低、补充氢量大幅减少，补充氢内所含大分子杂质也降低较多。

因此在装置实际运行过程中，我们发现，循环氢量大幅下降。

这些不参与或难以进行改质反应的物质原本通过分馏系统进入干气组分，增大了吸收稳定系统的负荷、增加了循氢机负荷。

在氢气纯度提高，循氢纯度提高的影响下，装置吸收稳定系统和循氢机也达到了降低能耗的效果。

5.5反应系统温度参数变化由图5的数据可以看出，在使用高纯度氢气以后，精制反应器温升大幅提高，由于氢分压的增大，反应深度提高，使得原本精制反应器入口温度不再适宜当前剧烈的反应程度。

因此在操作上，我们减少反应进料加热炉瓦斯量，从而降低精制反应器入口温度，控制反应温升重新回到合理区间，并大幅降低了燃料气耗量。

5.6其他方面的影响由于使用高纯度氢气后氢分压升高，装置保持原有操作压力就相对浪费，因此，根据操作参数和产品质量及时调整系统压力，稍作降低，进一步降低了补充氢压缩机的负荷，降低了电能的浪费。

6.本次PSA开工优化6.1、在PSA产出合格氢气后投用吸附时间自动调整。

在PSA正常运行并产出合格氢气后，在PSA主流程画面上把吸附时间投用自动调整。

当吸附时间投用自动调整时，T1和T2的值会随着前一个（T1+T2）时间段内的原料气平均值自动调整，这样在PSA的原料气出现波动后，PSA的吸附时间就能及时进行对应的调整，可保证产品氢纯度和氢回收率不出现大的变化，避免吸附剂因吸附时间不合适而被快速污染，而人工手动调整吸附时间无法做到这一点。

6.2、601_PIC_50402投用串级（即SP自动修改）在PSA运行中原料气流量会有波动，这样解吸气流量也就会有波动，为了保证解吸气总管的压力波动较小，就要选择601_PIC_50402投用串级（即SP自动修改），这时SP值会等于前一个（T1+T2）时间段内的解吸气压力PI50402的平均值，这样SP值就能跟随解吸气流量的变化而变化，而人工设定SP值就无法做到这一点。

6.3、优化K值调整为了使吸附剂的使用寿命不少于8年，在调整操作系数K时，每次增加的K值不能超过0.02，每次减少的K值可以是0.03~0.05。

当产品气的氢纯度下降较快或已经较低时，可以一次减少K值0.03；在缩短K值后的一个循环周期内若产品气氢纯度趋势没有明显上升，则要再次缩短K值0.03。