提高環(huán)烷基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油加氫裝置收率的措施

顧善龍，張向英，陳春保，肖亞梁

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

環(huán)烷基原油是一種稀缺資源，其儲(chǔ)量?jī)H占原油總儲(chǔ)量的2.2%[1]。環(huán)烷基原油經(jīng)加工可得到環(huán)烷基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油(簡(jiǎn)稱基礎(chǔ)油)，而環(huán)烷基基礎(chǔ)油具有傾點(diǎn)低、黏度指數(shù)低、相容性好等特點(diǎn)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊[2-4]。中海油綏中SZ36-1原油即屬于環(huán)烷基原油[5-6]，因此中海油氣(泰州)石化有限公司利用潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油高壓加氫裝置，以綏中SZ36-1減一線、減二線、減三線餾分油為原料，采用加氫處理/脫蠟-加氫后精制兩段串聯(lián)式全加氫工藝生產(chǎn)環(huán)烷基基礎(chǔ)油，產(chǎn)品主要用作變壓器油和橡膠增塑劑基礎(chǔ)油。然而，在對(duì)該裝置生產(chǎn)環(huán)烷基基礎(chǔ)油的收率進(jìn)行標(biāo)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品收率比設(shè)計(jì)值低。

針對(duì)該問題，本研究以SZ36-1減三線餾分油加氫生產(chǎn)U30變壓器油和N4010橡膠增塑劑的過程為例，分析影響環(huán)烷基基礎(chǔ)油產(chǎn)品收率的因素，并采取相應(yīng)改善措施，以提高基礎(chǔ)油收率，滿足市場(chǎng)需求。

1 餾分油加氫工藝流程

餾分油加氫工藝流程如圖1所示。由圖1可知，餾分油加氫工藝流程主要包括一段反應(yīng)系統(tǒng)、二段反應(yīng)系統(tǒng)和常減壓分餾系統(tǒng)。其中，一段反應(yīng)系統(tǒng)的加氫處理反應(yīng)器(R101)、脫蠟反應(yīng)器(R102)均具有3個(gè)催化劑床層，從上至下分別為第一、第二、第三床層，裝有保護(hù)劑、加氫處理劑、脫蠟劑等催化劑，床層入口設(shè)有冷氫輸送管線，用以調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度。減三線原料油先進(jìn)入一段反應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)過R101、R102進(jìn)行脫金屬、脫硫、脫氮、脫芳烴及催化脫蠟反應(yīng)；之后，進(jìn)入二段反應(yīng)系統(tǒng)的后精制反應(yīng)器(R103)進(jìn)行進(jìn)一步的芳烴飽和反應(yīng)；最后，進(jìn)入常減壓分餾系統(tǒng)，由減壓塔(C202)的減二線餾出U30變壓器油，由減壓塔塔底得到N4010橡膠增塑劑。

圖1 工藝流程示意

2 標(biāo)定前基礎(chǔ)油收率

標(biāo)定前，環(huán)烷基基礎(chǔ)油的收率變化情況如圖2所示。由圖2可知，在2020年5月27日至2020年9月25日期間，共加工4批次減三線原料油，生產(chǎn)過程平穩(wěn)且產(chǎn)品全部合格。環(huán)烷基基礎(chǔ)油的收率最低80.73%、最高86.18%，平均83.67%，比設(shè)計(jì)值(89%)低5.33百分點(diǎn)。而且，基礎(chǔ)油收率超過85%的日期僅占總生產(chǎn)日期的12.3%。

圖2 標(biāo)定前基礎(chǔ)油的收率

3 基礎(chǔ)油收率標(biāo)定及分析

以2020年5月27日至2020年9月25日期間裝置加工減三線蠟油生產(chǎn)U30變壓器油及N4010橡膠增塑劑的工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，于2020年10月20日9：00至2020年10月22日9：00對(duì)該裝置加工減三線油生產(chǎn)環(huán)烷基基礎(chǔ)油的收率進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定期間原料性質(zhì)、操作條件穩(wěn)定，產(chǎn)品合格。

3.1 原料油性質(zhì)

標(biāo)定時(shí)原料油的性質(zhì)與工藝設(shè)計(jì)原料油性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。為使減三線原料油的實(shí)際性質(zhì)與設(shè)計(jì)值相接近，上游常減壓蒸餾裝置對(duì)其減壓塔減三線油的餾出條件進(jìn)行了調(diào)整，使減三線油的餾程為390.5～470.0 ℃。由表1可知：實(shí)際減三線油的30%～90%餾出溫度與設(shè)計(jì)值較為接近；上游減壓塔的減三線油略微拔重，重組分增加，相應(yīng)地100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度提高至18.3 mm2/s，比設(shè)計(jì)值高2.7 mm2/s；原料油的硫含量、氮含量、密度與設(shè)計(jì)值接近，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)比設(shè)計(jì)值高9.12百分點(diǎn)，而金屬含量和傾點(diǎn)均在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。

表1 原料油的性質(zhì)

3.2 工藝參數(shù)

在脫蠟降凝的過程中，原料油發(fā)生加氫裂化反應(yīng)，即長(zhǎng)鏈烷烴裂化為具有較低沸點(diǎn)和傾點(diǎn)的短鏈烷烴。裂化反應(yīng)深度越大，則生成的輕組分越多，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)油收率相應(yīng)降低，因此反應(yīng)體系中對(duì)基礎(chǔ)油收率影響最大的因素為脫蠟反應(yīng)深度。影響脫蠟反應(yīng)深度的主要因素有反應(yīng)空速(加工量)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、氫油比等，因此必須調(diào)整減三線原料油的加工工藝參數(shù)，以控制脫蠟反應(yīng)深度。調(diào)整后，裝置加工減三線油的主要工藝參數(shù)如表2所示。

由表2可知，加工參數(shù)調(diào)整后，裝置加工量為27 t/h、反應(yīng)壓力為14.91 MPa、一段氫油體積比為1 100、二段氫油體積比為600、脫蠟反應(yīng)器第二和第三床層的平均溫度分別為363 ℃和359 ℃。將裝置加工量增加至設(shè)計(jì)上限(27 t/h)，可以提高反應(yīng)空速，縮短原料在脫蠟催化劑表面的停留時(shí)間，從而降低脫蠟反應(yīng)深度；將脫蠟反應(yīng)器第二床層的入口冷氫閥開至最大(100%)，可以降低第二床層的入口溫度，從而降低原料油的脫蠟反應(yīng)溫度。

除增大加工量和冷氫閥開度外，還可采用反應(yīng)熱前移的方法降低脫蠟反應(yīng)溫度。由圖1可知，脫蠟催化劑裝配在脫蠟反應(yīng)器的第二床層和第三床層，而第一床層、第二床層的上下部均為加氫處理劑。由于原料油在加氫處理劑上發(fā)生的加氫脫硫、脫氮和脫芳烴反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，而在脫蠟催化劑上發(fā)生的脫蠟反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，因此脫蠟反應(yīng)器第二床層中的實(shí)際脫蠟反應(yīng)溫度至少為第二床層入口溫度與第二床層的溫升之和。通過升高第一床層的加氫反應(yīng)溫度，可以提高第一床層原料油中硫、氮、芳烴的脫除率，從而減少第二床層上部加氫脫硫、脫氮、脫芳烴反應(yīng)的放熱量，降低第二床層上部的溫升，進(jìn)而降低脫蠟反應(yīng)溫度。通過平衡上述措施的效果，可將第二床層的實(shí)際脫蠟溫度調(diào)控為371 ℃，第三床層脫蠟溫度控制在359 ℃。

此外，對(duì)基礎(chǔ)油收率影響較大的因素為減壓塔分離效果。減壓塔的分離效果可以通過各側(cè)線的抽出溫度體現(xiàn)，其中減一線、減二線、減壓塔塔底油的抽出溫度分別為103，183，272 ℃。

3.3 產(chǎn)品性質(zhì)

加氫工藝的中間產(chǎn)品為一段反應(yīng)生成油，而環(huán)烷基基礎(chǔ)油產(chǎn)品主要包括減二線產(chǎn)品(U30變壓器油)、減壓塔塔底產(chǎn)品(N4010橡膠增塑劑)，其主要性質(zhì)分別如表3～表5所示。

表3 一段反應(yīng)生成油的主要性質(zhì)

表4 減二線產(chǎn)品(U30變壓器油)的主要性質(zhì)

表5 減壓塔塔底產(chǎn)品(N4010橡膠增塑劑)的主要性質(zhì)

一段反應(yīng)生成油的硫、氮含量是保護(hù)貴金屬后精制劑的重要指標(biāo)。在控制一段反應(yīng)生成油硫、氮含量不超標(biāo)的前提下，應(yīng)最大限度地按設(shè)計(jì)上限控制加工參數(shù)，以降低加氫處理反應(yīng)溫度，減少反應(yīng)放熱，從而降低脫蠟反應(yīng)溫度。由表3可知，此次標(biāo)定過程中一段反應(yīng)生成油的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3 μg/g、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.5 μg/g，其中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近指標(biāo)上限(5 μg/g)。

減二線產(chǎn)品(U30變壓器油)的閃點(diǎn)(閉口)下限為135 ℃。通常，上一側(cè)線拔出的餾分多，則減二線產(chǎn)品的抽出量減少，閃點(diǎn)升高；反之，則減二線產(chǎn)品抽出量增加，閃點(diǎn)降低。因此，需控制減二線產(chǎn)品的閃點(diǎn)(閉口)趨近但不低于135 ℃，盡量提高其收率。由表4可知，此次標(biāo)定過程中，減二線產(chǎn)品的閃點(diǎn)(閉口)控制在142 ℃。

由表5可知，N4010橡膠增塑劑的傾點(diǎn)上限為-15 ℃。由于減壓塔塔底產(chǎn)品的傾點(diǎn)與脫蠟反應(yīng)深度直接相關(guān)，因此應(yīng)盡量降低脫蠟反應(yīng)深度，減少輕組分的產(chǎn)生，提高N4010橡膠增塑劑收率。標(biāo)定過程中，塔底產(chǎn)品的傾點(diǎn)控制在-18 ℃。

3.4 收率

標(biāo)定期間，對(duì)裝置入方、出方物料量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算得到基礎(chǔ)油的收率。裝置物料平衡計(jì)算結(jié)果如表6所示。其中：基礎(chǔ)油收率=(變壓器油質(zhì)量+橡膠增塑劑質(zhì)量)/原料油質(zhì)量×100%。

從表6可知，標(biāo)定期間基礎(chǔ)油收率分別為86.58%、86.27%，平均為86.42%。雖然基礎(chǔ)油標(biāo)定收率高于前期生產(chǎn)收率的最高值(86.18%)，但仍比設(shè)計(jì)值(89%)低2.58百分點(diǎn)。

表6 標(biāo)定期間裝置物料平衡計(jì)算結(jié)果

基礎(chǔ)油收率標(biāo)定結(jié)果比設(shè)計(jì)值低，可能的原因有以下幾個(gè)方面：

(1)雖然原料油的各項(xiàng)性質(zhì)接近設(shè)計(jì)值，但其10%，30%，50%餾出溫度分別比設(shè)計(jì)值低17，5，7 ℃，說明原料油輕組分含量較高，進(jìn)而促進(jìn)原料油裂化產(chǎn)生更多輕組分，造成產(chǎn)品中輕組分收率提高，而基礎(chǔ)油的收率相應(yīng)減少。

(2)脫蠟反應(yīng)器優(yōu)化工藝條件為：在保證兩個(gè)床層平均溫度為365 ℃的前提下，降低第二床層反應(yīng)溫度，提高第三床層反應(yīng)溫度，則可保證脫蠟降凝的效果。脫蠟反應(yīng)溫度每升高10 ℃，基礎(chǔ)油的收率則會(huì)降低2～3百分點(diǎn)。雖然已采用各種方法降低催化脫蠟反應(yīng)溫度，但脫蠟反應(yīng)器第二床層的反應(yīng)溫度仍高達(dá)371 ℃，比第三床層(359 ℃)高12 ℃，比兩個(gè)床層的平均溫度(365 ℃)高6 ℃，導(dǎo)致基礎(chǔ)油收率相應(yīng)降低1.2～1.8百分點(diǎn)。

(3)減二線產(chǎn)品(U30變壓器油)的閃點(diǎn)(閉口)為142 ℃，比指標(biāo)下限高7 ℃，仍有可調(diào)控的空間。如果將減二線產(chǎn)品的閃點(diǎn)(閉口)控制在138～140 ℃，由變壓器油餾程可知，基礎(chǔ)油的收率將增加0.8百分點(diǎn)左右。

(4)減壓塔塔底產(chǎn)品(N4010橡膠增塑劑)傾點(diǎn)為-18 ℃，比指標(biāo)上限低3 ℃。若產(chǎn)品傾點(diǎn)控制在-15 ℃，則基礎(chǔ)油總收率會(huì)增加0.9～1.2百分點(diǎn)。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，上述因素相互制約，需平衡調(diào)控，但難以在每次調(diào)整過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此盡可能從總體效果出發(fā)進(jìn)行綜合調(diào)控。

3.5 綜合改進(jìn)措施

為了進(jìn)一步提高基礎(chǔ)油收率，主要采取以下綜合改進(jìn)措施：①在保持最大加工量和最低脫蠟反應(yīng)溫度的前提下，提高SZ36-1減三線原料油中重組分(基礎(chǔ)油餾分)的含量；②在保證指標(biāo)合格的情況下，調(diào)控一段反應(yīng)生成油的硫、氮含量，U30變壓器油的閃點(diǎn)，N4010橡膠增塑劑的傾點(diǎn)，使其更接近于設(shè)計(jì)值，以進(jìn)一步降低第二床層脫蠟反應(yīng)溫度、增加基礎(chǔ)油餾分的比例。

采取綜合改進(jìn)措施后，裝置每天生產(chǎn)基礎(chǔ)油的收率如圖3所示。在2020年10月22日至2021年5月25日期間，該裝置共加工7批次減三線原料油，裝置運(yùn)行正常且生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量全部合格。由圖3可知，在該生產(chǎn)期間，基礎(chǔ)油收率最低為82.49%，最高為89.42%，平均為86.50%，平均收率比標(biāo)定時(shí)提高0.08百分點(diǎn)，最高收率可以達(dá)到設(shè)計(jì)值。

圖3 采取措施后基礎(chǔ)油的收率

4 結(jié) 論

以綏中SZ36-1減三線餾分油為原料，采用高壓加氫裝置成功生產(chǎn)環(huán)烷基基礎(chǔ)油(U30變壓器油、N4010橡膠增塑劑)。在加工過程中，通過采取提高原料油中基礎(chǔ)油餾分含量、保持最大反應(yīng)空速、降低脫蠟溫度、最大限度接近設(shè)計(jì)值調(diào)控原料和產(chǎn)品指標(biāo)等綜合改進(jìn)措施，可以提高環(huán)烷基基礎(chǔ)油的收率。采取綜合改進(jìn)措施后的環(huán)烷基基礎(chǔ)油(包括U30變壓器油和N4010橡膠增塑劑)收率為82.49%～89.42%，平均收率為86.50%，比改進(jìn)前提高2.83百分點(diǎn)。