延遲焦化中試裝置與工業(yè)裝置的對(duì)比分析

梁朝林，陳 輝，吳世逵

(廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

延遲焦化中試裝置與工業(yè)裝置的對(duì)比分析

梁朝林，陳 輝，吳世逵

(廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

在原料性質(zhì)相同、工藝流程與主要操作參數(shù)基本一致的前提下，將延遲焦化中試裝置與典型工業(yè)裝置進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：中試裝置的長徑比為3 833，與工業(yè)裝置的長徑比(3 759)非常接近，雖然中試裝置爐管內(nèi)徑為6 mm，小于工業(yè)裝置爐管內(nèi)徑(107 mm)，但也能按工業(yè)裝置操作參數(shù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；進(jìn)料油在中試裝置焦化爐出口處的轉(zhuǎn)化率、汽化率分別為6.1%和22.40%，略小于工業(yè)裝置的7.8%和26.33%；中試裝置焦炭塔高徑比為6(塔內(nèi)油氣線速0.009 46 ms)，大于工業(yè)裝置的4.12(塔內(nèi)油氣流速0.098 20 ms)，但仍符合工業(yè)設(shè)計(jì)推薦值不大于0.15 ms的要求。3種不同原料、3個(gè)不同循環(huán)比運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中試裝置的產(chǎn)物分布及性質(zhì)與工業(yè)裝置相近。

延遲焦化 中試裝置 工業(yè)裝置 對(duì)比分析

延遲焦化裝置在煉油工業(yè)中占有舉足輕重的地位，它能將最劣質(zhì)渣油經(jīng)深度熱裂化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的液體和氣體產(chǎn)品，同時(shí)生成石油焦[1]。目前，為了提高油品液體收率，可采取苛刻焦化條件及添加各種助劑的方法，但由此可能出現(xiàn)彈丸焦而帶來生產(chǎn)事故隱患。對(duì)延遲焦化工藝的研究多為小型間歇釜式試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)條件及結(jié)果很難與工業(yè)裝置相比較。為了安全生產(chǎn)和提高目標(biāo)產(chǎn)物收率，有必要對(duì)延遲焦化中試裝置開展深入研究。本研究在工藝流程與主要控制操作參數(shù)基本一致的前提下，選取3種不同原料、3個(gè)不同循環(huán)比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比延遲焦化典型工業(yè)裝置與延遲焦化中試裝置結(jié)果，為工業(yè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作提供參考。

1 延遲焦化裝置簡介

1.1 裝置流程

選擇國內(nèi)某公司1.0 Mt/a延遲焦化裝置為工業(yè)裝置典例(以下簡稱工業(yè)裝置)，裝置原則流程見圖1。新鮮原料經(jīng)原料油泵從原料緩沖罐抽出，經(jīng)換熱后進(jìn)入分餾塔下段換熱區(qū)與來自焦炭塔塔頂逸出的高溫油氣直接接觸換熱，原料油與高溫油氣中被冷凝的循環(huán)油一起進(jìn)入分餾塔塔底，經(jīng)輻射泵送入加熱爐輻射段。原料油經(jīng)輻射段加熱到規(guī)定溫度后由四通閥進(jìn)入焦炭塔底部，在焦炭塔內(nèi)依靠自身帶入熱量完成裂解-縮合反應(yīng)。工業(yè)裝置焦化反應(yīng)部分為一爐兩塔，加熱爐連續(xù)操作，兩個(gè)焦炭塔間歇輪換操作?？s合生成的焦炭留在焦炭塔內(nèi)，生焦塔切換后由清焦設(shè)備卸出。除了焦炭外其余產(chǎn)物(含注射水蒸氣)全部以氣態(tài)形式從焦炭塔塔頂排出，送去后面的蒸餾-吸收系統(tǒng)進(jìn)行分離得到干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油、塔底油；塔底油再循環(huán)進(jìn)行焦化反應(yīng)。

廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院自行定制延遲焦化中試裝置(以下簡稱中試裝置)，裝置原則流程見圖2。中試裝置工藝原理、原則流程與工業(yè)裝置基本一致。為簡化設(shè)備和方便操作，中試裝置為一爐一塔，加熱爐、焦炭塔在同一周期內(nèi)連續(xù)操作，但焦炭塔進(jìn)料生焦到一定高度后需全裝置停車。焦炭留在焦炭塔內(nèi)待停工后卸出；除了焦炭外其余產(chǎn)物(含注射水蒸氣)全部以氣態(tài)形式從焦炭塔塔頂排出，送去后面的分餾塔-冷阱系統(tǒng)進(jìn)行分離，得到各油氣產(chǎn)物。分餾塔塔頂出焦化氣、塔頂側(cè)線出焦化汽油與焦化柴油混合餾分、塔底出焦化蠟油與循環(huán)油混合餾分；焦化氣經(jīng)冷阱后得到凝析油和不凝氣；對(duì)液體油品再進(jìn)行餾分切割可得到焦化汽油、柴油、蠟油、循環(huán)油的收率，對(duì)凝析油及不凝氣進(jìn)行氣相色譜分析可得到輕汽油、液化氣和干氣的分布。每次試驗(yàn)前后對(duì)焦炭塔、爐管稱重，增加量即為生焦量。

圖1 延遲焦化工業(yè)裝置原則流程

圖2 延遲焦化中試裝置原則流程

1.2 焦化反應(yīng)系統(tǒng)主要設(shè)備

焦化反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 焦化反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)

1.3 焦化反應(yīng)主要工藝操作參數(shù)

焦化反應(yīng)工藝操作參數(shù)見表2。

表2 焦化反應(yīng)工藝操作參數(shù)

1.4 裝置特點(diǎn)

從表1和表2可以看出：中試裝置爐管內(nèi)徑為6 mm，明顯小于工業(yè)裝置爐管內(nèi)徑(107 mm)，因此，中試裝置進(jìn)料量遠(yuǎn)小于工業(yè)裝置；由于爐管為螺旋形，且管徑小，傳熱系數(shù)大，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算其爐管長度可以比工業(yè)裝置短很多，但中試裝置長徑比為3 833，與工業(yè)裝置長徑比(3 759)非常接近，且能保證受熱介質(zhì)在爐膛溫度較低時(shí)仍能達(dá)到爐出口溫度和滿足加熱需求。從表1和表2還可以看出，中試裝置焦炭塔高徑比為6.00，工業(yè)裝置高徑比為4.12(設(shè)計(jì)推薦值為4)。原因是中試裝置進(jìn)料流量小、焦炭塔塔徑也較小，若采用工業(yè)設(shè)計(jì)推薦的高徑比值，則其焦炭塔塔高將會(huì)較低；而生焦后期，生焦泡沫層較高，為防止正在反應(yīng)的泡沫被油氣夾帶到焦炭塔塔頂出口的油氣管線和分餾塔，故將中試裝置焦炭塔的高徑比放大。

2 標(biāo)定核算的原始數(shù)據(jù)及技術(shù)對(duì)比分析

2.1 產(chǎn)物分布及產(chǎn)物性質(zhì)

中試裝置處理的原料取自工業(yè)裝置原料泵出口，為了對(duì)比分析，中試裝置的工藝操作參數(shù)盡可能與工業(yè)裝置相同，中試裝置標(biāo)定的焦化產(chǎn)物與工業(yè)裝置日產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。原料A為伊朗重質(zhì)原油和沙特輕質(zhì)原油混合原油的減壓渣油；原料B為奧瑞特等混合原油的減壓渣油兌入催化裂化油漿；原料C為奧瑞特等混合渣油的減壓渣油兌入丙烷脫油瀝青。中試裝置先通水蒸氣運(yùn)轉(zhuǎn)，待各控制參數(shù)達(dá)到規(guī)定要求后才開始正式進(jìn)料，為了減少物料誤差，控制進(jìn)料時(shí)間為11 h。由表3可見：①雖然兩裝置的處理量差別很大，但它們的物料平衡、焦化產(chǎn)物分布差別較小，物料損失不大于1%，在允許的范圍內(nèi)；②中試裝置的干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油收率與工業(yè)裝置比較接近，總體上，中試裝置的蠟油、柴油、汽油收率略高，而焦炭、液化氣、干氣收率略低，原因是工業(yè)裝置焦炭塔較高，反應(yīng)產(chǎn)物在塔內(nèi)停留時(shí)間較長，二次裂解反應(yīng)增加較多所致；③中試裝置焦炭產(chǎn)率略低于工業(yè)裝置的焦炭產(chǎn)率，通過對(duì)生成焦分析發(fā)現(xiàn)中試裝置焦炭揮發(fā)分(8.5%)低于工業(yè)裝置焦炭揮發(fā)分(9.8%)，主要原因是中試裝置加熱爐注射水蒸氣比例較大，汽提脫除輕組分效果較好。

表3 原料性質(zhì)、操作參數(shù)及焦化產(chǎn)物分布

2.2 焦化加熱爐

根據(jù)進(jìn)料油(含循環(huán)油)熱失重曲線(烴類熱裂解可按一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程考慮)、焦化產(chǎn)物分布、爐出口溫度、汽化率、爐管內(nèi)停留時(shí)間等多個(gè)因素，反復(fù)試差計(jì)算而得進(jìn)料油在爐出口處轉(zhuǎn)化率；計(jì)算汽化率則依據(jù)轉(zhuǎn)化率以及假定循環(huán)油在爐出口溫度、壓力下全部汽化[2-3]。中試裝置的計(jì)算方法與工業(yè)裝置相同，但由于中試裝置的輻射室分成兩段，因此計(jì)算平均速率及在爐管內(nèi)停留時(shí)間也分成兩段進(jìn)行計(jì)算。以原料A為例，焦化加熱爐核算數(shù)據(jù)結(jié)果見表4。由表4可見，工業(yè)裝置輻射管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量流速為1 120 kg/(m2·s)，與同類型裝置的同爐型、同管徑的經(jīng)驗(yàn)值(1 081 kg/m2·s)相近[4]。但工業(yè)裝置輻射管內(nèi)冷油流速為1.31 m/s，卻小于工業(yè)設(shè)計(jì)推薦值(推薦冷油流速為大于等于2 m/s)[5]。中試裝置輻射管內(nèi)介質(zhì)流速、冷油流速都小于工業(yè)裝置數(shù)值，原因是中試裝置吹水蒸氣的比例偏大，而這部分并未計(jì)入。中試裝置輻射管為螺旋走向、管內(nèi)徑又小，可有效彌補(bǔ)流速低導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)低的缺陷，保證介質(zhì)在爐管內(nèi)停留時(shí)間短仍可達(dá)到工業(yè)裝置爐出口溫度的要求。介質(zhì)在中試裝置爐管內(nèi)流速偏低，但爐管結(jié)焦不明顯，間接說明中試裝置試驗(yàn)的介質(zhì)絕大部分的反應(yīng)都延遲到了焦炭塔內(nèi)。從表4還可以看出，中試裝置爐出口進(jìn)料油轉(zhuǎn)化率為6.1%、汽化率為22.40 %，均略低于工業(yè)裝置爐出口進(jìn)料油轉(zhuǎn)化率(7.8%)、汽化率(26.33%)，原因是介質(zhì)在中試裝置爐管內(nèi)的升溫速率較快、停留時(shí)間較短而造成轉(zhuǎn)化率和汽化率偏低。但中試裝置的焦化產(chǎn)物分布與工業(yè)裝置很接近的結(jié)果則是中試裝置焦炭塔有電加熱保溫套，從而保證在焦炭塔內(nèi)仍有足夠的熱量滿足焦化反應(yīng)。由于中試裝置焦炭塔有加熱保溫套，焦炭塔下部、中部溫度比工業(yè)裝置焦炭塔略高，焦炭塔上部溫度425 ℃與工業(yè)裝置的424 ℃基本相同，最終中試裝置裂解產(chǎn)物分布與工業(yè)裝置相比并沒有明顯差異。

表4 焦化加熱爐核算數(shù)據(jù)及結(jié)果

2.3 焦炭塔

進(jìn)入焦炭塔內(nèi)物料受熱裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)制約，雖然要有一定時(shí)間才能完成焦化反應(yīng)過程，但焦炭塔生焦期間，可認(rèn)為是平穩(wěn)連續(xù)進(jìn)料，焦炭塔內(nèi)物流流動(dòng)計(jì)算可以按照焦化反應(yīng)已完全的物流進(jìn)行計(jì)算。焦炭塔生焦層以上反應(yīng)區(qū)域的生焦體積與氣相體積相比可以忽略。焦炭塔內(nèi)油氣停留時(shí)間按氣相泡沫處于塔中部上升到塔頂出口處計(jì)算。從焦炭塔塔頂出去的物料按全部汽化考慮[4-5]。以原料A為例，工業(yè)裝置與中試裝置焦炭塔塔內(nèi)油氣速率、油氣停留時(shí)間核算數(shù)據(jù)見表5。由表5可見，盡管中試裝置焦炭塔高徑比大于工業(yè)裝置焦炭塔高徑比，中試裝置焦炭塔塔內(nèi)油氣流速為0.009 46 m/s，小于工業(yè)裝置焦炭塔塔內(nèi)油氣流速(0.098 20 m/s)，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)推薦值不大于0.15 m/s的要求，中試裝置焦炭塔與工業(yè)裝置同樣滿足在塔內(nèi)的延遲焦化要求，以及塔內(nèi)焦粉與油氣分離(不夾帶)要求。從表5還可以看出，中試裝置焦炭塔內(nèi)油氣停留時(shí)間為63.42 s，雖然比工業(yè)裝置焦炭塔內(nèi)油氣停留時(shí)間(180.43 s)短得多，但從表3的產(chǎn)物分布看，中試裝置焦炭塔可以達(dá)到工業(yè)裝置焦炭塔完成焦化反應(yīng)的要求，而介質(zhì)在中試裝置焦炭塔內(nèi)的停留時(shí)間更為適宜(二次裂解反應(yīng)少，液體油收率高而焦炭、氣體收率低)。

表5 焦炭塔核算數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

延遲焦化中試裝置工藝流程與工業(yè)裝置相似，焦化爐及焦炭塔結(jié)構(gòu)尺寸雖與工業(yè)裝置有較大差別，但仍能按工業(yè)裝置工業(yè)參數(shù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提供工業(yè)裝置使用的可靠數(shù)據(jù)。通過與典型工業(yè)裝置在原料性質(zhì)、操作參數(shù)相近條件下的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中試裝置與工業(yè)裝置在焦化產(chǎn)物分布、焦化產(chǎn)物性質(zhì)方面基本一致；原料在爐出口處的轉(zhuǎn)化率以及物料在爐出口處的汽化率雖略有差異，但經(jīng)過焦炭塔后都能達(dá)到焦化工藝要求；中試裝置焦炭塔高徑比雖然遠(yuǎn)大于工業(yè)裝置，但其塔內(nèi)油氣線速仍低于工業(yè)裝置，也符合工業(yè)設(shè)計(jì)推薦值。對(duì)比分析表明，中試裝置可以模擬工業(yè)裝置開展實(shí)驗(yàn)研究，為工業(yè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作提供有益參考。

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[2] 錢家麟.管式加熱爐[M].2版.北京：中國石化出版社，2003：172-519

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[5] 梁朝林，沈本賢.延遲焦化[M].北京：中國石化出版社，2007：85

Maoming，Guangdong525000)

COMPARATIVE ANALYSIS OF DELAYED COKEING PILOT PLANT WITH INDUSTRIAL APPARATUS

Liang Chaolin， Chen Hui， Wu Shikui

(CollegeofChemicalEngineering，GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology，

On the premise of the same raw material properties， process and main operation parameters， the comparison of the pilot plant results of delayed coking experiment with that of the typical industrial device are conducted. Although the inner diameter of the pilot plant coking furnace tube is 6 mm， significantly smaller than that of the industrial device (id=107 mm)， the length/diameter ratio of 3 833 is close to the industrial device 3 759， the pilot plant can operate normally like industrial unit， the furnace outlet temperature of pilot can reach 500 ℃. Feed conversion and gasification rate at the outlet of the coking furnace of the pilot are 6.1% and 22.4%， respectively， slightly less than the industrial unit 7.8% and 26.33%. The height/diameter ratio of pilot plant coking tower reaches 6 (oil gas line speed 0.009 46 m/s in coking tower)， more than the industrial device 4.12 (oil and gas flow rate of 0.098 20 m/s in industrial device)， but it is still in the recommended range of industrial design requirements (0.15 m/s). The test results which 3 kinds of different materials and 3 different circulation ratios show that the pilot plant product distribution and their main properties are very close to the industrial device results.

delayed coking； pilot plant； industrial unit； comparative analysis

2015-03-16； 修改稿收到日期： 2015-05-14。

梁朝林，工學(xué)博士，教授，主要從事重質(zhì)油加工、輕質(zhì)油品清潔生產(chǎn)等工作。

梁朝林，E-mail：gdmmlcl@163.com。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21176050)。