随着原油和成品油价格快速上涨、轻质油需求量不断增加和环保法规日益严格，渣油加氢转化技术越来越受到人们的关注。渣油加氢处理技术因液体产品收率高、产品质量好、对环境友好而得到了前所未有的发展。1999年6月我国首套具有自主知识产权的固定床渣油加氢处理装置(S-RHT装置)在中国石化茂名分公司建成，自投产以来已成为该公司加工含硫原油的核心装置。但一、二生产周期运行结果存在着生产周期短、与下游催化裂化(FCC)装置检修周期不匹配的问题，因此采取何种技术措施延长操作周期以缩短与FCC生产周期的差距是该装置急待解决的关键问题。 本文首先从催化原理和反应工程的角度对渣油的特点、渣油中硫/氮/金属/残炭等杂质化合物的类型和分布、渣油加氢处理过程中发生的化学反应、渣油加氢处理催化剂的特点及失活原因、特别是影响装置长周期运转的各种原因进行了详述和分析，明确了要从根本上解决渣油加氢处理生产周期短的问题应采取的技术措施。 为了具体分析制约茂名S-RHT装置生产周期的原因，对该装置第一、二生产周期的失活催化剂进行了堆密度、孔结构、积炭量和金属沉积量等的对比分析，同时分析了第一、二周期的中期/8000小时/10000小时催化剂活性标定数据，结果表明制约该装置长周期运转的关键在于第一、二反应器的保护剂和脱金属催化剂失活速度过快，造成装置脱金属率下降和一反床层压降升高，导致装置停工，并通过分析提出了在一反前增加上流式微膨胀床反应器以延长S-RHT装置操作周期的设想。 为了论证在茂名S-RHT装置增用上流式微膨胀床反应器的可行性，本文通过冷模实验装置，采用模拟油和模拟气体在常温常压下近似模拟了微膨胀床反应器内的气液流动状态和催化剂膨胀情况，考察了催化剂粒径和堆密度、虚拟气速、虚拟液体流速以及催化剂装填高度等因素对催化剂床层膨胀率的影响，分析了床层膨胀率与床层压降升高速率之间的关系。冷模实验结果表明：不同粒径、堆密度催化剂的床层膨胀率有很大不同，大粒径、低堆密度的催化剂易膨胀；虚拟气速与床层膨胀率关系曲线上存在拐点ugc；ugc随催化剂装填高度增加而增大；相对气速而言，虚拟液体流速对催化剂床层膨胀率影响较小；在工业正常操作条件下，微膨胀床渣油加氢处理反应器的催化剂床层膨胀率小于10％；催化剂装填量较大时，需要采用较高的气油比才能保证催化剂床层处于微膨胀状态。 冷模实验结果为微膨胀床反应器催化剂的选择和操作参数的确定提供了依据。鉴于微膨胀床反应器的催化剂及气液流动状态与固定床存在的明显区别，会对预硫化过程中的H2S扩散速度产生影响，进而影响预硫化反应速度，为此，本文对微膨胀床催化剂预硫化进行了研究。实验结果表明：采用本文提出的预硫化方案，催化剂的上硫率可达到82.7％，并且具有较高的催化活性，在反应压力16.0MPa、空速(v)0.22h-1、气油比(v)761：1、反应温度384℃时脱金属率高达89.1％(m)，脱硫率89.9％(m)、脱氮率47.1％(m)、脱残炭率67.4％(m)；为微膨胀床催化剂建立了一个切实可行且上硫率较高的预硫化方法。 在冷模实验确定的操作参数基础上，应用建立的催化剂预硫化方案，在微膨胀床/固定床组合工艺中型实验装置上考察了反应温度、空速、氢油比和稀释油比例等反应参数对脱金属率、脱硫率、脱氮率和脱残炭率的影响，为装置设计和操作条件的优化提供了基础数据。 为了深入研究渣油加氢处理反应机理、优化催化剂级配装填方案和操作条件，本文又以中东高硫减压渣油为原料，在中型微膨胀床/固定床实验装置上考察了各反应器生成油在不同反应温度下的族组成变化，实验结果表明：从一反到四反，全馏分生成油的沥青质、胶质和芳香分含量逐渐降低，饱和分含量逐渐增加；一反的沥青质转化率最高而胶质转化率较低；高温下再提高反应温度不利于降低一反生成油沥青质含量和各反应器生成油胶质含量；实验条件范围内生成油中仍然含有大量的芳香分；四反的芳香分转化率较高，进一步为优化操作条件提供了理论依据。 最后，为了考察微膨胀床/固定床组合工艺的原料油适应性，以为低硫稠油最大限度转化为清洁轻质油品和FCC原料探索一条切实可行的技术路线，本文依据催化和反应工程理论，提出了将低硫/高氮/高残炭/高金属含量的辽河常压渣油与高硫中东减压渣油按一定配比混合处理的方案，并在中型实验装置上对该方案的可行性进行了验证。实验结果表明：在上述实验确定的反应条件下，掺炼辽河渣油高达40％时生成油的杂质含量仍能符合FCC的进料要求，且总液体收率高达96.97％，比延迟焦化工艺60％左右的液收高出近40％，具有明显的经济效益。 通过对茂名S-RHT装置第一、二周期失活催化剂的分析及对微膨胀床反应器的一系列基础研究结果表明，增用微膨胀床反应器对于减缓脱金属催化剂的快速失活和床层压降升高是有利的。而且从微膨胀床/固定床组合工艺中试装置实验可见，该工艺与固定床相比，操作并不过于复杂、投资并无明显增加，是一个可以有效延长渣油加氢处理操作周期的切实可行的工艺。本论文的研究工作及所取得的一系列创新性成果对于开发我国自主知识产权的微膨胀床/固定床渣油加氢处理组合工艺具有重要理论意义和应用价值。