柴油加氫裝置改造生產(chǎn)變壓器油的工業(yè)實(shí)踐

楊百科，韓守知，徐大海

(1.中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300；2.中國石化大連石油化工研究院)

近年來我國石油加工產(chǎn)品柴汽比持續(xù)下降，2008—2012年為2.0～2.2，到2017年已降至1.4，2020年下降至約1.1。此外，我國煉油產(chǎn)能過剩，企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫[1]。煉油企業(yè)通過現(xiàn)有裝置的部分改造和生產(chǎn)精細(xì)化管理，開發(fā)生產(chǎn)高附加值特種油品，既符合國家產(chǎn)業(yè)政策，又能提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，比如將柴油加氫裝置升級改造為生產(chǎn)輕質(zhì)白油裝置或蠟油加氫加氫裝置[2-3]，將汽柴油加氫裝置改造為焦化汽油加氫裝置[4]，將柴油加氫聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行[5-6]等，通過壓減柴油和提高油品質(zhì)量，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。

中海油氣(泰州)石化有限公司(簡稱泰州石化)立足環(huán)烷基和石蠟基原油資源優(yōu)勢，堅(jiān)持差異化、低成本競爭戰(zhàn)略，重點(diǎn)發(fā)展環(huán)烷基全系列潤滑油產(chǎn)品，兼顧石蠟基潤滑油產(chǎn)品，是國內(nèi)唯一一家同時(shí)具備穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的石蠟基原油資源和先進(jìn)的全加氫工藝生產(chǎn)路線的高端白油生產(chǎn)廠家。為了配合公司發(fā)展戰(zhàn)略，泰州石化擬將0.5 Mt/a柴油加氫裝置改造，并將催化劑更換為FHUDS-8催化劑以生產(chǎn)變壓器油。為確定該技術(shù)方案的可行性，泰州石化于2019年12月委托中國石化大連石油化工研究院(簡稱FRIPP)進(jìn)行可行性中型試驗(yàn)，并委托裝置設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了設(shè)備核算。在可行性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，裝置于2020年4月完成催化劑更換，并于2020年7月進(jìn)行試生產(chǎn)，試生產(chǎn)結(jié)果證實(shí)該柴油加氫裝置通過改造可生產(chǎn)滿足GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)[7]要求的變壓器油基礎(chǔ)油。試生產(chǎn)中積累了工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，對同類裝置的升級改造具有借鑒意義。

1 可行性試驗(yàn)

可行性試驗(yàn)在FRIPP固定床加氫中型裝置上進(jìn)行。試驗(yàn)工藝流程與工業(yè)柴油加氫裝置流程相近，原料和氫氣混合后，經(jīng)過電爐精確控制反應(yīng)溫度，自上而下經(jīng)過反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物通過高壓分離器和低壓分離器進(jìn)行分離，生成油至分餾系統(tǒng)分離，尾氫返回至循環(huán)氫壓縮機(jī)循環(huán)利用。

試驗(yàn)所用催化劑為FHUDS-8，裝填量為200 mL，采用石英砂按1∶1的比例對催化劑進(jìn)行稀釋，均勻混合后裝填在反應(yīng)器內(nèi)，催化劑裝填密度為0.82 g/mL。

1.1 試驗(yàn)原料

中型試驗(yàn)的原料為綏中SZ36-1原油減一線餾分油，其性質(zhì)如表1所示。由表1可以看出，該減一線餾分油的餾程為259～347 ℃，閃點(diǎn)(閉口)為124 ℃，黏度(40 ℃)為7.489 mm2/s，密度較大，鏈烷烴含量較低，環(huán)烷烴和芳烴含量較高，多環(huán)芳烴含量較高，預(yù)計(jì)加工難度較大。

表1 中型試驗(yàn)時(shí)SZ36-1減一線餾分油的性質(zhì)

1.2 催化劑

催化劑FHUDS-8是超深度加氫脫硫催化劑，以鉬和鎳為主要活性金屬，其主要物化性質(zhì)如表2所示。

表2 催化劑的主要物化性質(zhì)

1.3 工藝條件

通過調(diào)整空速、反應(yīng)溫度和氫油比來調(diào)節(jié)反應(yīng)效果，考察產(chǎn)品性質(zhì)能否滿足變壓器油國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2536—2011)。共進(jìn)行了4種工況條件下的試驗(yàn)，具體工況條件如表3所示。

表3 試驗(yàn)的工況條件

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

不同工況條件下的產(chǎn)品性質(zhì)如表4所示。由表4可以看出，在氫分壓為7.2 MPa、平均反應(yīng)溫度為360 ℃、氫油體積比為600、體積空速為0.6 h-1的工況4條件下的反應(yīng)效果最好：①生成油的密度(20 ℃)為0.893 2 g/cm3(0.895 g/cm3)，黏度(40 ℃)為6.317 mm2/s(12 mm2/s)，可以滿足GB 2536—2011的要求；②生成油中多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.2%，未能達(dá)到GB 2536—2011中不大于3%的要求；③生成油閃點(diǎn)(閉口)為77 ℃，較原料降低較多，這一點(diǎn)從其初餾點(diǎn)較原料的變化情況也可以看出，主要是由于反應(yīng)生成的輕組分所致，閃點(diǎn)偏低可以通過分餾過程得到解決。由上述結(jié)果可知，通過試驗(yàn)裝置驗(yàn)證，以綏中SZ36-1減一線為原料時(shí)，柴油加氫裝置具備生產(chǎn)變壓器基礎(chǔ)油的可能性，可為工業(yè)試生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

表4 不同工況條件下的產(chǎn)品性質(zhì)

2 工業(yè)試生產(chǎn)

2.1 工藝流程

2020年7月7日，在不改變工藝流程的情況下，泰州石化0.5 Mt/a柴油加氫裝置開始進(jìn)行變壓器油基礎(chǔ)油的工業(yè)試生產(chǎn)，裝置的工藝流程如圖1所示。原料油經(jīng)泵升壓，和混合氫一起經(jīng)過反應(yīng)進(jìn)料爐加熱達(dá)到預(yù)定溫度后，進(jìn)入反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過脫硫、脫氮和芳烴飽和等反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過換熱和冷卻后進(jìn)入高壓分離器和低壓分離器，然后進(jìn)入分餾系統(tǒng)進(jìn)行分離；此外，循環(huán)氫經(jīng)過脫硫系統(tǒng)脫除硫化氫后，再補(bǔ)充部分新氫，從而保證反應(yīng)器入口氫氣的純度。

圖1 泰州石化0.5 Mt/a柴油加氫裝置的工藝流程

2.2 原料及新氫性質(zhì)

試生產(chǎn)原料為SZ36-1減一線餾分油，其性質(zhì)如表5所示。由表5可以看出，原料的密度(20 ℃)為0.913 0 g/cm3，餾程為263～367 ℃，閃點(diǎn)(閉口)為130 ℃，鏈烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.8%，環(huán)烷烴和芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為87.2%，符合環(huán)烷基餾分油的特征，是較好的生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油的原料。試生產(chǎn)期間的新氫性質(zhì)如表6所示。由表6可以看出，新氫純度較高，各項(xiàng)指標(biāo)均符合柴油加氫裝置新氫原料質(zhì)量要求。

表5 試生產(chǎn)期間SZ36-1減一線餾分油的性質(zhì)

表6 試生產(chǎn)期間的新氫性質(zhì)

2.3 催化劑裝填

催化劑的裝填方式均為布袋裝填，裝填技術(shù)參數(shù)如表7所示。由表7可以看出，主催化劑總裝填量為35.5 t，保護(hù)劑總裝填量為1.71 t。

表7 催化劑裝填數(shù)據(jù)

2.4 工藝條件

試生產(chǎn)期間的工藝條件如表8所示。由表8可以看出：反應(yīng)進(jìn)料量為40 t/h，其中新鮮進(jìn)料量為25 t/h，產(chǎn)物循環(huán)量為15 t/h；反應(yīng)系統(tǒng)壓力為7.0 MPa，反應(yīng)器入口溫度為345 ℃，分餾系統(tǒng)低壓操作，壓力為0.05 MPa。

表8 工藝條件

2.5 產(chǎn)品性質(zhì)

工業(yè)試生產(chǎn)期間的產(chǎn)品性質(zhì)如表9所示。由表9可以看出，生成油的密度(20 ℃)為0.894 8 g/cm3，黏度(40 ℃)為8.653 mm2/s，閃點(diǎn)(閉口)為138 ℃，多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.9%，滿足變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 2536—2011對基本物化性質(zhì)的要求。由此可知，此柴油加氫裝置具備生產(chǎn)變壓器基礎(chǔ)油的能力，試生產(chǎn)達(dá)到了預(yù)期目的。

表9 工業(yè)試生產(chǎn)期間的產(chǎn)品性質(zhì)

3 裝置的工藝參數(shù)核算

為考察柴油加氫裝置改造生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油時(shí)汽提塔、分餾塔和換熱器等設(shè)備的適用性，泰州石化委托鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司對柴油加氫工業(yè)裝置的工藝參數(shù)進(jìn)行了核算。

3.1 汽提塔工藝參數(shù)核算

生產(chǎn)變壓器油操作工況下，汽提塔的操作參數(shù)為：進(jìn)料溫度223 ℃，塔頂壓力0.643 MPa，塔頂模擬溫度225 ℃。根據(jù)試生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)汽提蒸汽用量為1.5 t/h，汽提塔塔頂石腦油全部采出，采用HYSIS軟件進(jìn)行工藝模擬核算的結(jié)果如表10所示。經(jīng)原汽提塔內(nèi)構(gòu)件廠家根據(jù)以上數(shù)據(jù)對塔內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行核算，汽提塔內(nèi)構(gòu)件不需要更換，能夠滿足要求。

表10 汽提塔操作負(fù)荷數(shù)據(jù)的核算結(jié)果

3.2 分餾塔工藝參數(shù)核算

3.2.1分餾塔操作負(fù)荷

在分餾塔常壓操作工況下，分餾塔進(jìn)料溫度為280 ℃，塔頂壓力為0.01 MPa，塔頂模擬溫度為256 ℃，塔底溫度為325 ℃，分餾塔重沸爐熱負(fù)荷1 836 kW。

在分餾塔負(fù)壓操作工況下，分餾塔進(jìn)料溫度為280 ℃，塔頂壓力為40 kPa，塔頂模擬溫度為211 ℃，塔底溫度為292 ℃，分餾塔重沸爐熱負(fù)荷975 kW。

分餾塔共有24層塔盤，模擬計(jì)算結(jié)果如表11和表12所示。經(jīng)原塔內(nèi)構(gòu)件廠家根據(jù)以上數(shù)據(jù)對塔內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行核算，在分餾塔常壓操作工況下，分餾塔塔內(nèi)構(gòu)件不需要更換，能夠滿足要求；但在負(fù)壓操作工況下，分餾塔精餾段的1～17層塔盤需要更換。

表11 分餾塔(1～17層)操作負(fù)荷數(shù)據(jù)的核算結(jié)果

表12 分餾塔(18～24層)操作負(fù)荷數(shù)據(jù)的核算結(jié)果

3.2.2分餾塔強(qiáng)度

對設(shè)備強(qiáng)度進(jìn)行核算的結(jié)果表明，分餾塔不能進(jìn)行負(fù)壓操作(按照真空度40 kPa考慮)。若該塔按負(fù)壓工況考慮，塔設(shè)備需加設(shè)加強(qiáng)圈(間距小于3 m)且變徑段(錐殼)需要整體加厚，錐殼大端與下段筒體增加過渡段(即局部加厚筒體)。

3.3 換熱器參數(shù)

精制重油/分餾塔進(jìn)料換熱器E201的核算結(jié)果如表13所示。由表13可知，E201的熱負(fù)荷和換熱面積能滿足換熱要求，但在用于生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油時(shí)其管程、殼程操作溫度均高于裝置120%負(fù)荷下的設(shè)計(jì)溫度，經(jīng)該換熱器的生產(chǎn)廠家進(jìn)行強(qiáng)度核算，不適用于核算工況，需要更換。并且在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過程中，該換熱器的殼程操作溫度確實(shí)比設(shè)計(jì)溫度高36 ℃左右。

表13 精制重油/分餾塔進(jìn)料換熱器E201的核算結(jié)果

3.4 空氣冷卻器參數(shù)

汽提塔塔頂空氣冷卻器A201的核算結(jié)果如表14所示，分餾塔塔頂空氣冷卻器A202的核算結(jié)果如表15所示。從表14和表15可以看出，兩臺空氣冷卻器換熱性能可以滿足要求。

表14 汽提塔塔頂空氣冷卻器A201的核算結(jié)果

表15 分餾塔塔頂空氣冷卻器A202的核算結(jié)果

綜上可見，在分餾塔改為常壓操作、不考慮負(fù)壓操作工況的情況下，汽提塔及分餾塔塔內(nèi)構(gòu)件、空氣冷卻器均滿足要求，僅需更換一臺換熱器。因此，在設(shè)備改動(dòng)不大的情況下柴油加氫工業(yè)裝置即可用于生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油。

4 結(jié) 論

(1)以綏中SZ36-1減一線餾分油為原料，模擬泰州石化柴油加氫工業(yè)裝置的工藝流程，經(jīng)中型試驗(yàn)裝置驗(yàn)證，柴油加氫裝置具備生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油的可能性。

(2)工業(yè)試生產(chǎn)結(jié)果表明，在不改變原有工藝流程的情況下，經(jīng)過更換催化劑，以減一線餾分油為原料，優(yōu)化工藝操作，可使柴油加氫工業(yè)裝置具備生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油的能力，且能生產(chǎn)符合變壓器油標(biāo)準(zhǔn)(GB 2536—2011)中基本物化性質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)要求的基礎(chǔ)油產(chǎn)品。

(3)經(jīng)過對柴油加氫工業(yè)裝置的工藝參數(shù)核算，在分餾塔改常壓操作、不考慮負(fù)壓操作工況的情況下，汽提塔及分餾塔塔內(nèi)構(gòu)件、空氣冷卻器能滿足工藝要求。在設(shè)備改動(dòng)不大的情況下柴油加氫工業(yè)裝置即可用于生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油。