引進輕石腦油異構(gòu)化裝置的工藝設(shè)計

張永銘

(中國寰球工程公司,北京100028)

引進輕石腦油異構(gòu)化裝置的工藝設(shè)計

張永銘

(中國寰球工程公司,北京100028)

介紹了國內(nèi)引進的首套600 kt/a輕石腦油異構(gòu)化裝置的工藝設(shè)計.通過對比分析,選用目前國際較先進的Pt/Cl-Al2O3型催化劑,采用一次通過流程,產(chǎn)品異構(gòu)化油的設(shè)計RON達(dá)到83.1～83.5,蒸氣壓100～ 103 kPa,設(shè)計產(chǎn)品液體收率97.01%～97.28%,裝置設(shè)計能耗684.06 MJ/t,各項工藝指標(biāo)先進.

C5/C6輕石腦油異構(gòu)化異構(gòu)化油工藝設(shè)計

清潔燃料生產(chǎn)是目前煉油企業(yè)的主要任務(wù)之一.汽油池中除了催化裂化汽油從重質(zhì)原料得到以外,其它組分都是由石腦油或輕烴轉(zhuǎn)換得到.而石腦油資源一直短缺,應(yīng)最大限度地加以利用,尤其是利用好低辛烷值的輕石腦油.C5/C6烷烴異構(gòu)化油低硫、無芳烴、無烯烴,RON最高可達(dá)92[1],且RON和MON差值只有1～2個單位,對提高調(diào)合汽油的抗爆指數(shù)有利,同時可以調(diào)節(jié)汽油前端辛烷值,使汽油餾分辛烷值分布合理,從而改善發(fā)動機啟動性能,是清潔汽油的理想組分,所以C5/C6烷烴異構(gòu)化技術(shù)成為很好的選擇.隨著我國汽油標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,輕石腦油異構(gòu)化技術(shù)開始逐漸引起重視,國內(nèi)已有運行的輕石腦油異構(gòu)化裝置,采用的都是國內(nèi)自己開發(fā)的分子篩型催化劑,采用這種催化劑的一次通過流程生產(chǎn)的異構(gòu)化油RON難以滿足對異構(gòu)化油辛烷值的要求,在國內(nèi)還沒有自主開發(fā)的更高性能的催化劑用于工業(yè)化裝置以前,引進國外先進催化劑和工藝技術(shù)就成為必然的選擇.

本文以國內(nèi)首次引進的600 kt/a輕石腦油異構(gòu)化裝置工藝技術(shù)為例,闡述采用引進Pt/Cl-Al2O3型催化劑輕石腦油異構(gòu)化裝置的工藝設(shè)計.

1 工藝技術(shù)的選擇

C5/C6烷烴異構(gòu)化工藝技術(shù)的選擇包括催化劑的選擇和工藝流程的確定.

1.1 催化劑的選擇

目前正在應(yīng)用的C5/C6烷烴異構(gòu)化催化劑主要分為三類[1-3].第一類為Pt/Cl-Al2O3型,又稱低溫型,典型代表有UOP公司的I-82和I-84,AXENS公司與AKZO NOBEL公司聯(lián)合開發(fā)的ATIS-2L.第二類為固體超強酸型,典型代表是UOP公司的PI-244和PI-242,國內(nèi)中國石化石油化工科學(xué)研究院(石科院)也已經(jīng)完成同類催化劑GCS-1的研制工作,具備了工業(yè)應(yīng)用條件.第三類為分子篩型,又稱中溫型,典型代表有AXENS公司的IP632和UOP公司的HS-10,以及石科院的RISO催化劑.各類催化劑操作條件、性能參數(shù)和要求對比見表1.

表1 催化劑操作條件、性能參數(shù)和設(shè)備配置要求對比[3-6]

因C5/C6烷烴異構(gòu)化反應(yīng)屬微放熱反應(yīng),從熱力學(xué)角度分析,低溫對異構(gòu)化反應(yīng)更為有利,而反應(yīng)前后分子數(shù)目沒有變化,反應(yīng)壓力對各組分的平衡摩爾分?jǐn)?shù)和平衡轉(zhuǎn)化率都不產(chǎn)生影響,所以理想的C5/C6烷烴異構(gòu)化催化劑應(yīng)該是在盡可能低的反應(yīng)溫度下具有高活性和選擇性.三種型式的催化劑中,Pt/Cl-Al2O3型催化劑反應(yīng)溫度最低,在一次通過流程裝置中異構(gòu)化程度最高,液體收率也最高.

為了實現(xiàn)異構(gòu)化程度、液體收率和催化劑壽命最大化,每種催化劑對原料都有限制要求. Pt/Cl-Al2O3型催化劑對原料和氫氣中雜質(zhì)含量要求最嚴(yán)格,主要有害雜質(zhì)為水、氧及氧化物、氮化物、硫、CO、CO2,另外對苯、烯烴和C7+組分含量也有限制要求.固體超強酸型催化劑反應(yīng)溫度比Pt/Cl-Al2O3型略高,活性和選擇性略低,對原料中的有害毒物限制相對寬松.分子篩型催化劑反應(yīng)溫度最高,對原料的要求最寬松.

根據(jù)全廠汽油調(diào)合的要求,設(shè)計裝置提供的異構(gòu)化油RON至少為83,蒸氣壓不超過115 kPa.根據(jù)所提供的原料組成,模擬結(jié)果顯示:選用Pt/Cl-Al2O3型催化劑采用一次通過流程就可滿足項目要求;選用固體超強酸型和分子篩型催化劑需要正戊烷或正己烷部分循環(huán)流程才能達(dá)到項目要求,且需要循環(huán)氫壓縮機和氣液分離罐,能耗和操作費用比采用Pt/Cl-Al2O3型催化劑一次通過流程高,故初步確定引進Pt/Cl-Al2O3型催化劑.

1.2 工藝流程確定

一般流程的確定應(yīng)和催化劑的選擇統(tǒng)一考慮,除了要滿足產(chǎn)品辛烷值的要求以外,還要滿足液體收率、汽油的各項規(guī)格要求以及燃料氣和各種排放物流的環(huán)保要求.關(guān)于輕石腦油異構(gòu)化裝置的各種流程在許多文獻(xiàn)中都有介紹,本項目選定用于Pt/Cl-Al2O3型催化劑的一次通過流程,流程示意見圖1.該流程包括干燥單元、反應(yīng)穩(wěn)定單元、尾氣堿洗單元和分子篩再生單元4部分.由于所選催化劑對各種毒物的敏感性高,對原料要求就高,需要嚴(yán)格控制各項催化劑有害物含量,所以流程中設(shè)計了針對原料和氫氣的干燥系統(tǒng),以脫除水等有害物質(zhì),同時也設(shè)計了對干燥系統(tǒng)中失效的分子篩進行再生的流程;整個流程的核心是反應(yīng)和反應(yīng)物穩(wěn)定部分,一般是2臺固定床反應(yīng)器,有的也根據(jù)工藝需要設(shè)計3臺反應(yīng)器,本項目設(shè)計2臺固定床軸向液相加氫反應(yīng)器,反應(yīng)流出物進入穩(wěn)定塔,塔底異構(gòu)化油經(jīng)脫氯罐和冷卻器后作為產(chǎn)品出裝置,塔頂尾氣進入尾氣洗滌系統(tǒng),洗滌后的尾氣符合燃料氣管網(wǎng)要求,進入全廠燃料氣管網(wǎng)或去輕烴回收裝置回收C3/C4;為了保持催化劑的活性,反應(yīng)系統(tǒng)需要連續(xù)注氯以補充催化劑失去的氯,失掉的氯以氯化氫的形式存在于穩(wěn)定塔頂物流中,所以作為燃料氣的穩(wěn)定塔頂尾氣離開裝置前必須脫除氯化氫,為此流程中設(shè)計了針對尾氣脫氯的堿洗系統(tǒng),堿液循環(huán)使用,廢堿液定期排出裝置送往全廠廢堿液站統(tǒng)一處理.干燥器再生采用穩(wěn)定塔底經(jīng)過脫氯罐的異構(gòu)化油,經(jīng)汽化、過熱后進入待再生的干燥器,將被水飽和的分子篩中的水和其它被吸附的微量雜質(zhì)汽化,隨同油氣一起移出干燥器,經(jīng)冷凝、冷卻后進入脫氣器,在脫氣器內(nèi)將異構(gòu)化油與脫除的水和氣體分離,異構(gòu)化油出裝置去異構(gòu)化油產(chǎn)品罐,被水飽和的分子篩得到再生.

圖1 輕石腦油異構(gòu)化工藝一次通過流程

2 工藝設(shè)計基礎(chǔ)

2.1 原料組成

裝置原料為來自石腦油加氫裝置和芳烴抽提裝置的C5/C6組分,原料組成見表2;來自重整裝置的重整氫組成見表3.

表2 原料組成摩爾分?jǐn)?shù) ,%

表3 重整氫組成摩爾分?jǐn)?shù) ,%

2.2 物料平衡及產(chǎn)品構(gòu)成

為了保持模擬數(shù)據(jù)庫基準(zhǔn)的一致性,在工藝模擬計算中使用的軟件全部采用SIMSCI公司的產(chǎn)品.使用ProII9.0軟件進行穩(wěn)態(tài)流程模擬,物料平衡和主要設(shè)備操作參數(shù)模擬結(jié)果見表4和表5.根據(jù)模擬計算結(jié)果,異構(gòu)化油收率在反應(yīng)初期為97.28%,反應(yīng)末期為97.01%;異構(gòu)化油的RON為83.1～83.5,蒸氣壓為100～103 kPa.

表4 物料平衡及產(chǎn)品構(gòu)成

表5 主要設(shè)備操作參數(shù)

3 裝置技術(shù)特點

(1)采用低溫Pt/Cl-Al2O3型催化劑,一次通過流程.

(2)因?qū)υ虾蜌錃庵须s質(zhì)含量要求嚴(yán)格,裝置中設(shè)計了干燥及干燥再生單元,采用多套在線分析儀監(jiān)測催化劑毒物含量和用于工藝控制,包括水含量、氧含量、硫含量、烴組成、CO/CO2含量和氫含量分析儀,分別布置在干燥單元、再生單元和尾氣堿洗單元.

(3)為了滿足安全、衛(wèi)生、環(huán)保要求,嚴(yán)格控制尾氣中氯含量滿足國標(biāo)要求,流程中設(shè)計了尾氣堿洗單元.

(4)氯化物存在于反應(yīng)穩(wěn)定和尾氣堿洗單元,在易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的場合材料選用INCOMEL625.為防止異構(gòu)化油中帶氯,出裝置前經(jīng)過液相脫氯劑罐,保證異構(gòu)化油中無氯化物.

(5)干燥劑再生過程采用PLC程序控制系統(tǒng)(DRCS),保證裝置運行穩(wěn)定.

4 主要設(shè)備

4 .1異構(gòu)化反應(yīng)器

異構(gòu)化反應(yīng)器采用固定床軸向液相加氫反應(yīng)器,內(nèi)置入口擴散器、液相分布器、瓷球、催化劑和出口收集器,反應(yīng)條件緩和且物料潔凈,主體材料采用碳鋼.

4 .2干燥再生蒸發(fā)器

根據(jù)工藝技術(shù)特點,干燥再生蒸發(fā)器需要頻繁切換,快速升溫、快速蒸發(fā),選用內(nèi)置BAYONET管的立式蒸發(fā)器,該蒸發(fā)器占地小,管束熱脹不受限制,液面控制容易.殼程物流為潔凈的異構(gòu)化油,管程為1.0 MPa脫過熱蒸汽,主體材料采用碳鋼.

5 催化劑、吸附劑及化學(xué)品

5.1 催化劑規(guī)格

選用催化劑為ATIS-2L催化劑,其典型的規(guī)格見表6.

表6 ATIS-2L催化劑主要規(guī)格指標(biāo)[7]

5.2 吸附劑及化學(xué)品

干燥器內(nèi)裝的吸附劑擬選用國產(chǎn)分子篩,用于吸附脫除C5/C6烷烴中的水等對催化劑有害的物質(zhì).選用國產(chǎn)液相脫氯劑裝填在異構(gòu)化油脫氯保護器中,用于防止裝置波動時氯離子隨異構(gòu)化油帶出裝置污染罐區(qū)產(chǎn)品.為了支撐反應(yīng)器、干燥器和脫氯罐中的催化劑和吸附劑,選用國內(nèi)生產(chǎn)的惰性瓷球裝填于器底和床層頂.

化學(xué)品:為維持催化劑活性而需要補入氯化物;為脫除尾氣中的氯需要堿液,由全廠管網(wǎng)提供30%堿液;裝置開工時需要無水HCl.

6 裝置能耗

6.1 公用工程消耗

裝置運行需要的連續(xù)公用工程消耗見表7.

表7 公用工程消耗

6.2 裝置能耗分析

能耗計算執(zhí)行SH/T 3110-2001《石油化工設(shè)計能量消耗計算方法》,裝置處理原料量為71 429 kg/h,能耗詳見表8.

表8 裝置能耗計算 MJ/t

從表8結(jié)果可以看出,采用Pt/Cl-Al2O3型催化劑的一次通過流程工藝技術(shù),由于不需要循環(huán)氫壓縮機和加熱爐,裝置能耗低,裝置生產(chǎn)成本將大為降低.從能耗構(gòu)成來看,蒸汽消耗占整個裝置總能耗的58%,電耗占整個裝置總能耗的40%,說明本裝置的節(jié)能降耗重點在蒸汽和電的使用上.

7 結(jié)論

(1)輕石腦油異構(gòu)化裝置工藝技術(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)不同項目需要,以催化劑的選擇為主導(dǎo),設(shè)計不同的工藝流程.通過對比分析確定選擇Pt/Cl-Al2O3型催化劑的一次通過流程工藝技術(shù),與另兩種催化劑的一次通過流程工藝比較產(chǎn)品辛烷值、液體收率最高,且不需要循環(huán)氫壓縮機、分離器和加熱爐,能耗低,模擬計算結(jié)果和各項工藝設(shè)計數(shù)據(jù)表明項目技術(shù)指標(biāo)先進.設(shè)計產(chǎn)品異構(gòu)化油RON為83.1～83.5,蒸氣壓為100～103 kPa;裝置設(shè)計產(chǎn)品液體收率為97.01%～97.28%;設(shè)計能耗684.06 MJ/t.

(2)本項目根據(jù)Pt/Cl-Al2O3型催化劑的特性和工藝技術(shù)特點,設(shè)計了尾氣堿洗流程(廢堿液全廠集中處理)和其它相應(yīng)的安全、衛(wèi)生技術(shù)措施.對于廢堿液沒有去向、無法解決環(huán)保問題的項目,只能選擇固體超強酸型和中溫型催化劑工藝技術(shù).

[1] 馬愛增,于中偉,張秋平,等.從石腦油和輕烴資源增產(chǎn)汽油的技術(shù)及措施[J].石油煉制與化工,2009,40(11):1-6

[2]鄭冬梅.C5/C6烷烴異構(gòu)化生產(chǎn)工藝及進展[J].石油化工設(shè)計,2004,21(3):1-5

[3] Anderson G C,Rosin R R,Stine M A.New solutions for light paraffin isomerization[C/CD].NPRA Annual Meeting,AM-04-46. San Antonio,TX,2004

[4] Scott Graeme,Jay Ross.Advanced solutions for paraffins isomerization[C/CD].NPRA Annual Meeting,AM-04-49.San Antonio,TX,2004

[5] 于中偉,孫義蘭,任堅強,等.固體超強酸催化C5/C6烷烴異構(gòu)化反應(yīng)[J].石油學(xué)報(石油化工),2010,26(S):88-92

[6] Institut Francais du Petrole.Process for the isomerization of C5/ C6normal paraffins with recycling of normal paraffins:The United States,US 5233120[P].1993-08-03

[7] AXENS.ATIS-2L Technical Data Sheet[EB/OL].http://www. axens.net/html-gb/offer_products_10_p119.html.[2011-10-23]

Abstract:The process design of the first imported 600 kt/a light naphtha isomerization unit is presented. The performances of various catalysts are analyzed and compared,the advanced Pt/Cl-Al2O3catalyst is selected for this project and one through process flow is adopted.In this process,the design values for liquid yield is 97.01%-97.28%,RON of isomerization product is 83.1-83.5,RVP of isomerization product is 100-103 kPa and energy consumption of the unit is 684.06 MJ/t(feed),all these values show that this unit is the most advanced one of the same type units in China.

Key Words:C5/C6;light naphtha;isomerization;isomerized oil;process design

PROCESS DESIGN OF IMPORTED LIGHT NAPHTHA ISOMERIZATION UNIT

Zhang Yongming
(China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.,Beijing 100028)

2011-11-22;修改稿收到日期:2012-04-06.

張永銘,高級工程師,長期從事煉油工藝和石油化工工藝設(shè)計,已發(fā)表論文6篇.

張永銘,E-mail:13439348666@139.com.