CN1349554A - 加氢处理重质原料用带层状催化剂床层的上流式反应器系统 - Google Patents

Abstract

用至少有两个不同加氢活性的催化剂层的上流式固定床反应器加氢处理金属、硫和含碳残质污染的重质原料的反应器系统和方法。

Description

加氢处理重质原料用带层状催化剂床 层的上流式反应器系统

技术领域

本发明涉及一种用于重质原料特别是渣油加氢处理以减小污染物特别是金属、含碳残质和硫数量的反应器系统和方法。上流式固定床反应器有层状的催化剂床层，其中在不同层中的催化剂有不同的加氢活性，用来选择性脱除通过整个催化剂床层的污染物，以防止堵塞和提高催化剂的寿命。

背景技术

加氢处理是一种在其他加工过程以前用来脱除污染物和改质重质原料的大家熟悉的方法。用于本发明的术语“加氢处理”表示一种在超常压和升温下在氢气和催化剂存在下从重质原料中脱除污染物特别是金属、含碳残质、氮和硫的方法。正如这里使用的，术语“重质原料”指由拔头原油、石油渣油、油砂、沥青、页岩油、液化煤或再生油得到的高沥青质含量的烃类。重质原料通常含有各种污染物，例如含碳残质、硫和金属，已知它们使用于重质原料改质成更有价值的产品例如运输燃料和润滑油的催化剂失活。加氢处理操作通常也从重质原料中与硫一起脱除氮。在销售以前为了减少空气污染，甚至生产较低价值的产品例如燃料油通常也需要重质原料进行某种改质，以便脱除污染物特别是硫。

加氢处理反应器的各种设计已在处理重质原料的文献中描述。各种商业设计可采用催化剂移动床(例如U.S.5076908中公开的)或沸腾催化剂床(例如U.S.4571326和4744887中公开的)。下流式固定床加氢处理反应器是商业上最广泛使用的。它们与移动床反应器的区分在于，在操作过程中，新鲜催化剂不能加到床层中，而床层中的废催化剂不能除去。在移动床反应器中，原料和氢气流优选向上流动。催化剂向下移动，并作为废催化剂从床层的底部除去，而新鲜催化剂在床层的顶部加入。在沸腾床中，原料和氢气的向上流动足以使催化剂悬浮，并造成催化剂颗粒的随意移动。在操作过程中，沸腾床的体积会膨胀，与没有氢气和原料流通过床层时催化剂在反应器中的体积相比，通常膨胀至少20％。相反，在操作过程中，在上流式固定床(例如在本发明中公开的)有很少的膨胀或没有膨胀。事实上，在操作过程中，由于催化剂颗粒的沉降，催化剂床层的体积实际上可能稍有减小。应当理解，因为反应器壁为刚性的，催化剂床的膨胀仅沿床层的竖轴发生。因此，当在本发明中涉及床层膨胀时，反应器中床层高度或床层厚度的增加是床层膨胀的一个适合的量度，并直接与体积有关。

通常，在氢气存在下在升压和升温下，通过重质原料与催化剂接触来脱除污染物。通常，催化剂为一种活性催化剂，也就是有加氢活性的催化剂。在加氢处理条件下，污染金属例如镍和钒通常很容易被脱除，它们涂覆在催化剂的表面上和孔中。金属在催化剂上的沉积使加氢活性迅速丧失。但是，加氢活性对于从原料中脱除其他污染物例如含碳残质、氮和硫是必要的。

用来从重质原料中脱除金属、含碳残质和硫的催化剂通常称为加氢处理催化剂，通常由多孔的难熔载体(通常为氧化铝、氧化硅或氧化硅/氧化铝)组成，这些载体可用金属例如周期表第VIB族金属(特别是钼和钨)和第VIII族金属(特别是钴和镍)浸渍，以提高它们的活性。本发明主要关心的是有脱金属、脱硫、脱氮和脱含碳残质活性的那些加氢处理催化剂。

已知加氢处理催化剂的孔结构影响催化剂的脱硫、脱氮和脱含碳残质的活性，以及影响金属污染物如何迅速使催化剂失活。通常，对于脱除金属污染物来说，优选有相对大孔的催化剂。例如，U.S.5215955指出，有大孔的催化剂(也就是孔径为1000埃或更大)适用于从重质原料中脱除污染金属。但是，对于脱除硫、氮和含碳残质来说，较小的孔径是有好处的，例如U.S.5177074中公开的催化剂，其中至少70％的孔体积由直径为70-130埃的孔构成。遗憾的是，有较小孔径的催化剂通常比有较大孔径的催化剂更迅速被金属在孔结构中的沉积失活。因此，在选择从重质原料中脱除污染物的适合催化剂中，必需均衡催化剂寿命与保持足够的脱除污染物特别是含碳残质和硫的活性。

为了获得脱金属的较低活性催化剂和脱硫和含碳残质的较高活性催化剂，提出在固定床反应器中使用双催化剂系统或多催化剂系统。在U.S.4990243和5071805中提出层状的催化剂床，其中在催化剂床层中排列不连续的催化剂层，以便最大限度利用构成床层的每种催化剂的不同特性。在层状的催化剂床中，脱金属催化剂通常构成固定床的上层，而下层的催化剂不断提高加氢活性和脱硫活性。重质原料进入反应器的顶部，首先与脱金属催化剂接触，在那里脱除金属污染物。脱除大部分金属污染物的重质原料向下通过固定床，以便与加氢和脱硫催化剂接触，在那里脱除硫和含碳残质污染物。由于在原料中有较低的金属数值，因为原料中存在很少的使催化剂失活的金属，加氢和脱硫催化剂有长的使用寿命。但是，下流式层状催化剂系统的缺点是压降高，它是通过固定床特有的。这一问题随时间会进一步加重，因为金属涂覆在床层上层的催化剂上使压降不断增加，最后使反应器堵塞。

U.S.5439860中提出在固定床反应器床中不同活性的催化剂的物理混合物。这可能有在整个床层长度更均匀分布金属污染物的优点，以便减少堵塞，但是它不能完全解决加氢催化剂被金属污染物失活的问题。随着金属涂覆在催化剂混合物上，在固定床上部中存在的催化剂大部分所希望的加氢活性和脱硫活性被丧失。

使用主要装有脱金属催化剂的独立保护反应器随后是装有脱硫催化剂的加氢处理反应器是解决金属脱除问题的一种已知方法。例如参见U.S.5779992。随着金属污染物在保护反应器中积累并使压降提高，这一方法可使保护反应器中的相对廉价的脱金属催化剂可定期更换。使加氢处理反应器中的更活泼和更昂贵的加氢催化剂免受金属污染物影响，使寿命更长。但是，这样的系统需要高得多的初期投资，因为需要至少两个反应器，而不是一个反应器。此外，为了防止在保护反应器的催化剂更换过程中脱硫反应器停工，在流程中必包括一个切换保护反应器，其结果甚至更大预基建投资。

U.S.5076908中提出上流式反应器的向下移动的填装催化剂床的应用。这一系统的优点是可连续将新鲜催化剂加到移动床层的顶部，同时将废催化剂从反应器的底部取出。此外，因为原料从反应器的底部进入床层，与其他的系统相比，通过催化剂床层时有很低的压降，以及与堵塞相关的问题实际上可消除。这一系统的主要缺点是反应器以及加入和取出催化剂所需的相关设备的相对高的投资。

虽然固定床上流式反应器在文献中已出现(参见U.S.5522983)，但是加氢处理操作用的上流式固定床反应器的应用在商业上还没有实践，因为设计和操作这样的系统还有困难。在加氢处理操作中，最接近上流式固定床反应器的实际经验是使用上述移动床反应器得到的，当反应器中的催化剂间歇取出，而不是连续取出时。在这种情况下，该反应器在一定时期操作，就好象它是一上流式固定床反应器。但是，对于这类操作来说，移动床反应器的设计不是最佳的，不能得到固定床系统的全部优点。此外，对于使用层状的催化剂床系统来说，不能很好地设计移动床反应器，因为加入新鲜催化剂和取出废催化剂会使不同催化剂层的完整性丧失。除非给反应器增加几个加入口，以便从每一催化剂层加入和取出催化剂。因为在反应器中的高压口的投资很高，所以使这样的系统的总投资大大提高。此外，与其他流程相比，这样的系统的操作是复杂的和令人生厌的。

本发明把上述每种系统的最有利的特性结合起来，同时使设备的预基建投资减到最小。本发明对改造现有反应器或在压降不变下增加反应器体积是特别有好处。

发明内容

在最宽的方面，本发明涉及一种处理含有由至少一种金属和硫和含碳残质组成的污染物的重质原料的反应器系统，以生产比重质原料有较低数量所述的污染物的产品，所述的反应器系统包含(a)有顶部和底部以及至少一下部水平催化剂层和一上部水平催化剂层的竖直固定催化剂床，其中下部水平催化剂层中的催化剂的特点是比上部水平催化剂床中的催化剂有较低的加氢活性；(b)在每一催化剂层的底部有用来控制和均匀分布通过催化剂层的流体流的流体分布设备；以及(c)将含有重质原料和氢气的流体送入固定床的底部以及从固定床的顶部取出产品的设备，从而将流体送入固定催化剂床的底部并通常向上流过固定床，在足够低的流速下依次首先与下部水平催化剂层中的催化剂接触，然后与上部水平催化剂层中催化剂接触，以致固定床的平均膨胀率不超过5％。

广义地说，本发明还涉及这样一种降低重质原料中金属、含碳残质和硫污染物的方法，该法包括以下步骤：(a)在氢气存下，重质原料通常向上通过有至少一下部水平催化剂层和一上部水平催化剂层的竖直固定床的单一反应器，其中下部水平催化剂层中催化剂的特点是比上部水平催化剂层中的催化剂有较低的加氢活性，(b)重质原料和氢气流当它们向上通过时均匀分布通过每个催化剂层，(c)使重质原料和氢气维持足够低的流速，以致固定床的平均膨胀率不超过5％，(d)在加氢处理条件下重质原料与下部水平催化剂层中的催化剂依次接触，以脱除存在的大部分金属，随后重质原料与上部水平催化剂层中的催化剂接触，以便脱除另外的金属和至少一部分硫和含碳残质，以及(e)回收含有比重质原料少金属和含碳残质和硫的重质原料产品。优选的是，在这一方法中，至少50％的金属从重质原料中脱除。

本发明特别用于加氢处理渣油，特别是含金属的渣油。对于本发明来说，渣油指有高含量沥青质的从常压蒸镏装置或减压蒸镏装置的底部收集的重质原料。常压渣油的沸程为约345℃(650°F)以上。减压渣油的程为约540℃(1000°F)以上，通常比常压渣油有更高的粘度。减压渣油可能需要外加的处理，以便降低原料的粘度。这一点可通过增加稀释油来实现，即常常从分镏塔回收较低粘度的物质，作为稀释油，也可能希望在下催化剂层中进行一定程度减粘，以便使原料的粘度下降。

正如已指出的，渣油通常被各种金属以及含碳残质和硫污染，它们优选在进一步加工以前被脱除。除了脱除重质原料中存在的金属、含碳残质和硫以外，本发明的方法和反应器系统还脱除氮。本发明特别适用于从原料中脱除金属污染物；当用于从渣油中脱除金属时，本发明是最有利的。在渣油原料中出现的典型金属污染物包括但不一定限于铁、钒、镍、钙。金属可作为很简单的金属化合物存在，例如氧化物、金属卤化物，或作为更复杂的分子存在，例如有机金属化合物。在本发明反应器中存在的条件下，污染金属通常很容易从原料中脱除。对于脱金属来说，通常优选有低加氢活性和相对大孔径的催化剂。

在本发明中，催化剂的加氢活性指在氢气存在下催化剂从原料中的烃类分子中脱除含碳残质和杂原子特别是硫和氮的能力。因此，低加氢活性指与更容易脱除含碳残质、硫和氮的较高加氢活性的催化剂相比，有相对小的脱除含碳残质、硫或氮的能力的催化剂。

含碳残质、氮和硫通常也作为污染物在渣油中存在。虽然这些污染物可能作为相对简单的分子存在，但是它们通常比通过化学键金属更牢固地保持在烃类分子中。所以，脱除含碳残质、硫和氮所需的比脱除金属所需通常是稍微更活性的加氢催化剂。适用于脱除含碳钱质、氮和硫的催化剂通常也很容易脱除金属，但是随着金属涂覆在催化剂表面上和填充在孔中，催化剂变得很容易失活。

U.S.5472928中公开的催化剂的特点是窄的粒度分布，该专利的全部公开内容在这里作为参考并入。该专利的催化剂特别适用于本发明的实施，并可在反应器的上部催化剂层和下部催化剂层使用。特别优选有良好抗碎强度的球形催化剂，即抗碎强度不小于5磅。抗碎强度对于控制催化剂颗粒的破碎是重要的。

本发明一个重要的方面是反应器的上流式固定床设计。它与过去用于重质原料加氢处理的典型下流式固定床设计不同。由于流体在反应器中向上流动，上流式固定床与下流式固定床的区别在于，上流式设计有更低的压降和更大的抗压降增加能力。此外，因为本发明使用固定床，也就是在那里催化剂颗粒有相对很小的移动，所以本设计很容易与沸腾床设计区分。正如已指出的，向上通过催化剂床的流体流动是足够低的，与没有流体通过床层时的床层体积相比，催化剂的膨胀减到最小。催化剂的膨胀率应不超过5％，优选不超过2％。理想上床层膨率为0％或者甚至为负的百分数，也就是在操作过程中催化剂的体积减小。本发明的第二个重要特点是催化剂分层，以便最大限度利用构成每一层的催化剂的特性。沸腾床设计和移动床设计不能利用层状的催化剂系统，因为催化剂颗粒的移动会破坏单个层的完整性。本发明与移动床设的不同还在于，它不需要用于加入和取出催化剂的高压设备。这就使预投资大大下降。固定床还更容易控制和操作。

本发明的另一要求是位于每一催化剂层底部的流体分布设备。该流体分布设备可采用许多种形式，例如筛、栅、孔板等。流体分布设备有两个主要功能。使向上通过反应器的流体均匀通过催化剂层的水平面。还用来确保大气泡破碎和流体的最佳混合。优选的是，还用于支承催化剂层和防止催化剂颗粒在两相邻的催化剂层之间的界面处混合等次要功能。

本发明打算用于其他加氢处理操作，当在一个或多个主要用于脱除硫和含碳残质的传统加氢处理装置以前使用时，它是特别有价值的。

附图说明

图1为实施本发明有三个催化剂层的反应器的截面图。

图2为本发明反应器的部分透视截面图，表示构成流体分布设备的一个实施方案的流体分布板组件和催化剂支承筛板。

图3为与传统的加氢处理装置有连系的本发明加氢处理减压渣油的代表性工艺流程图。

具体实施方式

参考这些附图很容易理解本发明。

图1为本发明一实施方案的截面图。加氢处理反应器1有送入重质原料和氢气混合物的入口管3和与任何过量的氢气和急冷气体或液体一起取出经处理的产物流的出口管5。如在这一特定的实施方案中所示，催化剂床4分成分别用a、b和c标记的3个不连续的催化剂层；但是，熟悉本专业的技术人员会理解，催化剂层的数目可少到2个或多到实施本发明目的实际所需的个数。在附图中，每一不连续的催化剂层的顶部分别标记为6a、6b和6c。每一催化剂层置于催化剂支承和流体分布设备上，对于3个催化剂床，它们分别表示为7a、7b和7c。在这一实施方案中，催化剂支承和流体分布设备具体用于(a)均匀地再分布向上通过催化剂层的流体流，使流体和催化剂颗粒之间接触的机会最大，以及(b)支承催化剂层和防止相邻催化剂层之间的催化剂颗粒混合。在这一实施方案中，下面将结合图2的描述更全面地讨论催化剂支承和流体分布设备的设计。折流锥体9在反应器底部的入口管3的开口11和下部催化剂支承和流体分布设备7c之间，以帮助通过下部催化剂支承和流体分布设备底部的由原料和氢气的混合物组成进入流体的分布。上部急冷喷头13和下部急冷喷头15分别直接处于两个下部催化剂层6b和6c的顶部上方以及催化剂支承和流体分布设备即7a和7b下方。急冷喷头通过急冷管线17和19将急冷流体送入反应器，以便控制床层中的温度。这一特定实施方案的设计能在最有利的位置急冷，以确保急冷流体在直接处于上方的催化剂层中最佳分布。因为绝大多数加氢处理反应都放出热量，这一设计使得有效控制每一层中的温度成为可能，有助于消除造成焦炭生成的热点。

现参考附图2，它更详细地说明一种催化剂支承和流体分布设备。催化剂支承和流体分布设备被反应器壁101水平支承在反应器中。该设备实际上包含两个部件，上部催化剂支承栅103，它紧密地与下部气体分布板105相连。催化剂支承栅实际上可放在流体分布上，但是，在这一实施方案中，在两个部件之间有一狭窄空间106。在这一实施方案中，催化剂支承栅表示为筛板，但是，熟悉本专业的技术人员会理解，其他设计的栅也是可操作的。催化剂支承栅的一个重要考虑因素是栅中的开口应足够小，以便防止催化剂颗粒通过，但又要足够大和足够多，以便不阻碍向上的流体流。流体分布板105钻有许多小孔107，在其下侧与相应于许多小管或上升管109的管腔连接，后者在其下端110上有折流器108，以便防止大气泡直接进入上升管的管腔，确保流体的最佳分布。每一上升管在其侧壁上有至少一个开口112。蒸汽通过开口112进入上升管的管腔和折流器周围和通过上升管底部的开口的液体向上通过在流体分布板中的穿孔107进入空间106，并向上通过催化剂支承栅103进入直接相邻的催化剂层。在本发明的一个实施方案中，特别硬的或耐碎的催化剂或其他材料的保护层可放置在催化剂支承栅和上述层中的催化剂之间。在另一实施方案中，第二个栅板可直接放在流体分布器下方，以便防止催化剂颗粒向上进入上升管并堵塞上升管。

在操作过程中，反应器中的催化剂床维持在加氢处理条件下。通常，加氢处理反应在约100℃(212°F)至约650℃(1200°F)的温度范围内(优选约315℃(600°F)至约480℃(900°F))和约300至4500psig(优选约1000至3500psig)的压力范围内进行。在实施传统的加氢处理法中，通常有约3000至约5000标平方尺(scf)/桶原料的氢气在反应段中存在。在实施本发明中，虽然可在这些较高的氢气数量下操作，但已发现，本发明可用低得多数量的氢气来实施。例如，本发明的方法可用低于2500scf/桶的氢气数量来实施，已发现低至1800scf/桶是适用的。

因为在催化剂床层中进行的许多反应是放热的，所以希望将急冷流体送入反应器中以控制温度，以便防止结焦，后者可损害催化剂和降低目的产品的产率。正如上面指出的，本发明有可能在最佳位置将急冷管线放到催化剂床层中，也就是直接在流体分布设备下方，以确保急冷流体在每一催化剂层中均匀分布，防止热点出现。急冷流体可为气体例如氢气或液体例如蒸镏工段的循环物料。在这一系统中，液体急冷物是特别优选的，它具有可能更有效控制床层内温度的优点。虽然气体急冷物也可操作，但它更通常被传统的加氢处理系统使用。

在原料加氢处理过程中存在氢气，优选存在这样数量的氢气，以致超过化学计量数量，以便影响催化剂床中进行的所选的氢加反应。通常，将与重质原料混合的氢气送入反应器。但是，氢气也可作为急冷流体，因此可至少部分通过急冷管线加到反应器中，它进入相邻催化剂层之间的催化剂床。但是，正如上面指出的，对于这一特定的系统，氢气作为急冷流体加入通常不是优选的。

可用来构成每一催化剂层的催化剂已在文献中描述，并且在本专业中为大家所熟悉。它们通常由氧化铝、氧化硅、磷或其各种组合物构成的多孔难熔基质组成。在下层中的催化剂应有良好的脱金属活性。催化剂可有加氢活性和脱硫活性，但是通常使用大孔径催化剂是有好处的，以便使金属的脱除最大。对于脱除含碳残质和硫来说，具有这些特性的催化剂不是最佳的。下层催化剂的平均孔径通常为至少60埃；而在许多情况下会相当大。催化剂可含有一种金属或金属组合物，例如镍、钼或钴。适用于下层的催化剂在U.S5071805和5215955中公开。在U.S.5472928中公开的催化剂的特点为，已发现如下表示的用氮吸附法测量的孔径分布(PSD)特别适用于下部催化剂层：

表示的PSD存在的总孔的百分数    以埃为单位的孔

       最小20％                    130-170

在催化剂床的上层中存在的催化剂与下层的催化剂相比应有更大的加氢活性。因此，适用于上层的催化剂通常的特点为，更小的孔径和更大的脱含碳残质、脱氮和脱硫活性。通常，这些催化剂含有金属例如镍、钨和钼，以便提高加氢活性。在U.S.5472928中公开的催化剂的特点为，已发现如下表示的用氮吸附法测量的孔径分布(PSD)特别适用于上部催化剂层：

存在的总孔的百分数表示的PSD    以埃为单位的孔

        最小30％                    95-135

用于实施本发明的催化剂可为各种成型的催化剂，但球形催化剂通常是优选的。此外，在本发明的上流式固定催化剂床中，通常优选致密的不易碎的催化剂，使催化剂颗粒的破碎和颗粒带入反应器回收的产物中的数量减少。

熟悉本专业的技术人员会理解，各催化剂层可能不是由单一的催化剂构成，而可能由不同催化剂的混合物构成，使这一层达到最佳的脱金属或脱含碳残质和脱硫的程度。虽然一些加氢反应在床层的下部出现，但本发明预期含碳残质、氮和硫的脱除主要在上层出现。显然，额外的金属脱除也可发生。每一层选择的具体催化剂或催化剂混合物、床层中层的数目、床层中每一层的比例体积和所选的具体加氢处理条件取决于该装置处理的原料、所希望的回收产品以及各种商业考虑因素，例如催化剂的价格。所有这些参数都在从事石油加工工业的技术人员的技能范围内，在这里不需要进一步详细描述。

为了促进原料向上通过催化剂层流动，可能希望降低进入反应器底部的原料的粘度。当减压渣油被加工时，这一点特别是这样。优选的是，100℃下测量的原料的粘度不大于约400厘沲。为了降低粘度。可使用稀释油，它由分镏塔的循环物流或镏分油组成。通常就减压渣油来说，稀释油可构成进入反应器的原料的20％(体积)。此外，最下层的催化剂和温度可预先选择，也进行减粘操作，以便帮助降低粘度。减粘包含将进料中的某些高粘组分转化成较低粘度的物质的反应。减粘通常包含原料中某些高反应性的分子的有限裂化。

已发现，当本发明与一个或多个传统的加氢处理装置结合使用时，它是特别有利的。例如，在加工减压渣油中，已发现，当与主要用来脱除硫和含碳残质的传统下流式加氢处理装置结合使用时，本发明的上流式固定床反应器在从原料中脱除金属中是特别有效的，得到的产品适合进一步加工成更高质量的产品。图3说明使用本发明处理含有高金属含量和硫的减压渣油原料的加工流程。氮如果在原料中存在的话，也与硫一起被脱除。说明的流程图由本发明单一的固定床上流式反应器203和3个传统的加氢处理反应器205、207和209组成。固定床上流式反应器203与图1中所示的反应器设计基本上相同，如上面详细讨论的。原料管201将减压渣油、减压瓦斯油和氢气的混合物送至上流式固定床反应器203的底部。在原料中的减压瓦斯油为循环物料，它作为稀释油，使减压渣油的粘度下降到可接受的水平。在这一特定的实施方案中，原料中的氢气数量为约1800scf/桶。在上流式反应器203中，3个催化剂层中的催化剂预先选择，以便从原料中脱除至少60％金属。有很低加氢活性的下部催化剂层211用来脱除更容易回收的金属。有减粘活性的催化剂也可在这一下层中存在。第二和第三催化剂层213和215有更大的加氢活性，并经预先选择，以脱除更多的残留金属。某些脱硫和脱含碳残质也在两个上部催化剂层中出现。急冷管线217和219输送来自分镏塔(未示出)的循环液，以便作为液体急冷物。脱除大部分金属的进料在管线221中从上流式反应器的顶部回收。管线221将进料输送到传统加氢处理反应器205的顶部，在那里进一步脱除含碳残质和脱硫。进料按顺序进一步通过传统的加氢处理反应器207和209进行处理。经管线223从反应器209的底部回收经加氢处理的有较低金属、硫、氮和含碳残质的产品。经加氢处理的产品用作其他加氢处理操作例如加氢裂化或FCC操作的原料，以便生产运输燃料和润滑油。

Claims (22)

1.一种用来处理含有至少一种金属和硫和含碳残质组成的污染物的重质原料的反应器系统，以便生产与重质原料相比有较低数量所述污染物的产品，所述反应器系统包括：(a)一个有顶部和底部以及至少一下部水平催化剂层和一上部水平催化剂层的竖直固定催化剂床，其中下部水平催化剂层中的催化剂的特点是，比上部水平催化剂层中的催化剂有较低的加氢活性；(b)在每一催化剂层的底部用于均匀分布通过催化剂层的流体流的流体分布设备；以及(c)将含有重质原料和氢气的流体送入固定床的底部以及从固定床的顶部取出产品的设备，从而将流体送入固定催化剂床的底部并通常向上通过固定床流动，以足够低的流速依次首先与下部水平催化剂层中的催化剂接触，然后与上部水平催化剂层中的催化剂接触，以致固定床的平均膨胀率不超过5％。

2.根据权利要求1的反应器系统，其中流体分布设备还作为催化剂的支承物。

3.根据权利要求2的反应器系统，其中流体分布设备由以下设备组成：一个有许多开孔通过它的水平板；一个有足够小的筛孔尺寸的直接与上述水平板相连的水平筛板部件，以防止催化剂颗粒从直接在上面的催化剂层通过；以及许多竖立上升管，其数目等于板中的开孔，每一上升管有一管腔，并在所述的上升管的上端与所述板的下侧相连，以致每一上升管的管腔向上开孔通过该板确定的每一开孔中的一个，位于每一上升管底部的折流板，以防止大气泡直接流入每一上升管的管腔，每一上升管的侧面有至少一个用于流体进入上升管的管腔的穿孔。

4.根据权利要求1的反应器系统，其中在流体分布设备和直接在它下面的水平催化剂层的顶部之间有一空间，送入流体急冷物的设备在所述的空间中，直接在所述流体分布设备下方和在所述水平催化剂层的顶部上方。

5.根据权利要求1的反应器系统，其中在下部水平催化剂层中的催化剂的特点是有相对大的平均孔径，而在上部水平催化剂层中的催化剂的特点是有比所述的下部水平催化剂层中的催化剂更小的平均孔径。

6.根据权利要求5的反应器系统，其中在每一催化剂层中的催化剂颗粒为球形，并且该颗粒有窄的粒度分布。

7.根据权利要求6的反应器系统，其中在下部催化剂层中的催化剂至少20％的孔其直径为约130至约170埃。

8.根据权利要求6的反应器系统，其中在下部催化剂层中的催化剂至少30％的孔其直径为约95至约135埃。

9.一种降低重质原料中金属、含碳残质和硫污染物的方法，该法包括以下步骤：a)重质原料在氢气存在下通常向上送入其中有至少一个下部水平催化剂层和一个上部水平催化剂层的竖直固定床层的单一反应器，其中下部水平催化剂层中的催化剂的特点是比上部水平催化剂层中的催化剂有较低的加氢活性；b)当重质原料和氢气向上流过时，它们均匀分布通过每一催化剂层；c)维持足够低的重质原料和氢气流流速，以致固定床的平均膨胀率不超过5％；d)在加氢处理条件下，重质原料依次与下部水平催化剂层中的催化剂接触，以便脱除存在的主要数量金属，接着原料与上部水平催化剂层中的催化剂接触，以便脱除主要数量残留的金属以及至少一部分硫和含碳残质；以及e)回收与重质原料相比有较少金属和较低含量含碳残质和硫的重质原料产品。

10.根据权利要求9的方法，其中流速足够低，以致床层的膨胀率不超过2％。

11.根据权利要求9的方法，其中重质原料为渣油。

12.根据权利要求11的方法，还包括重质原料产物在单独的加氢处理段中加氢处理的额外步骤，以便从所述的重质原料产品中脱除基本上所有残留的硫和金属污染物。

13.根据权利要求12的方法，其中渣油与水平催化剂层中的催化剂的接触在约315至约480℃、约1000至约3500psig和氢气比小于约2500scf/桶渣油原料下进行。

14.根据权利要求13的方法，其中重质原料产品中金属的数量下降至少50％。

15.一种降低渣油原料中金属、含碳残质和硫污染物的方法，该法包括以下步骤：a)在氢气存在下，渣油原料通常向上送入其中有至少一个下部水平催化剂层和一个上部水平催化剂层由球形催化剂颗粒组成的竖直固定床层的单一反应器，其中下部水平催化剂层中的催化剂的特点是催化剂有至少20％的孔其直径为约130至约170埃，而上部水平催化剂层中的催化剂的特点是催化剂有至少30％的孔其直径为约95至约135埃；b)当渣油原料和氢气向上通过时，它们均匀地通过每一催化剂层；c)维持足够低的渣油原料和氢气的流速，以致固定床的平均膨胀率不超过5％；d)在加氢处理条件下，渣油原料与下部水平催化剂层顺序接触，以便脱除大部分存在的金属，随后渣油原料与上部水平催化剂层接触，以便脱除另外数量的残留金属和至少一部分硫和含碳残质；以及e)回收与减压渣油原料相比有较低金属、含碳残质和硫含量的渣油产品。

16.根据权利要求15的方法，其中流速足够低，以致床层的膨胀率不超过2％。

17.根据权利要求16的方法，其中流速足够低，以致床层的膨胀几乎没有。

18.根据权利要求15的方法，其中渣油原料为减压渣油原料。

19.根据权利要求18的方法，其中在步骤a)以前还包括将减压渣油的粘度降到约400厘沲(100℃下测量的)的预备步骤。

20.根据权利要求19的方法，其中减压渣油粘度的下降在下部水平催化剂层中通过在所述层中有足够减粘活性来降低渣油原料粘度的预选催化剂来实现。

21.根据权利要求15的方法，其中渣油原料为常压渣油原料。

22.根据权利要求15的方法，其中在渣油产品中金属的数量下降至少50％。

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