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传说中的神泵:    福斯Byron Jackson沸腾泵技术

来源:广州化工作者:姬明利,原标题:《加氢裂化沸腾床反应器的循环泵技术》
本文主要介绍了加氢裂化沸腾床反应器循环泵的工作原理与结构特点,涉及了循环泵或称沸腾泵在加氢裂化沸腾床反应器内的作用、操作运行及故障的处理。重质油品或含固油品的加氢裂化反应工艺条件苛刻,循环泵或称沸腾泵的设计充分考虑了加氢裂化沸腾床反应器内的高温高压、临氢、油品含固以及催化剂颗粒存在的复杂操作条件,并保证了其可在此复杂环境中长周期运行。


世界上重油资源非常丰富是常规原油的2.7倍,并且全球常规原油变重趋势日益明显,而同时随着发展中国家经济增速的提高[1],能源的消耗将出现较大幅度激增,能源的巨大缺口将主要依靠稠油及煤炭(煤炭直接液化技术)等非常规资源技术来弥补。基于此对重油及含固油品的加氢裂化沸腾床技术应运而生,而循环泵或称沸腾泵就是这种沸腾床裂化技术的核心装备之一(见图1)。


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循环泵或称沸腾泵是由美国ByronJackson公司从20世纪60年代起与加氢裂化沸腾床反应器同步开发出来的。循环泵被处在沸腾床反应器内的压力,温度,临氢及稠油沥青质和催化剂颗粒的气液固三相物料内,利用循环泵提供的能量控制反应器内物料的返混程度以及催化剂床层的膨胀程度。循环泵是将泵和电机密封在反应器空间内,由电线绕组提供旋转磁场驱动转子带动叶轮调节反应器内物相的返混程度。由于加氢裂化沸腾床反应器技术在稠油和含固油品加工上的优越性[3],目前循环泵技术已经普遍应用于渣油加氢、煤直接液化技术中。

1.加氢裂化沸腾床反应器循环泵的作用


沸腾床加氢裂化工艺是借助于流体流速带动一定颗粒粒度的催化剂运动,形成气、液、固三相床层,使油品、氢气和催化剂充分接触而完成加氢裂化反应的(图2)。沸腾床加氢裂化工艺可以处理金属含量和残炭值较高的原料(如减压渣油、煤直接液化的煤粉颗粒悬浮液体),使重油深度转化。但是该工艺的操作温度及操作压力较高,一般在400~500°C,11~21MPa。



循环泵或称沸腾泵主要作用是给加氢裂化沸腾床反应器内的催化剂床层提供膨胀动力,实现反应器内物料的高度返混,保持了沸腾床反应器内各物料性质、操作压力与温度的高度均一,使原料油气与催化剂颗粒充分接触,提高了加氢裂化反应深度,避免了重质油品或者高含量沥青质原料在固定床催化剂表面形成的结焦及重金属中毒,堵塞固定床反应器系统,实现了重质油品和含固油品的长周期加工。


重质油品夹杂着氢气进入反应器以后,经过裂化沸腾床反应器特殊的结构与事先装在反应器内的催化剂混合,在反应器内形成气液固三相沸腾。循环泵的存在使反应器内的物料充分的返混,维持了反应器内均一的温度与反应压力。欢迎关注泵友圈公众号。重质油品就在均一的高温、高压、临氢、催化剂存在的工况下实现加氢裂化反应,反应生成油一部分通过沸腾床反应器循环杯进入到气液分离器,另一部分物料通过沸腾床反应器循环杯的溢流管进入循环泵的入口实现反应器内物料的循环返混。循环泵的液力端是一个单级叶轮,叶轮紧密安装在电动机转子轴上,旋转的叶轮对流体施加能量,流体经扩散器进入泵壳出口,建立反应器内流体循环,膨胀反应器内催化剂床层料位,使含固油品或重质油品在催化剂上充分接触实现加氢裂化反应。


2.循环泵的工作原理


循环泵本质是一种立式、油浸式离心泵。电机转子和泵的叶轮固定在同一根轴上,转子在润滑密封油介质中运转,其动力通过定子磁场传给转子,转子带动叶轮旋转[2]。循环泵泵体部分出入口直接与反应器底部相连接(如图3),循环泵启动前泵壳内灌满反应器内的液体介质,启动后叶轮由轴带动高速旋转,在离心力的作用下,液体由叶轮中心被抛向叶轮外缘获得能量,进入泵的壳体。液体由于流道逐渐扩大而减速,又将部分动能转变为静压能,最后以较高的压力排放至出口管道。循环泵通过变频驱动装置使电动机的电流频率变化调整泵出口流量的大小。



3.循环泵系统的组成与循环泵的结构


加氢沸腾床循环泵主要包括泵体部分、浸油式变频电机、轴端密封、电动机冷却系统、润滑冲洗系统、变频控制系统与仪表控制7部分。泵体处设有排污口。通过泵体部分实现离心泵的泵送介质功用,采用屏蔽式离心泵结构可以实现泵体介质的完全无外泄漏,其中润滑冲洗系统一方面将电机内的部分润滑油通过轴端密封间隙注入泵体部分,防止了泵体介质串入电动机内,另一方面润滑油在转子辅助叶轮的带动下在电机内循环流动实现了冷却与润滑的作用,变频器的配置实现了电机的转速控制,从而完善了循环泵的出口流量的调节。


3.1 循环泵液力端的结构


循环泵是带有入口扩散器并且内部充满介质集成了电机的单级油浸式离心泵。该泵需运行在高温高压下。循环泵液力端的结构见图4。



循环泵的电机布置在与泵的同一条垂直轴的下面,顶部是泵的吸入口,斜45°位置是循环泵的排出口。循环泵的顶端是一个单级叶轮(图5),叶轮与电机紧密连接,直接安装在电动机的转子轴上,叶轮对流体介质施加能量,并排至扩散器,扩散器再将流体导入泵壳,经叶轮旋转打入泵壳出口,建立循环,为沸腾催化剂床层和维持反应器内物料反应环境均一提供动力。



3.2 循环泵的润滑油系统


润滑油用于对整个电动机的冷却,轴承的润滑,阻止反应器内流体的串入。通过往复式计量泵提供循环泵所需的润滑油量。

润滑油通过装在止推盘中的辅助叶轮连续旋转实现润滑油在电动机内的循环。润滑油的循环(图6)是从辅助叶轮的排出端,通过电动机的腔隙内至密封区,然后再反向向下流回电动机的外部,进入热交换器,油通过热交换器时被冷却,再返回辅助叶轮。这样就提供了必要的冷却(去除了反应器带来的热,去除了电动机产生的热量)。



所以在循环泵运行过程中或者备用时,要一直从外部向电动机内注入润滑油,电动机腔体内的压力应当高于反应器的压力,以防止反应器介质返流入电动机。润滑油的作用是还给电动机腔体升压、润滑轴承和冲洗机械密封。部分润滑油通过迷宫型孔板流入泵体,进入反应器内。


循环泵以最低转速运行时循环泵电机由于处于反应器环境中,电机本体温升较快,如果电机长时间维持较高运行温度,很容易损坏循环泵的电机系统,所以当循环泵以最低转速运行时候应当将密封油的注入量调节至最大量,以便辅助叶轮可以循环大量密封油把电机中的热量带走,从而保证循环泵的安全运行。当循环泵转速高于最低转速运行时候可根据操作要求将密封油的注入量降至最低。


3.3 循环泵的电动机


电动机(图7)由电动机轴、转子、定子、电动机壳体、上部径向轴承、下部径向轴承、止推盘、上部止推轴承和下部止推轴承组成。绕组、转子和泵电动机装置的所有部件均浸没在注入的润滑油中。



3.4 循环泵的冷却水系统


除了循环泵内部的润滑油密封冷却外,电机基座表面采用循环水冷却。


3.5 循环泵的变频控制系统(VFD)


由循环泵电机的转速传感器测出循环泵的转速,并将此信号转换成与之相对应的4~20mA标准电信号[4],送到转速调节器与工艺所需的控制指标进行比较,得出偏差。其偏差值由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号,该信号直接送到变频调速器,从而使变频器将输入为固定的交流电变成输出为连续变化的可调电压与频率的交流电,直接控制循环泵的电机转速来调整反应器物料的膨胀和返混程度。



4.加氢沸腾床反应器循环泵操作的故障处理


在事故状态,反应器循环泵停止后,会引起反应器内物料的快速沉降,气体在反应器内分配不均,必然导致局部放热量失控,从而使反应器内局部(热偶、溢流管、升气管,支撑和泡罩)以及反应器壁的结焦。因此循环泵故障时候应要严格重视,以下为2种常见事故情况:


4.1反应氢气中断


反应氢气中断后反应器内气体快速与液固态介质分离,使反应器内悬浮液的料位迅速降低至循环杯以下,短时间可能造成循环泵的抽空,一旦发生反应器内脱气,应以最大速率提供油品进料,使油品迅速充满反应器,重新建立反应器内的物料循环。


4.2循环泵密封油中断


密封油的连续注入有助于冷却、润滑、冲洗循环泵的内件。如果密封油中断我们首先需检查DCS报警表,确定事故的原因范围:

(1)密封油过滤器堵塞,立即切换过滤器或者改走过滤器的付线,清洗堵塞过滤器。

(2)密封油控制阀事故关,立即切除控制阀改走副线控制维修。

(3)泵入口安全阀事故开,短时间可切除安全阀维修。

(4)密封油供给出现问题,联系密封油供给装置,确保公用工程装置输出正常。


5. 结论


综上所述,循环泵本质上是一种立式、屏蔽式、配置了变频控制系统的特殊离心泵,它的工作环境苛刻(高温、高压),工作介质(气液固三相介质)复杂,并且身处加氢裂化反应发生的环境中,循环泵技术完善了油品的加氢工艺,它是重(渣)油加氢裂化沸腾床技术中的核心装备,它为重质油品的加氢反应提供了均一的发生环境、为催化剂床层的沸腾提供了动力,很大的提高油品的转化效率,避免了固定床反应器被重质油品、沥青质原料反应时堵塞造成的停车事故,实现了重质油品以及含固油品的长周期加工。随着国家对节能减排降耗的要求,越来越多的炼厂开始采用沸腾床加氢工艺。


参考文献

[1]高建民,朱建华.我国渣油和重油加工技术展望[J].炼油与化工,2008(02):1.
[2]张辉均.屏蔽泵的故障分析和对策[J].广州化工,2006,34(2):67.
[3]刘春旺,李保臣.加氢裂化循环泵流程节能改造[J].流体机械,2002(02):9.
[4]高进.变频器在自动控制系统中的应用[J].化工自动化及仪表,1998(6):4.



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