本发明涉及一种沸腾床加氢反应系统及沸腾床加氢方法，属于加氢技术领域。
背景技术：
沸腾床加氢反应指原料油，主要为液相；氢气，气相；在催化剂，固相上进行加氢反应的过程，加氢反应主要发生加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱氧、加氢饱和、加氢裂化等。反应釜在气、液、固三相的沸腾状态下操作，催化剂在从反应釜底部进入的原料油和氢气的带动下，处于沸腾状态，与固定床反应釜处于完全不同的流体状态。沸腾床加氢反应可以处理高金属、高沥青质含量的劣质原料油，反应具有压力降小、温度均匀、可以在线加排催化剂以保持催化剂活性等特点。
沸腾床加氢反应釜一般要设置催化剂在线加排系统，用于催化剂的加入和排出。但催化剂在线加排系统并不是连续使用，一般是反应性能达不到要求时进行催化剂更新，根据原料性质及转化深度要求，一般一周或更长时间进行催化剂更新一次。催化剂外排系统的管路中容易出现结焦现象，严重时会造成管线堵塞。目前，现有技术没有适宜的解决方法，一般根据装置实际情况，积累操作经验，不管反应性能是否下降，控制在管路堵塞前即进行催化剂更新操作，避免堵塞引起装置故障；导致有时不需进行催化剂更新时，也须进行更新操作，造成催化剂浪费，增加操作成本。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种沸腾床加氢反应系统及沸腾床加氢方法，有效解决了催化剂外排系统的部分管路结焦问题，不必为避免管路结焦提前更新催化剂，在保持反应效果的前提下，节约了催化剂，简化了操作。
本发明所述的沸腾床加氢反应系统，包括反应釜，反应釜上部设有三相分离器，三相分离器的液相区设有液相导出管，液相导出管贯穿反应釜设有液体出口；三相分离器上方设有气相空间，反应釜顶部设有催化剂加入口和气体出口，催化剂加入口和气体出口位于气相空间上方；反应釜底部设有催化剂外排系统，催化剂外排系统包括贯穿反应釜底部的催化剂外排管路，催化剂外排管路上端开口设于气液分配盘上方；催化剂外排管路下端开口并联连通外排催化剂接收和处理系统和循环油泵出口，循环油泵出口支路设有控制阀；循环油泵入口通过管路连通液体出口。
目前，反应过程中，催化剂外排系统的管路经常出现结焦现象。经过研究发现，在这种工况下，催化剂外排系统的管路中会沉积一定量的油和催化剂，而没有氢气存在，并且部分管路处于高温，特别是反应釜内部的部分，因此这部分管路内的物料容易结焦，严重时会造成管线堵塞。
工作过程或工作原理：
反应过程中，通过控制控制阀的开关，连续或间歇地将循环油适量的通过催化剂外排管通入反应釜内，保持催化剂外排管路通畅，避免催化剂外排系统的管线有结焦的问题。
进一步优选地，反应釜底部设有物料入口，物料入口分别通过管路连通反应釜进料系统和循环油泵。
进一步优选地，三相分离器包括两端开口的内筒和两端开口的外筒，内筒套装到外筒内，外筒上端开口低于内筒上端开口，外筒下端开口低于内筒下端开口；外筒包括上下顺次连接的直筒段和锥台形收缩段。
进一步优选地，三相分离器外筒下端开口下部设有导流体，导流体设为纺锤形导流体。
进一步优选地，收缩段的收缩角为20°～80°。
进一步优选地，内筒上端开口与外筒上端开口之间的高度差为外筒开口直径的5％～40％。
进一步优选地，气相空间高度为反应釜高度的0～20％。
进一步优选地，气相空间高度为反应釜高度的5％～10％。
本发明所述的采用沸腾床加氢反应系统的沸腾床加氢方法，包括以下步骤：
(1)原料准备：反应原料为重质或劣质原料；催化剂为固体颗粒，催化剂以氧化铝为载体，以Mo、W、Ni、Co中至少一种为活性组分；催化剂在反应釜内装量为反应釜容积的50％～85％；
(2)反应过程中，通入催化剂外排管路中循环油，保持催化剂外排管路畅通：通过控制阀，连续或间歇地将循环油通过催化剂外排管路通入反应釜中。
进一步优选地，通过催化剂外排管路通入反应釜的循环油量为总循环油量的20％以下，催化剂外排管路中物料流速不低于0.05米/秒。
目前存在两种主要类型的沸腾加氢技术，一类是采用油相循环的方式，如USRe25,770中描述的沸腾床工艺，此工艺在实际应用中的不足在于：为保持液固分离效果，反应釜内催化剂用量不能太多，反应釜利用率低，工业沸腾床反应釜利用率一般只有40％左右，利用率一般指催化剂装填量占反应釜容积的百分数，不计封头空间，固定床反应釜利用率一般90％以上；反应釜有较大空间是液体物料在没有催化条件下的停留时间过长，此部位没有加氢反应，物料在高温下容易反应结焦。另一类是在反应釜内设置三相分离器，在反应釜内上部进行气-液-固分离，如CN02109404.7介绍的沸腾床反应釜，按该方案通过设置内置三相分离器，可以提高催化剂的用量，即提高反应釜的利用空间，但在实际使用时，催化剂用量提高有限，如果催化剂用量增加，三相分离器的分离效果快速下降，实际上比第一类沸腾床反应釜利用率提高有限；CN200710012680.9对上述技术进行了进一步改进，在三相分离器下部设置导向结构，利用导向结构，增加三相分离器的操作弹性，确保三相分离器的高效分离，减少催化剂的带出量，提高催化剂藏量，提高反应釜利用率，但在使用时，仍需在三相分离器下部一定区域设置催化剂稀相区，如其附图所示，该区域催化剂量很少，基本不发生加氢反应，否则三相分离器的分离效果仍不能满足要求，而稀相区的存在，影响反应釜利用率的进一步提升，虽然其说明书中指出反应釜内的催化剂装量可以为反应釜容积的40％～70％，但一般也只有在50％左右的情况下可以稳定运转，也影响加氢反应效果，并且反应釜规模放大后，催化剂装量更难以提高，难以达到实验装置的效果。后者虽然理论上不需循环油，但在开工、停工、操作异常时会造成催化剂难以达到稳定的沸腾状态，操作稳定性不足。因此，如何提高沸腾床加氢反应釜的利用效率，提高反应效果，提高装置的稳定性，是本领域需要解决的技术问题。
经过大量深入研究表明，影响沸腾床反器内三相分离器分离效果的因素不仅在于三相分离器的结构、物料体系状态，还与地球自转有很大关系。沸腾床反应釜内气、液、固三相状态，气、液相整体处于向上流动状态，固体催化剂处于沸腾浮动状态。地球自转对上述物料状态具有一定的作用力，形成轻度的旋流作用，在工业较大反应釜中，由于规模较大，这种旋流作用更为显现。其结果是催化剂在靠近反应釜内壁的区域更为聚集，反应釜径向中心区域更为稀疏。这种效应对现有三相分离器的分离效果产生了明显影响，即当催化剂装填量增加时，三相分离器分离出来的固体催化剂沉降回反应釜中的阻力增加，被液体物料带出反应釜的机会提高，使反应釜带出催化剂量增大。为解决该问题，一般是在三相分离器下部设置催化剂的稀相区，以克服催化剂沉降回流的阻力，但该措施的结果是反应釜利用率降低，反应效果受到影响。在本发明之前，本领域技术人员并没有认识到影响沸腾床反应釜中三相分离器分离效果影响因素的全部内容，进而没有提出适宜的解决方案。
与现有技术相比，本发明所述的沸腾床加氢反应系统及沸腾床加氢方法的有益效果是：
(1)本发明通过设置连通液体出口和催化剂外排管的循环油泵，在反应过程中，向催化剂外排管中适量通入循环油，避免了催化剂外排系统的管路结焦问题，解决了催化剂过量添加导致浪费催化剂的问题，减少了操作，节约了成本；
(2)通过设置内筒和外筒套装的三相分离器，以及导流体，将三相分离器分离下来的固体催化剂在反应釜径向中心区域沉降回流到反应釜内，解决了高催化剂装填量时，催化剂沉降回流的阻力大问题，保证了三相分离器在高催化剂装填量时仍具有良好的分离效果。
(3)通过设置三相分离器，实现了催化剂直接回流到了反应釜内径向中心区域，减少了催化剂带出量，克服了因地球自转引起的催化剂分布不均匀造成的影响反应效果的问题，催化剂分布趋向均匀，反应效果更好；
(4)可以进一步提高催化剂装填量比例，特别是大规模工业沸腾床反应器的催化剂装填比例。在提高反应器容积利用率的同时，减少或取消了催化剂稀相区，提升了加氢反应效果。
附图说明
图1是本发明的一实施例的结构示意图。
图中：101、物料入口 102、气液分配盘 103、反应釜 104、导流体 105、外筒 106、内筒 107、催化剂加入口 108、气体出口 109、液体出口 110、反应区域 111、催化剂外排管路 112、反应釜进料系统 113、反应液体流出物分离系统 114、循环油泵 115、控制阀 116、外排催化剂接收和处理系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述的沸腾床加氢反应系统，包括反应釜103，反应釜103上部设有三相分离器，三相分离器的液相区设有液相导出管，液相导出管贯穿反应釜103设有液体出口109；三相分离器上方设有气相空间，反应釜103顶部设有催化剂加入口107和气体出口108，催化剂加入口107和气体出口108位于气相空间上方；反应釜103底部设有催化剂外排系统，催化剂外排系统包括贯穿反应釜103底部的催化剂外排管路111，催化剂外排管路111上端开口设于气液分配盘102上方；催化剂外排管路111下端开口并联连通外排催化剂接收和处理系统116和循环油泵114出口，循环油泵114出口支路设有控制阀115；循环油泵114入口通过管路连通液体出口109。液体出口109连通反应液体流出物分离系统113，反应液体流出物分离系统113分离后即得产品。
反应釜103底部设有物料入口101，物料入口101分别通过管路连通反应釜进料系统112和循环油泵114。
三相分离器包括两端开口的内筒106和两端开口的外筒105，内筒106套装到外筒105内，外筒105上端开口低于内筒106上端开口，外筒105下端开口低于内筒106下端开口；外筒105包括上下顺次连接的直筒段和锥台形收缩段。优选地，收缩段底部设有直筒段。
反应釜内的三相分离器的外筒的直筒段的直径一般为对应位置反应釜内径的50％～90％，优选为75％～85％。内筒与外筒之间的环隙距离一般为外筒相应位置半径的30％～70％，优选为40％～60％。内筒的下端开口与外筒收缩段之间的间隙一般为外筒直筒段半径的5％～40％，优选为10％～30％。外筒收缩段下端开口直径一般为外筒直筒段直径的10％～50％，优选为15％～35％。收缩段的收缩角为20°～80°。优选地，收缩角为30°～60°。
内筒106上端开口与外筒105上端开口之间的高度差为外筒105开口直径的10％～50％。优选地，内筒106上端开口与外筒105上端开口之间的高度差为外筒105开口直径的20％～40％。外筒上部直筒段的高度一般为0.4～3m，优选0.5～1m。
三相分离器外筒105下端开口下部设有导流体104，导流体104设为纺锤形导流体。导流体104可以是上下两端小、中间大的纺锤形，纺锤形轴向横截面最大处直径一般为外筒105下端开口直径的1～3倍。导流体104与三相分离器外筒下端口之间设置适宜间隙。
气相空间高度为反应釜103高度的0～20％。
优选地，气相空间高度为反应釜103高度的5％～10％。
反应釜可以根据需要设置常规的温度检测系统、压力检测系统、流体流态检测系统、催化剂分布状态检测系统、物料再分配系统中的一种或几种。
本发明所述的沸腾床加氢反应系统还可以根据需要设置常规的配套装置，配套装置可以包括原料泵、换热器、加热炉、分离器、氢气输送系统、反应产物分离系统。
发明本发明所述的采用沸腾床加氢反应系统的沸腾床加氢方法，包括以下步骤：
1、原料准备：反应原料为重质或劣质原料；如减压渣油、煤焦油、煤液化油、沥青油砂、页岩油等。
催化剂为固体颗粒，颗粒直径，以等体积球形计，一般为0.6～2mm，催化剂以氧化铝为载体，以Mo、W、Ni、Co中至少一种为活性组分；催化剂在反应釜103内装量为反应釜103容积的50％～85％；同时可以添加相关助剂。催化剂在反应釜内装量以静止状态计为反应釜容积的50％～85％，优选为65％～80％，最优选为72％～78％。反应条件可以根据原料性质和反应深度要求确定，一般反应压力为5～25MPa、反应温度为200～500℃，氢气与原料油标准状态下体积比为300～2000，原料油与催化剂体积静止状态相比的体积空速为0.1～2h-1。
2、反应过程中，通入催化剂外排管路111中循环油，保持催化剂外排管路111畅通：通过控制阀115，连续或间歇地将适量循环油通过催化剂外排管路111通入反应釜103中。
催化剂通过催化剂加入口107加入反应釜103，反应原料和氢气由反应釜进料系统112从物料入口101送入反应釜，反应后气相从气体出口108排出，液相从液体出口109排出。
通过催化剂外排管路111通入反应釜103的循环油量为总循环油量的20％以下，优选为10％以下，进一步优选为5％以下，催化剂外排管路111中物料流速不低于0.05米/秒。经试验，可以保持催化剂外排管路111长周期保持通畅状态。
如图1所示，本发明所述的沸腾床加氢反应系统，三相分离器分离效果采用冷模进行模拟实验。冷模装置的尺寸为：反应釜内径200mm，反应釜壳体的高度3500mm，三相分离器高度400mm，三相分离器的外筒上部直筒段的直径300mm，内筒与外筒之间的环隙距离为80mm，内筒上端与外筒上端的高度差为60mm，内筒的下端开口与外筒收缩段之间的间隙为60mm，外筒收缩段下端开口直径为90mm，外筒下部锥台形收缩段的收缩角，即直筒段与锥台形收缩段的锐角夹角，为35°。导流体纺锤形轴向横截面最大处直径为150mm。以煤油作为液体，进油量为60～120L/hr；气相选用氮气，进气量为2～4Nm3/hr。固相选用粒径为0.7～0.8mm的氧化铝微球催化剂，催化剂藏量，以静止时计，为反应釜有效容积的55％～80％，不计封头空间。试验结果见表1。
表1冷模装置试验结果
从冷模试验可以看出，本发明沸腾床反应器具有良好的固体分离效果，适用的操作区间较广。
本发明中对结构的方向以及相对位置关系的描述，如前后左右上下的描述，不构成对本发明的限制，仅为描述方便。