催化裂化系統(tǒng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布及能耗的影響

李秋芝，孟凡東，閆鴻飛，孫世源

(中國石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

催化裂化系統(tǒng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布及能耗的影響

李秋芝，孟凡東，閆鴻飛，孫世源

(中國石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

在中型提升管催化裂化試驗(yàn)裝置上，考察了反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布的影響；根據(jù)不同壓力下的產(chǎn)品分布，基于2015年實(shí)際價(jià)格體系，計(jì)算了催化裂化裝置的基準(zhǔn)能耗及不考慮一次性投資情況下的綜合經(jīng)濟(jì)效益，分析反應(yīng)壓力對(duì)裝置基準(zhǔn)能耗及綜合經(jīng)濟(jì)效益的影響。結(jié)果表明：隨著反應(yīng)壓力的提高，汽油收率下降、辛烷值降低，基準(zhǔn)能耗和綜合經(jīng)濟(jì)效益均下降；當(dāng)反應(yīng)壓力從0.125 MPa提高至0.247 MPa時(shí)，汽油收率降低2.4百分點(diǎn)，基準(zhǔn)能耗下降245 MJ/t，綜合經(jīng)濟(jì)效益下降147元/t。

催化裂化 反應(yīng)壓力 產(chǎn)品分布 基準(zhǔn)能耗

近年來，降低催化裂化裝置能耗一直是煉油企業(yè)追求的目標(biāo)[1-3]，能耗指標(biāo)是催化裂化裝置的重要考核指標(biāo)。因此，為了降低催化裂化裝置的能耗，工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位采取了一系列的措施，應(yīng)用最普遍的措施是提高催化裂化裝置系統(tǒng)壓力。提高催化裂化系統(tǒng)壓力有利于煙機(jī)能量回收，降低裝置能耗指標(biāo)，且有利于再生器燒焦[4]。同時(shí)，提高催化裂化系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，反應(yīng)器、再生器等設(shè)備尺寸變小，可節(jié)省建設(shè)投資。但是，反應(yīng)壓力增加會(huì)導(dǎo)致汽油收率下降，焦炭產(chǎn)率增加，并且會(huì)強(qiáng)化氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)，導(dǎo)致汽油辛烷值下降。近年來的工業(yè)實(shí)踐證明，在目前多產(chǎn)汽油背景下，催化裂化汽油的實(shí)際收率比20年前不升反降。究其原因，除了為滿足新的汽油規(guī)格指標(biāo)而采用新工藝、新技術(shù)、新催化劑及加工的原料有變化外，不斷提高的催化裂化裝置系統(tǒng)壓力估計(jì)也是一個(gè)重要因素。因此，本課題通過試驗(yàn)考察催化裂化裝置反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布的影響，分析不同壓力下的基準(zhǔn)能耗及不考慮一次性投資情況下的綜合經(jīng)濟(jì)效益，以期為催化裂化的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考。

1 反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布的影響

在提升管催化裂化中型試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，考察反應(yīng)壓力變化對(duì)產(chǎn)物分布的影響。該裝置為兩器高低并列式，常規(guī)進(jìn)料量為1.5 kg/h，催化劑藏量為10 kg。

在催化裂化工業(yè)裝置中，反應(yīng)壓力雖然是獨(dú)立操作變量，但由于裝置的設(shè)計(jì)和加工能力的限制、分餾和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的限制以及氣壓機(jī)的限制，在實(shí)際操作中反應(yīng)壓力調(diào)節(jié)幅度不大。在工業(yè)催化裂化裝置上，反應(yīng)壓力(絕壓)通常為0.15～0.50 MPa。在提升管中試裝置上考察反應(yīng)壓力的影響時(shí)，試驗(yàn)壓力范圍主要根據(jù)裝置工程設(shè)計(jì)時(shí)的反應(yīng)壓力來確定。

1.1 試驗(yàn)原料油及催化劑

中型試驗(yàn)所用原料油性質(zhì)見表1；所用催化劑為DFC-1工業(yè)平衡劑，其性質(zhì)見表2。

表1 原料油性質(zhì)

表2 催化劑性質(zhì)

1.2 反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布和汽油性質(zhì)的影響

在反應(yīng)溫度515 ℃、劑油質(zhì)量比7.5、反應(yīng)時(shí)間3.0 s、原料霧化蒸汽比例6%的條件下，反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布的影響見圖1。從圖1可以看出：在反應(yīng)壓力大于0.12 MPa時(shí)，隨著反應(yīng)壓力的提高，干氣產(chǎn)率略有增加，液化氣收率下降；柴油收率隨壓力提高略有升高；汽油收率隨著壓力提高呈現(xiàn)降低的變化趨勢，當(dāng)反應(yīng)壓力由0.125 MPa升至0.247 MPa時(shí)，汽油收率降低2.4百分點(diǎn)；焦炭產(chǎn)率隨壓力提高逐漸升高。

圖1 反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布的影響■—干氣； ●—液化氣； ▲—汽油； 柴油；◆—重油； 焦炭

反應(yīng)壓力對(duì)汽油辛烷值和烯烴含量的影響見圖2。從圖2可以看出，隨著反應(yīng)壓力的升高，由于氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)增加，汽油的烯烴含量下降，辛烷值下降。

圖2 反應(yīng)壓力對(duì)汽油辛烷值和烯烴含量的影響■—RON； ●—烯烴含量

2 反應(yīng)壓力對(duì)基準(zhǔn)能耗的影響

影響催化裂化裝置能耗的因素很多，而且它們之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜?；鶞?zhǔn)能耗作為評(píng)價(jià)裝置用能水平的一種方法，對(duì)于挖掘裝置節(jié)能潛力，提高能量管理水平，具有一定的實(shí)用價(jià)值。催化裂化裝置通用的基準(zhǔn)能耗[5]計(jì)算的基礎(chǔ)條件，是一個(gè)接近目前最經(jīng)濟(jì)的理想條件，也是通過努力有可能達(dá)到的指標(biāo)。也就是說，基準(zhǔn)能耗是在理想的規(guī)定條件下計(jì)算得到的能耗。基準(zhǔn)能耗計(jì)算方法不是采用傳統(tǒng)的輸入與輸出能量之差加上消耗的方法計(jì)算，而是基于能量平衡原理，由裝置用能中不能回收的排棄能量和原料與產(chǎn)品之間的化學(xué)焓差之和來確定，其中也包括所用能量在轉(zhuǎn)化過程中的損失。本方法計(jì)算的基準(zhǔn)能耗包括催化裂化反應(yīng)器、再生器、分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)、主風(fēng)機(jī)和煙氣透平、余熱鍋爐、氣壓機(jī)、余熱回收站等裝置的能耗，不包括水處理和產(chǎn)品精制部分的能耗。

2.1 基準(zhǔn)能耗的計(jì)算方法

催化裂化基準(zhǔn)能耗(EB)計(jì)算式如下：

(1)

式中，E1～E11分別為化學(xué)焓差能耗、再生煙氣排煙能耗、工藝排棄能耗、主風(fēng)機(jī)能耗、氣壓機(jī)能耗、工藝用蒸汽能耗、泵及其它用電能耗、散熱能耗、冷卻介質(zhì)能耗、終止劑或回?zé)捚湍芎?、其它能耗，MJ/t。

(1)化學(xué)焓差能耗

(2)

CR=58 066D+957C-6 539

(3)

(4)

(5)

式中：CR為與原料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；C為新鮮原料油的殘?zhí)浚?；D為新鮮原料油在15.6 ℃時(shí)的密度，可由20 ℃密度換算得到，g/cm3；MC為原料的平均相對(duì)分子質(zhì)量，若有該數(shù)據(jù)按實(shí)際數(shù)據(jù)輸入，若無該數(shù)據(jù)則按式(4)估算；MP為產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量，規(guī)定(油漿+回?zé)捰?、柴油、汽油、液化氣、干氣的相對(duì)分子質(zhì)量分別為350，200，100，50，17；yH、yLO、yG、yL、yF分別為油漿及回?zé)捰?、輕柴油、汽油、液化氣、干氣的產(chǎn)率，%；T50為新鮮原料油的恩氏蒸餾50%餾出溫度，K。

(2)再生煙氣排煙能耗

E2=24.8yC

(6)

式中，yC為焦炭產(chǎn)率，%。

(3)工藝排棄能耗

工藝排棄能耗是指進(jìn)裝置原料與出裝置產(chǎn)品之間的物理焓差。

E3=42.97yF+17.66yL+6.42yG+

1.64yLO+0.19yH-91.81

(7)

(4)主風(fēng)機(jī)能耗

13.03P1) -0.133yC(432P1+11.7)+Ne

(8)

Ne=3.6N/W

(9)

式中：P1為主風(fēng)機(jī)出口壓力(絕壓)，MPa；Ne為增壓機(jī)能耗，無增壓機(jī)時(shí)，Ne=0，有增壓機(jī)時(shí)，按式(9)由增壓機(jī)實(shí)際耗功計(jì)算；N為增壓機(jī)實(shí)際耗功，kW·h；W為裝置的實(shí)際處理量，t/h。

(5)氣壓機(jī)能耗

E5=(2.16P2+3)[2.46-4.55(P3-

0.08)](yF+yL)

(10)

式中：P2為氣壓機(jī)出口壓力(絕壓)，MPa；P3為反應(yīng)壓力(絕壓)，MPa。

(6)工藝用蒸汽能耗

E6=279+31.82a(1+R)

(11)

式中：a為原料霧化蒸汽的比例，%；R為回?zé)挶取?/p>

(7)泵及其它用電能耗

E7=47

(12)

(8)散熱能耗

E8=5.76yC-0.58q+396.9

(13)

式中，q為裝置原設(shè)計(jì)的處理量(新鮮原料進(jìn)料量)，t/h。

(9)冷卻介質(zhì)能耗

E9=10.9yF+1.54yL+0.55yG+0.135yLO+

0.018yH-16.3

(14)

(10)終止劑或回?zé)捚湍芎?/p>

E10=GR2

(15)

式中：G為常數(shù)項(xiàng)，當(dāng)終止劑介質(zhì)為粗汽油時(shí)，G=953 MJ/t，當(dāng)終止劑介質(zhì)為水時(shí)，G=2 806 MJ/t；R2為終止劑或回?zé)捚偷幕責(zé)挶?對(duì)新鮮進(jìn)料量)。

(11)其它能耗

其它能耗指凈化空氣、非凈化空氣和污水等的能耗。

E11=45

(16)

基準(zhǔn)能耗計(jì)算需要的原始數(shù)據(jù)包括混合原料性質(zhì)(如密度、殘?zhí)?、相?duì)分子質(zhì)量、恩氏蒸餾50%餾出溫度等)、產(chǎn)品收率(如干氣、液化氣、汽油、輕柴油、回?zé)捰?、油漿、焦炭產(chǎn)率)、回?zé)挶?、原料霧化蒸汽的比例、主風(fēng)機(jī)出口壓力、氣壓機(jī)出口壓力、反應(yīng)壓力、裝置處理量、終止劑或回?zé)捚土康?。在?shí)際計(jì)算過程中，由于采用中型提升管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，操作模式為單程通過，取R=0；不考慮增壓機(jī)能耗，即Ne=0；不考慮終止劑的采用和汽油的回?zé)?，即E10=0；給定主風(fēng)機(jī)和氣壓機(jī)出口壓力，P1=0.45 MPa，P2=1.2 MPa。

2.2 反應(yīng)壓力對(duì)基準(zhǔn)能耗的影響

根據(jù)以上基準(zhǔn)能耗計(jì)算方法，并結(jié)合反應(yīng)壓力對(duì)產(chǎn)品分布影響的研究結(jié)果，針對(duì)某1 Mt/a催化裂化裝置，可得到反應(yīng)壓力對(duì)基準(zhǔn)能耗的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：隨著反應(yīng)壓力的提高，基準(zhǔn)能耗呈現(xiàn)降低的變化趨勢，而降低反應(yīng)壓力會(huì)在一定程度上提高裝置的基準(zhǔn)能耗；當(dāng)反應(yīng)壓力從0.125 MPa提高至0.247 MPa時(shí)，基準(zhǔn)能耗下降245 MJ/t。實(shí)際上，系統(tǒng)壓力對(duì)基準(zhǔn)能耗的影響包括顯性影響項(xiàng)和隱性影響項(xiàng)，顯性影響項(xiàng)為氣壓機(jī)能耗，隱性影響項(xiàng)是通過影響焦炭產(chǎn)率而影響與焦炭產(chǎn)率有關(guān)的基準(zhǔn)能耗項(xiàng)，包括主風(fēng)機(jī)能耗、氣壓機(jī)能耗和再生煙氣排煙能耗。當(dāng)反應(yīng)壓力增加時(shí)，氣壓機(jī)能耗、按主風(fēng)機(jī)-煙機(jī)-電機(jī)三機(jī)組配置的主風(fēng)機(jī)能耗減少，雖然再生煙氣排煙能耗增加，但總的基準(zhǔn)能耗下降。

圖3 反應(yīng)壓力對(duì)基準(zhǔn)能耗的影響

3 反應(yīng)壓力對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

反應(yīng)壓力變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品分布的變化，而產(chǎn)品分布的變化會(huì)引起經(jīng)濟(jì)效益的變化。同時(shí)，反應(yīng)壓力對(duì)裝置能耗也有一定的影響，而裝置能耗是操作費(fèi)用中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。反應(yīng)壓力對(duì)裝置經(jīng)濟(jì)效益的影響有雙重性，當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時(shí)，產(chǎn)品分布得到改善，經(jīng)濟(jì)效益增加；但也導(dǎo)致能耗增加，使操作費(fèi)用上升。另外，反應(yīng)壓力對(duì)一次性投資、產(chǎn)品性質(zhì)也有一定的影響，但為簡便起見，本課題經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算中未予考慮。

經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算中的原料和產(chǎn)品價(jià)格采用2015年的實(shí)際價(jià)格體系，如表3所示。中間產(chǎn)品價(jià)格按中國石油化工股份有限公司內(nèi)部價(jià)格體系測算或者折算獲得，所有原料或產(chǎn)品價(jià)格均為不含稅價(jià)。根據(jù)不同反應(yīng)壓力下的產(chǎn)品分布及能耗變化對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著反應(yīng)壓力的提高，綜合經(jīng)濟(jì)效益呈下降趨勢，而且下降幅度較大，當(dāng)反應(yīng)壓力由0.125 MPa提高至0.247 MPa時(shí)，綜合經(jīng)濟(jì)效益下降147元/t左右。因此，基于2015年的實(shí)際價(jià)格體系，采用較低的反應(yīng)壓力有利于提高裝置的總體經(jīng)濟(jì)效益。工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作的適宜反應(yīng)壓力為0.16 MPa左右。

表3 2015年催化裂化裝置產(chǎn)品價(jià)格

圖4 反應(yīng)壓力對(duì)綜合經(jīng)濟(jì)效益的影響

4 結(jié) 論

(1)反應(yīng)壓力提高對(duì)提高催化裂化汽油收率有不利影響。隨著壓力增加，汽油收率下降，并且辛烷值降低。

(2)反應(yīng)壓力提高有利于降低催化裂化裝置的能耗。

(3)采用較低的反應(yīng)壓力有利于提高催化裂化裝置的總體經(jīng)濟(jì)效益，工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作的適宜反應(yīng)壓力為0.16 MPa左右。

[1] 魯維民.重油催化裂化裝置的能耗分析[J].石油煉制與化工，2010，41(12)：61-64

[2] 張苡源，張成，常培廷.2.9 Mt/a蠟油催化裂化裝置能耗分析與節(jié)能措施[J].石油煉制與化工，2013，44(9)：87-92

[3] 王瑞，張楊，彭國峰，等.重油催化裂化裝置節(jié)能降耗措施分析與應(yīng)用[J].石油煉制與化工，2015，46(8)：86-89

[4] 陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].2版．北京：中國石化出版社，2005：860-861

[5] 中國石化煉油事業(yè)部節(jié)能中心.催化裂化裝置基準(zhǔn)能耗[G].2004

EFFECTOFPRESSUREONPRODUCTDISTRIBUTIONANDENERGYCONSUMPTIONOFFCCUNITS

Li Qiuzhi， Meng Fandong， Yan Hongfei， Sun Shiyuan

(LuoyangR&DCenterofTechnology，SINOPECEngineering(Group)Co.Ltd.，Luoyang，Henan471003)

The effect of pressure on product distribution was investigated in a FCC pilot plant.The base-energy consumption of a FCC unit and the overall economic benefits without one-off investment was calculated based on the product distribution and the actual price system in 2015.It reveals that increasing reaction pressure causes the lower gasoline yield and base-energy consumption and lower octane number.As the pressure increases from 0.125 MPa to 0.247 MPa，the gasoline yield and the base-energy consumption decreases by 2.4 percent points and 245 MJ/t，respectively，and the overall economic benefit falls 147 RMB/t.

FCC； pressure； production distribution； base-energy consumption

2017-03-03；修改稿收到日期：2017-04-11。

李秋芝，工程師，主要從事石油煉制工藝研究工作，發(fā)表文章多篇，申請(qǐng)專利10多項(xiàng)。

孟凡東，E-mail：mengfd.lpec@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項(xiàng)目(115020)。