催化裂化原料特性因子的計算

程 從 禮

（中國石化石油化工科學研究院，北京 100083）

特性因數(shù)K常用于劃分石油和石油餾分的化學組成，在評價催化裂化原料的質(zhì)量上被普遍使用。特性因數(shù)K值又稱Watson K值或UOP K值［1］，是油品平均沸點和相對密度的函數(shù)，其具體的關(guān)系式如下：

式（1）中，Tcub為立方平均沸點，K；為15.6℃時油品的密度與水的密度的比值。

式（2）中，Tmid為中平均沸點，K；Tmol為分子平均沸點，K。

特性因數(shù)是一種說明催化裂化原料中石蠟烴含量的指標。K值高，原料的石蠟烴含量高；K值低，原料的石蠟烴含量低。但K值在芳烴和環(huán)烷烴之間則不能被有效區(qū)分。烷烴的K值最大，約為12.7；環(huán)烷烴的K值次之，為11～12；芳烴的K值最小，為10～11。原料特性因數(shù)K值的高低最能說明該原料的生焦傾向和裂化性能。原料的K值越高，就越易于進行裂化反應，而且生焦傾向也越?。环粗系腒值越低，就越難于進行裂化反應，而且生焦傾向也越大。所以K值是表征油品化學組成的重要參數(shù)，常可用于關(guān)聯(lián)其它物理性質(zhì)。但對于含有大量烯烴、二烯烴和芳烴的二次加工產(chǎn)物，特性因數(shù)并不能準確地表征其化學屬性，使用時會導致較大的誤差［2－4］。

特性因數(shù)的計算方法有兩種：一是依據(jù)餾程和密度的分析數(shù)據(jù)，由公式（1）和公式（2）再結(jié)合諾謨圖查圖計算；二是根據(jù)相對分子質(zhì)量和密度的數(shù)據(jù)由經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算。由于在日常生產(chǎn)過程中，對原料通常只進行密度、殘?zhí)恳约梆s程等常規(guī)項目的分析，給催化裂化特性因數(shù)K值的計算帶來困難。

本課題從催化裂化工業(yè)裝置原料的日常分析數(shù)據(jù)（通常只有密度、殘?zhí)恳约梆s程）出發(fā)，提出催化裂化原料特性因素的計算式，以便于科研、設計及生產(chǎn)部門快速準確地了解裝置所加工原料的性質(zhì)。

1 基于餾程和密度的特性因數(shù)計算方法

根據(jù)餾程分析數(shù)據(jù)，按照式（4）計算體積平均沸點tvol。

式（4）中，t10，t30，t50，t70，t90分別表示餾出體積分數(shù)為10%，30%，50%，70%，90% 時 的 餾 出 溫度，℃。

由式（5）計算餾程曲線的斜率。

根據(jù)式（4）計算出體積平均沸點tvol后，采用諾謨圖，由10%～90%餾程直線斜率s10～90查出該斜率所對應的相對于體積平均沸點的校正值tcal，然后按照式（6）計算平均沸點。

式（6）中，ti是泛指平均沸點，可以分別表示分子平均沸點、中平均沸點、立方平均沸點或質(zhì)量平均沸點，℃。

由式（1）和式（2）可知，要計算特性因數(shù) K值，關(guān)鍵是求出平均沸點。雖然由餾程數(shù)據(jù)得到10%～90%餾程直線斜率后可以查閱諾謨圖得到各平均沸點的校正值，但是該方法并不方便，尤其在編制催化裂化計算模擬軟件時不利于計算機自動處理。為此，根據(jù)諾謨圖中的曲線提出如式（7）所示的計算體積平均沸點校正值tcal的關(guān)系式。

由式（7）可見，平均沸點的校正值被關(guān)聯(lián)成體積平均沸點和10%～90%餾程直線斜率的函數(shù)。式（7）中a，b，c等參數(shù)表示校正系數(shù)，對于不同的平均沸點其值不同，其具體數(shù)值可以從諾謨圖中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到，分別列于表1。

表1 平均沸點校正系數(shù)

通過一個實例對平均沸點的計算進行驗證，表2為原料餾程，表3為平均沸點驗證結(jié)果。由表3可見，式（6）和式（7）的計算精度較高，相對誤差小于1.5%。

表2 原料餾程

表3 由式（7）計算得到的原料平均沸點結(jié)果

根據(jù)原料的餾程數(shù)據(jù)，由式（6）、式（7）可以計算出平均沸點，對于UOP K值，選擇立方平均沸點，對于Watson K值選擇中平均沸點。計算特性因數(shù)K值時，除了平均沸點之外，還需要原料的密度。通常煉油廠分析數(shù)據(jù)提供的是20℃的密度，而特性因數(shù)K值需要15.6℃（即60℉）條件下的密度，為此需要將20℃的密度換算成15.6℃的密度。

原料的密度與溫度有著密切的關(guān)系，根據(jù)不同溫度下的原料密度數(shù)據(jù)［5］，關(guān)聯(lián)出原料密度與溫度的變化關(guān)系式：

式（8）中，t表示溫度，℃；dfeed表示原料的密度，g／cm3。

以某MIP裝置的原料性質(zhì)標定值為例，利用上述計算式對該原料的特性因數(shù)進行計算，結(jié)果見表4。由表4可見，計算出的UOP K值為11.74，Watson K值為11.72，二者十分接近。由此可見，該原料油可定性為環(huán)烷基原料油。

表4 某MIP裝置的原料性質(zhì)及特性因數(shù)計算值

2 基于10%餾出溫度和密度的特性因數(shù)計算方法

根據(jù)式（1）或式（2）的特性因子計算式，已知原料的密度和平均沸點就可以計算出特性因子。由于催化裂化原料通常密度較大，大多數(shù)情況下并不能得到完整的餾程數(shù)據(jù)。文獻［2］報道用原料的平均相對分子質(zhì)量和20℃下的相對密度對立方平均沸點進行計算，如式（9）所示。

式（9）中，M表示原料的平均相對分子質(zhì)量。

利用式（9）計算原料的立方平均沸點時，需要原料的平均相對分子質(zhì)量測量值，該值在煉油廠催化裂化裝置日常生產(chǎn)分析中幾乎不進行測試，所以式（9）的應用受到限制。但是，在煉油廠催化裂化原料的常規(guī)分析項目中，可以得到10%餾出體積時的溫度。本課題由原料的密度和10%餾出體積下的溫度（t10）回歸出立方平均沸點的計算式，進而根據(jù)式（1）計算特性因子UOP K值。立方平均沸點的計算式如式（10）所示。

根據(jù)11套催化裂化裝置的原料數(shù)據(jù)，采用式（7）、式（9）以及式（10）進行立方平均沸點計算并進行比較，結(jié)果見表5。

表5中立方平均沸點的實測值指的是利用式（7）計算得到的結(jié)果，因為該值與諾謨圖查得的值非常接近。如果取相對誤差的絕對值，式（10）的平均相對誤差為1.59%，而式（9）的平均相對誤差為2.89%。從相對誤差絕對值的范圍來看，式（10）的相對誤差絕對值在0.04%～3.56%之間，而式（9）的相對誤差絕對值范圍則為0.97%～5.76%。由此可見，在不能得到完整的餾程數(shù)據(jù)時，本課題提出的計算式（10）的精度高于式（9）。

表5 不同方法得到的催化裂化原料的立方平均沸點計算結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)諾謨圖的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)出質(zhì)量平均沸點、分子平均沸點、立方平均沸點和中平均沸點的計算式。計算結(jié)果與諾謨圖的數(shù)值非常接近，在已知原料完整餾程的條件下，完全可以替代諾謨圖。

（2）根據(jù)原料密度以及10%餾出體積時的溫度關(guān)聯(lián)出分子平均沸點的關(guān)系式，用于計算特性因子UOP K值。該關(guān)聯(lián)式的計算結(jié)果與實際值的相對誤差小于4%。

（3）提出了原料密度與溫度的關(guān)系式，該關(guān)系式不僅可用于特性因數(shù)的計算，而且可用于催化裂化工業(yè)裝置標定時原料流量的快速計算。

［1］US－ASTM.UOP Method 375—2007.Calculation of UOP characterization factor and estimation of molecular weight of petroleum oil［S］.2007：1－14

［2］陳俊武.催化裂化工藝與工程［M］.2版.北京：中國石化出版社，2005：400－488

［3］曹漢昌，郝希仁，張韓.催化裂化工藝計算與技術(shù)分析［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000：33－60

［4］林世雄.石油煉制工程［M］.3版.北京：石油工業(yè)出版社，2000：63－107

［5］梁文杰.石油化學［M］.北京：石油大學出版社，1995：98－102