提高減壓蒸餾進料汽化率技術(shù)研究

毛俊義，秦 婭，袁 清

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

提高減壓蒸餾進料汽化率技術(shù)研究

毛俊義，秦 婭，袁 清

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

為提高原油減壓蒸餾裝置餾分油的拔出率，研究了減壓塔原料汽化過程，提出了一種新的強化汽化進料方法——噴嘴汽化進料，并在減壓蒸餾裝置上考察了不同進料方式下原料汽化率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在相同的系統(tǒng)壓力和進料溫度下，噴嘴汽化進料的汽化率高于無噴嘴進料和氣液混相進料的汽化率，且更加接近該條件下的平衡汽化率。模擬工業(yè)減壓蒸餾操作，減壓塔產(chǎn)品分離效率提高，塔頂油品收率可以增加2～5百分點，說明噴嘴汽化進料方法是一種有效提高油品汽化率的方法。

減壓塔 汽化率 強化汽化

常減壓蒸餾是原油加工的第一道工序，在煉油廠具有至關重要的地位。原油蒸餾裝置的設計、操作對煉油廠的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率和經(jīng)濟效益產(chǎn)生很大影響。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求日趨緊張，目前我國有超過一半的原油進口，而且多為高硫、高金屬含量的劣質(zhì)、重質(zhì)原油。對于這些原油，提高減壓蒸餾塔蠟油拔出率和改善拔出餾分質(zhì)量的重要性越來越突出[1-3]。常減壓蒸餾裝置總拔出深度通常以減壓渣油的切割點表示。減壓渣油的切割點是指減壓渣油收率對應于原油實沸點蒸餾曲線(TBP)上的溫度。對減壓深拔的定義國外的標準為減壓渣油切割點溫度超過565 ℃[4]。國內(nèi)所指的原油減壓深拔有一個演變過程，在20世紀80—90年代，減壓渣油切割點溫度達到540 ℃則稱為深拔[5]，目前所指的深拔主要是指減壓渣油切割點達到565 ℃及以上[6]。在原油減壓蒸餾特別是減壓深拔技術(shù)領域，荷蘭的Shell公司和英國KBC公司占有大半市場份額。荷蘭Shell公司開發(fā)的深度閃蒸高真空裝置(HVU)技術(shù)，采用壓降極低的空塔噴射，使閃蒸段到塔頂?shù)膲航迪陆档?.8 kPa以下，減壓蒸餾切割點提高到600 ℃以上，減壓蠟油(VGO)收率達到最大，并能有效脫除VGO中的金屬和瀝青質(zhì)。該技術(shù)采用獨有的加熱爐設計工藝，爐出口溫度達420 ℃時也能保證長達4年的運行周期[7]。英國KBC公司在原油深度切割技術(shù)方面擁有豐富的原油數(shù)據(jù)庫及相關資料數(shù)據(jù)庫。用該公司開發(fā)的軟件進行模擬計算，可以得到不同原油的結(jié)焦曲線和加熱爐爐管的逐管計算結(jié)果，能夠使加熱爐出口溫度超過420 ℃時加熱爐仍然可以在安全區(qū)域保持4年以上的長周期運轉(zhuǎn)[8]。國內(nèi)的科研機構(gòu)在高性能的填料(塔板)和塔內(nèi)件、低壓降進料分布器開發(fā)、大直徑減壓爐管轉(zhuǎn)油線設計、常減壓蒸餾過程的模擬等方面做了大量工作。中國石化洛陽石油化工工程公司(LPEC)開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的減壓深拔技術(shù)，中國石化工程建設有限公司開發(fā)了減壓深拔技術(shù)并進行了工業(yè)應用[9]。雖然減壓深拔技術(shù)已經(jīng)推廣，但是減壓塔塔底產(chǎn)品中還有一定的輕餾分未能完全汽化。通過研究減壓塔進料在汽化爐、轉(zhuǎn)油線和汽化段氣液兩相質(zhì)量傳遞的熱力學平衡發(fā)現(xiàn)，輕餾分未能完全汽化，一方面是由于油品的夾帶，另一個重要原因是氣液兩相在汽化過程中接觸時間短、接觸不夠充分[10]。本研究在現(xiàn)有原油蒸餾技術(shù)的基礎上提出一種強化原料汽化的方法，即原料經(jīng)加熱爐預熱后通過壓力型進料系統(tǒng)(如噴嘴)等噴入轉(zhuǎn)油線或蒸餾塔，利用噴嘴對液體一次破碎以及可汽化餾分在減壓條件下從液滴中的急劇汽化對液滴產(chǎn)生二次破碎生成微小的液滴，為減壓塔內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)提供極大的接觸面積，同時加快餾分油的汽化，使原料的實際汽化率更加接近平衡汽化率，進而提高餾分油的拔出率。

1 實 驗

1.1 實驗流程

根據(jù)減壓蒸餾過程原料強化汽化的構(gòu)思，設計了減壓蒸餾實驗裝置以評價壓力型進料系統(tǒng)的性能，裝置流程示意見圖1。主要設備為減壓塔，全塔分為精餾段、汽化段及塔底出料段。其中汽化段直徑400 mm，高700 mm，中間裝有噴嘴；精餾段高1 000 mm，裝滿Φ12 mm散堆填料。常壓渣油從原料罐經(jīng)泵送至加熱爐，采用兩級加熱方式將原料預熱至實驗所需溫度后進入減壓塔，減壓塔共有兩種進料方式：①經(jīng)管線1通過汽化段內(nèi)放置的噴嘴噴入汽化段；②經(jīng)管線2直接進入汽化段，管線2上裝有減壓閥，可以控制進塔前的壓力。原料在汽化段汽化后，較重的物料經(jīng)塔底出料段連續(xù)采出進入塔底產(chǎn)品罐；汽化的物料經(jīng)精餾段分離后從塔頂排出，經(jīng)塔頂冷凝后一部分回流、一部分進入塔頂產(chǎn)品罐，回流量通過控制閥V-1和V-2進行調(diào)節(jié)。減壓塔、冷凝器、塔頂產(chǎn)品罐、塔底產(chǎn)品罐均與真空系統(tǒng)相連。

圖1 減壓蒸餾實驗裝置流程示意

1.2 霧化噴嘴的選型

強化原料汽化方法的關鍵設備是噴嘴。實驗選用Spraying System公司的準型機械霧化噴嘴，噴嘴標稱噴孔直徑為0.51 mm，噴霧形狀為實心圓錐。噴嘴的性能參數(shù)見表1。噴嘴的霧化效果主要取決于噴嘴前物料的壓力(簡稱噴前壓力)。

表1 噴嘴的性能參數(shù)

注：該噴嘴噴出液滴平均直徑的測試條件為常壓、21 ℃，以水為介質(zhì)。

1.3 實驗原料

采用兩種常壓渣油為實驗原料，主要性質(zhì)見表3。從表3可以看出：原料1餾分較寬，540 ℃以前的蠟油餾分占60%左右；原料2餾分相對集中，540 ℃之前的餾分占65%左右。減壓深拔要求拔出560 ℃以上的餾分，原料中65%左右的餾分要在減壓塔汽化段汽化。

表2 常壓渣油的主要性質(zhì)

1.4 實驗條件

工業(yè)裝置減壓塔塔頂壓力通常為1～5 kPa，減壓塔進料溫度為在380～430 ℃。這種條件下實驗進料中的重油特別是減壓渣油很容易結(jié)焦，導致裝置無法長時間運轉(zhuǎn)。因此實驗采取高真空、低溫下操作以減少渣油的結(jié)焦。減壓塔操作壓力控制在0.1 kPa(絕)，換算成該壓力下的進料溫度在280～370 ℃的范圍內(nèi)。根據(jù)實驗所選噴嘴的性能以及減壓塔的處理能力限制，減壓塔進料量控制在9～12 kg/h。

1.5 實驗方案

實驗主要考察不同噴前壓力下油品汽化率的變化規(guī)律，比較了3種不同進料方式對油品汽化率的影響，模擬工業(yè)操作模式比較不同進料方式下的輕質(zhì)油品收率。

1.5.1 進料方式1 進料方式1為壓力噴嘴進料，原料經(jīng)進料泵加壓后在加熱爐加熱到一定溫度，然后通過管線1經(jīng)噴嘴噴入到減壓塔內(nèi)汽化段。原料在噴嘴噴出前狀態(tài)為液相，噴出后液體被機械破碎成小液滴，同時由于壓力的急劇降低，原料中可汽化餾分迅速汽化。

1.5.2 進料方式2 進料方式2為液相無噴嘴進料，原料進料量、進料溫度等與進料方式1完全相同，以保證兩種進料條件原料吸收的熱量相同。不同點在于物料不是經(jīng)過壓力噴嘴噴出，而是通過管線2上的控制閥減壓后引入汽化段進行汽化。

1.5.3 進料方式3 進料方式3為氣液混相進料，這種方式模擬工業(yè)裝置的進料模式，管線2上的控制閥完全打開，加熱爐壓力為負壓，原料在加熱爐中邊加熱邊開始汽化，然后經(jīng)管線2引入到減壓塔汽化段，在汽化段完成進料汽化和氣液相分離。

以上實驗減壓塔均采用絕熱操作，保證汽化后的餾分油通過冷凝完全收集下來。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴嘴進料方式對進料汽化率的影響

實驗采用原料1，固定噴前壓力為225 kPa(表壓)，考察不同進料溫度下，噴嘴進料與液相無噴嘴進料兩種進料方式對進料汽化率的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，相同進料溫度下，即吸收相同熱量的情況下，采用噴嘴進料時，油品汽化率較無噴嘴液相進料提高2～5百分點。分析這兩種進料方式的不同，主要在于通過噴嘴噴出后，液相被破碎成細小的液滴，而進料方式2液體減壓后通過Φ12 mm的鋼管進入汽化段，對液體的破碎效果有限。破碎的液滴越小，其與汽相的傳質(zhì)面積越大，液滴中的油品也易于快速汽化出來，從而造成二者汽化率的差異。

圖2 噴嘴進料方式對油品汽化率的影響●—噴嘴進料； ○—液相無噴嘴進料

機械噴嘴對液體的破碎作用主要取決于噴前壓力，噴嘴進料量越大，噴前壓力越高，對液滴的破碎效果越好。實驗考察了進料溫度為320 ℃，噴前壓力對油品汽化率的影響，結(jié)果見表3。從表3可以看出，在實驗考察參數(shù)范圍內(nèi)，噴前壓力對油品汽化率的影響不大，噴前壓力從210 kPa變化到330 kPa，油品汽化率從43.5%減小到42.82%。

表3 噴前壓力對進料汽化率的影響

2.2 噴嘴進料與氣液混相進料方式的對比

噴嘴進料與氣液混相進料方式進行對比的目的是模擬與現(xiàn)有工業(yè)裝置進料方式的比較。實驗考察汽化段溫度、壓力相同時，兩種進料條件下的汽化率差異，并且與該狀態(tài)下的理論平衡汽化率進行對比。在噴前壓力為225 kPa的條件下，控制相同汽化段溫度、噴嘴進料方式和氣液混相進料方式下的油品汽化率以及與該條件下模擬計算得到的平衡汽化率之間的關系見圖3。從圖3可以看出，在噴嘴進料條件下，原料的汽化率高于氣液混相進料方式原料的汽化率，但低于該條件下計算的平衡轉(zhuǎn)化率。一般認為工業(yè)裝置進料在加熱爐開始汽化，經(jīng)過轉(zhuǎn)油線和進料段后，基本達到熱力學氣液平衡。但實驗發(fā)現(xiàn)，原料的汽化還依然沒有達到氣液平衡，原料的汽化不僅是熱力學問題，還存在動力學問題，在汽化過程中氣液兩相的接觸時間和接觸面積還沒有滿足氣液達到平衡所需要的條件。在工業(yè)裝置中，原料從加熱爐開始汽化，通過轉(zhuǎn)油線進入減壓塔汽化段，因為設備空間有限，停留時間只有數(shù)秒。在轉(zhuǎn)油線中，90%以上的空間為氣體，部分液體以較大的液塊貼壁流動，氣液接觸的面積有限，不容易達到氣液間的熱力學平衡。通過噴嘴進料，液體被破碎成很小的液滴，有效增加氣液接觸面積，同時小液滴內(nèi)可汽化的餾分也更容易汽化出來。這種突然減壓的汽化，會形成液滴的爆裂，從而液滴進一步破碎，形成液滴破碎和汽化過程的相互促進強化。因此，與傳統(tǒng)的進料方式相比，噴嘴的強化進料汽化過程可增加氣液相間接觸面積，加快原料的汽化速率，有效提高餾分油的汽化率。

2.3 噴嘴進料與氣液混相進料方式對油品收率的影響

進料段汽化往往會帶來一定的霧沫夾帶，使得減壓塔拔出的餾分油性質(zhì)超標，無法滿足下游的加工要求，采用噴嘴進料，更容易產(chǎn)生夾帶。通過調(diào)節(jié)減壓塔塔頂回流量，在保證減壓塔分離效率的情況下對比了噴嘴霧化進料方式和氣液混相進料方式塔頂餾分油收率的變化，進料原料采用原料2，進料流量10 kg/h，減壓塔壓力0.1 kPa，減壓塔回流比1.0～1.5，不同進料方式對塔頂餾分油收率的影響見圖4。兩種方式的分離效果通過比較兩種不同進料方式下產(chǎn)品重疊度差異來表示，重疊度采用塔頂輕餾分95%餾出溫度與塔底重組分5%餾出溫度的差值表示。從圖4和表4可以看出：與氣液混相進料相比，采用噴嘴進料方式減壓塔塔頂產(chǎn)品收率高2～5百分點；從分離效率看，噴嘴進料時產(chǎn)品重疊度小于氣液混相進料時產(chǎn)品重疊度，這也是由于油品汽化較充分，渣油中含輕餾分減少造成的，且隨進料溫度提高，重疊度有減少趨勢。380 ℃時可能是汽化量太大，塔頂攜帶量較多，造成重疊度有所提高。

圖3 不同進料方式對油品汽化率的影響●—噴嘴進料； ○—氣液混相進料； ——平衡汽化率

圖4 不同進料方式對塔頂餾分油收率的影響●—噴嘴進料； ○—氣液混相進料

表4 不同進料方式對產(chǎn)品重疊度的影響

項 目進料溫度∕℃320340360380噴嘴進料重疊度∕℃26252325氣液混相進料重疊度∕℃31303133

3 結(jié) 論

(1) 在減壓蒸餾塔原料吸收相同熱量的情況下，采用噴嘴進料的油品汽化率高于無噴嘴液相進料方式的油品汽化率。而在一定范圍內(nèi)噴嘴壓力的變化對進料汽化率的影響不大。

(2) 噴嘴進料與類似工業(yè)減壓塔進料方式的氣液混相進料相比，噴嘴進料條件下的油品汽化率高于氣液混相進料方式的油品汽化率，更接近理想的平衡汽化率，說明噴嘴進料條件下由于破碎和汽化作用形成微小的液滴提供了更大的氣液接觸面積，強化了餾分油的汽化作用。

(3) 在保證減壓塔分離效率的情況下，噴嘴汽化進料比氣液混相進料方式塔頂餾分油收率增加2～5百分點，且塔頂、塔底產(chǎn)品重疊度減小。說明噴嘴汽化進料方法是一種有效的提高油品汽化率的方法。

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DEVELOPMENT OF NEW EVAPORATION TECHNOLOGY FOR VACUUM DISTILLATION

Mao Junyi， Qin Ya， Yuan Qing

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

To improve the deep-cut operation of vacuum distillation， an enhanced feed evaporation technology-nozzle atomizing technology was developed based on the principle of vacuum distillation. The changes of evaporation rate of feed in different feeding modes were investigated in an experimental vacuum distillation device. The results show that on the premise of the same system pressure and feed temperature， the pressurized atomizing evaporation rate of the feed through nozzle is closer to equilibrium vaporization rate and higher than that of non-nozzle feeding and vapor-liquid mixture feeding modes. The vacuum distillation operation under simulated industrial conditions shows that by a pressurized atomizing feed model the oil yield can increase by 2 percentage points—5 percentage points， indicating a higher separation efficiency of the vacuum distillation. It is concluded that the nozzle pressurized atomizing feeding is an effective method to improve the evaporation rate of oil.

vacuum distillation tower； evaporation rate； enhanced evaporation

2016-01-05； 修改稿收到日期：2016-02-21。

毛俊義，碩士，高級工程師，主要從事化學工藝與工程方面的研究工作。

毛俊義，E-mail：maojunyi.ripp@sinopec.com。