催化裂化汽油輕重切割點(diǎn)的優(yōu)化與選擇

王偉　牛世坤　陳光

摘????? 要：某煉廠在通過對(duì)催化裂化汽油進(jìn)行硫形態(tài)分析和族組成分析后，通過流程優(yōu)化軟件RSIM（refinery-simulation）對(duì)切割塔進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)輕重汽油的精確切割。在保證輕重汽油加工后混合總硫質(zhì)量滿足國V汽油標(biāo)準(zhǔn)前提下，在催化裂化汽油進(jìn)入汽油吸附脫硫裝置前，將催化裂化汽油中的高烯烴餾分盡可能多地切入輕汽油中，減少催化裂化汽油在汽油吸附脫硫過程中由于烯烴飽和導(dǎo)致的辛烷值損失。結(jié)果表明：優(yōu)化過后的催化裂化汽油辛烷值損失大幅降低，約有0.8個(gè)單位。

關(guān)? 鍵? 詞：國五汽油;催化裂化;優(yōu)化;辛烷值損失;RSIM

中圖分類號(hào)：TQ 028??? ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?? ????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）06-1229-04

Optimization and Selection of Light Oil and Heavy Oil Cutting Point for Catalytic Cracking Gasoline

WANG Wei¹， NIU Shi-kun²，CHEN Guang²

（1. Sinopec Jiujiang Branch， Jiujiang Jiangxi 332004， China;

2. Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian Liaoning 116000， China）

Abstract： Reducing the octane number loss of FCC gasoline during secondary processing can help improve the efficiency of oil refining enterprises. In a refinery， after analysis of sulfur speciation and PONA of FCC gasoline， the cutting tower was simulated by process optimization software RSIM （Refinery-simulation） to achieve the precise cutting of light and heavy gasoline. Under the premise of ensuring that the sulfur content of mixed gasoline after processing light gasoline and heavy gasoline can meet the national V gasoline standard， before the catalytic cracking gasoline was transported to the gasoline adsorption desulfurization unit， high olefin fractions should be cut into light gasoline as possible to reduce the loss of octane caused by olefin saturation during FCC gasoline desulfurization. The results showed that the octane loss of FCC gasoline after the optimization was greatly reduced， about 0.8 units.

Key words： National V gasoline standard; FCC; Optimization; Octane loss; RSIM

為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的環(huán)境問題，環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，汽油的硫含量標(biāo)準(zhǔn)在逐年修訂，發(fā)展和使用超低硫汽油是當(dāng)今世界范圍內(nèi)清潔燃料發(fā)展的趨勢(shì)。我國催化裂化（以下簡(jiǎn)稱FCC）汽油占汽油池總量的70%以上，是汽油池中的主要組分油，F(xiàn)CC汽油的辛烷值決定了汽油池的基礎(chǔ)辛烷值^[1]。

目前，某煉廠催化裂化汽油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在400 mg·kg^-1左右，烯烴含量在25%～30%，由S zorb裝置加工該汽油至國V水平。S zorb技術(shù)作為加氫領(lǐng)域應(yīng)用的新工藝，有著類似其他流化床裝置的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)工程中，裝置處理量受到催化劑再生速率的制約。因此S zorb的負(fù)荷上限，成為催化裂化裝置的汽油產(chǎn)量的限制，對(duì)終端產(chǎn)品國V汽油產(chǎn)量造成影響。

為提高催化裂化汽油的處理能力，選擇退役的選擇性加氫裝置切割塔加工全部催化裂化汽油，切割所得輕汽油前往脫硫醇裝置進(jìn)行處理，切割所得重汽油進(jìn)吸附脫硫裝置脫硫加工，兩股汽油再在罐區(qū)混合。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析和模型模擬對(duì)切割點(diǎn)的選擇和切割塔的整體優(yōu)化進(jìn)行闡述。

1? 切割塔的模型建立

RSIM模擬軟件包含大量化工單元模型庫，融合了煉油反應(yīng)動(dòng)力學(xué)包Profimatic以及大量的經(jīng)驗(yàn)公式，從而實(shí)現(xiàn)物料和能量平衡測(cè)算、物流組分性質(zhì)預(yù)測(cè)傳遞和調(diào)和。結(jié)合軟件提供的泵、換熱器、精餾單元等模型模塊，根據(jù)真實(shí)的物流上下游關(guān)系，代入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)和具體的操作工藝參數(shù)，完成了流程模擬。在裝置原料和工藝操作參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的約束下，模擬計(jì)算當(dāng)前操作情況^[2-3]。

以90萬t/a汽油選擇性加氫裝置切割塔的設(shè)備性能和工藝參數(shù)為基礎(chǔ)建立模擬模型。切割塔的設(shè)計(jì)采用Distillation方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在模型中設(shè)有26層塔板，建模時(shí)勾選塔頂冷凝器（condenser）及塔底再沸器（reboiler），簡(jiǎn)化處理現(xiàn)場(chǎng)塔頂空冷和塔底重沸爐。全塔模擬采用Peng-Robins狀態(tài)方程。輕汽油自分餾塔的上部抽出，重汽油自塔底流出。切割塔模擬模型見圖1。

2? 優(yōu)化問題描述

2.1? 原料條件

裝置原料為催化裂化汽油。催化汽油具有硫含量高和烯烴含量高的兩大特性，原料汽油性質(zhì)詳見表1。

通過對(duì)原料汽油組成分析，可以觀察到烯烴和硫化物的分布很不均勻，烯烴大多以小分子短碳鏈的形態(tài)存在，集中C₄～C₈（見表2）。FCC汽油中的硫化物類型主要有硫醇、硫醚、二硫化物和噻吩，硫醇和硫醚主要集中在小于100 ℃的餾分中，大于100℃餾分中硫醇和硫醚含量很少;而二硫化物則主要集中在70～100 ℃的餾分中;噻吩類硫化物在汽油中占總硫的50%～60%，且主要集中在大于100 ℃的餾分中^[4-6]，見圖2。

2.2 ?輕重汽油切割點(diǎn)分析

輕重汽油在進(jìn)入切割塔切割后，分別要進(jìn)行再次加工。下游裝置的特性對(duì)原料的需求成為對(duì)輕重汽油切割后物性的約束。

切割后的重汽油進(jìn)入S zorb裝置進(jìn)行加工，S zorb裝置能很好脫除汽油中的硫化物。切割后的輕汽油進(jìn)入脫臭裝置進(jìn)行加工，硫醇和硫醚可以通過脫臭裝置脫除，因此該類硫化物對(duì)產(chǎn)品硫含量影響微弱;但是脫硫醇裝置無法脫除環(huán)狀閉合的噻吩類硫合物，因此輕汽油夾帶的噻吩類硫化物將最終進(jìn)入混合后的汽油。

傳統(tǒng)的選擇性加氫將低沸點(diǎn)的烯烴分離出來，避免加氫過程中大量烯烴飽和而降低辛烷值。S zorb裝置加工催化裂化汽油的工藝過程也有一定的烯烴飽和反應(yīng)，會(huì)造成少量辛烷值損失，導(dǎo)致產(chǎn)品效益下降 ^[7]。

將催化裂化汽油中的噻吩及其以下硫化物的分布圖與輕汽油中攜帶的短鏈烯烴質(zhì)量分布圖進(jìn)行疊加，得到圖3。根據(jù)其沸點(diǎn)分布，可以觀察出：如要在切割過程中實(shí)現(xiàn)烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大（G_MAX），其中沸點(diǎn)最高的己烯沸點(diǎn)中值在64 ℃，因此該點(diǎn)為切割點(diǎn)最低點(diǎn)。將模擬數(shù)據(jù)應(yīng)用至實(shí)際操作中，由于塔的切割精度造成的夾帶現(xiàn)象，允許輕汽油干點(diǎn)與重汽油初餾點(diǎn)存在的重疊，確認(rèn)理想的切割點(diǎn)區(qū)間，以該區(qū)間為目標(biāo)，通過模型尋找針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的優(yōu)化方案。

2.3? 目標(biāo)函數(shù)

切割塔對(duì)催化裂化汽油切割后，輕汽油和重汽油進(jìn)入不同裝置進(jìn)行加工。為保證催化裂化汽油經(jīng)過加工后既滿足國V標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品性質(zhì)又不過剩，混合汽油的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6～8 mg·kg^-1最佳。在滿足產(chǎn)品硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下，輕汽油中的烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大化有利于提高裝置效益。

本文以輕汽油中烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大化（G_MAX）為目標(biāo)函數(shù)，將混合產(chǎn)品硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)（S）作為約束條件，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)如下：

約束條件如下， S滿足以下條件：

2.4? 優(yōu)化變量

運(yùn)用煉油流程優(yōu)化軟件RSIM對(duì)切割塔分離能力進(jìn)行分析和核算，選擇Peng-Robinson狀態(tài)方程（PR狀態(tài)方程）用作基礎(chǔ)運(yùn)算^[8]。

選擇在模擬中，保持塔壓（P）一定的條件下，通過調(diào)整重沸器出口溫度，改變塔的操作溫度（T），從而控制輕汽油的餾程，達(dá)到控制輕汽油產(chǎn)品噻吩類硫形態(tài)化合物含量目的。同時(shí)控制回流與進(jìn)料比參數(shù)，改變切割精度，調(diào)整輕汽油中烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)。優(yōu)化變量及邊界如下：

T₁―塔頂溫度，60～70 ℃;

T₂―塔底溫度，130～150 ℃;

T_L―輕汽油冷后溫度，20～40 ℃;

P―塔壓，0.1～0.25 MPa;

F―回流量，10～25 t·h^-1;

M_L―輕汽油產(chǎn)量，25～80 t·h^-1;

M_H―重汽油產(chǎn)量，0～130 t·h^-1;

S_L―加工后輕汽油中硫質(zhì)量比;

S_H―加工后重汽油中硫質(zhì)量比;

m_OL―加工后輕汽油中烯烴質(zhì)量比;

m_O―加工后混合汽油中烯烴質(zhì)量比。

3? 優(yōu)化案例

3.1? 模型校驗(yàn)

將現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)代入模型，以最優(yōu)切割點(diǎn)范圍為收斂目標(biāo)尋找最佳工況。噻吩的沸點(diǎn)83 ℃與苯沸點(diǎn)80 ℃接近（見圖3），利用苯產(chǎn)品分布誤差矯正窄組分80～83 ℃的餾分段。

切割塔投用后，塔的進(jìn)料負(fù)荷控制為150 t·h^-1，通過固定現(xiàn)場(chǎng)重汽油產(chǎn)量110 t·h^-1，輕汽油產(chǎn)量40 t·h^-1，收集現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)代入模型中，比較模型與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值存在的差異，見表3。模型經(jīng)過調(diào)試計(jì)算后，干點(diǎn)的誤差在3%，噻吩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的誤差在3.7%，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

3.2? 優(yōu)化計(jì)算

模型中切割塔進(jìn)料負(fù)荷為實(shí)際負(fù)荷平均值155 t·h^-1。進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后，在不同輕汽油產(chǎn)量條件下（47、52、55 t·h^-1），得到3組典型數(shù)據(jù)（表 4）。

對(duì)應(yīng)相應(yīng)的輕汽油產(chǎn)量為47 t·h^-1，噻吩質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15 mg·kg^-1，輕汽油干點(diǎn)在70 ℃。該股輕汽油與經(jīng)過加工硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 mg·kg^-1的重汽油混合，得到硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.3 mg·kg^-1的混合汽油，產(chǎn)品質(zhì)量滿足國V標(biāo)準(zhǔn)。在該條件下，輕汽油中攜帶的烯烴質(zhì)量占催化裂化汽油中烯烴總量的53%，大部分己烯自輕汽油切出，大幅度降低催化裂化汽油辛烷值損失。

對(duì)應(yīng)輕汽油產(chǎn)量為52 t·h^-1，噻吩質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20 mg·kg^-1，修正后輕汽油干點(diǎn)在88 ℃。與加工后重汽油混合后，得到硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.7 mg·kg^-1的混合汽

油，產(chǎn)品質(zhì)量滿足國V標(biāo)準(zhǔn)，接近內(nèi)控指標(biāo)。在該條件下，輕汽油中攜帶的烯烴質(zhì)量占催化裂化汽油中烯烴總量的57%。

對(duì)應(yīng)輕汽油產(chǎn)量為55 t·h^-1，噻吩質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到23 mg·kg^-1，修正后輕汽油干點(diǎn)在90 ℃。與重汽油混合后，得到硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.3 mg·kg^-1的混合汽油，產(chǎn)品質(zhì)量超過內(nèi)控，存在造成混合汽油產(chǎn)品質(zhì)量不合格的風(fēng)險(xiǎn)，不宜用作控制目標(biāo)。

通過比較3組數(shù)據(jù)：第一組切割出的烯烴占比偏小，不能最大化減少辛烷值損失;第三組數(shù)據(jù)硫含量過高，產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較大;優(yōu)化后的第二組工藝數(shù)據(jù)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)較控制指標(biāo)8 mg·kg^-1小0.3 mg·kg^-1，適合用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)。

4? 效果分析

自切割塔優(yōu)化項(xiàng)目啟用后，從物性計(jì)算中看出，優(yōu)化過后輕汽油中烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～60%。通過統(tǒng)計(jì)S zorb裝置開工后的催化裂化汽油辛烷值損失，繪制出圖4。催化裂化汽油未切割時(shí)，辛烷值損失大約在1.3～1.6之間波動(dòng);啟動(dòng)切割塔切割輕重汽油后，辛烷值損失下降至0.8～1.0之間波動(dòng);對(duì)切割點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化后，辛烷值損失下降至0.7～0.5之間波動(dòng)。辛烷值損失從未切割前的中值1.4下降至優(yōu)化后的中值0.6，效益上升明顯。

5 ?結(jié) 論

通過RSIM軟件對(duì)催化裂化汽油切割的模擬，可以很好地反映切割塔的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。再通過對(duì)催化裂化汽油進(jìn)行硫形態(tài)分析，優(yōu)化輕汽油中的噻吩的夾帶情況，調(diào)整輕汽油產(chǎn)量，減少重汽油夾帶烯烴在S zorb加工過程中的辛烷值損失，獲得加工效益的最大化。

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