催化裂化裝置劑油比計(jì)算公式推導(dǎo)

楊大偉，譚衛(wèi)東，孫曉飛，劉宗強(qiáng)，谷紅銳

(1.山東駿飛環(huán)保科技有限公司，山東 淄博 255400； 2.中國石化資產(chǎn)經(jīng)營管理公司齊魯分公司，山東 淄博 2554341； 3.中國石油長慶石化公司，陜西 咸陽 712000； 4.中國石油大慶煉化分公司，黑龍江 大慶 163411； 5.東營市?？迫鹆只び邢薰?，山東 東營 257237)

催化裂化裝置在石油加工過程中占有十分重要的地位，近80%的汽油和30%以上柴油由催化裂化裝置提供，同時(shí)也是煉油企業(yè)重質(zhì)油輕質(zhì)化的核心裝置，是煉廠提高原油加工深度、生產(chǎn)高辛烷值汽油、柴油及液化氣的最重要的工藝過程[1]。在催化裂化工藝過程中劑油比參數(shù)的調(diào)整直接影響裂化深度、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性及反再系統(tǒng)的熱平衡等重要指標(biāo)，同時(shí)也是催化工藝計(jì)算的重要環(huán)節(jié)，因此對催化裂化裝置生產(chǎn)過程中進(jìn)行劑油比的監(jiān)測和跟蹤計(jì)算非常必要。目前工業(yè)催化裂化裝置計(jì)算劑油比參數(shù)，主要以熱平衡和物料平衡這兩種方法為主，兩種計(jì)算結(jié)果偏差較大，存在精度比較低[2-4]等問題。為此，賀嬌等[2]提出利用提升管出口特有的T型彎頭結(jié)構(gòu)及其壓降特性，在不改變原有提升管出口結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種可以對劑油比進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的方法。該方法需要在T型彎頭的進(jìn)口和出口的合適位置設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器，通過測量壓力獲得壓降，再通過油氣量和提升蒸汽量確定提升管油氣混合氣速度和油氣混合密度，即可計(jì)算出進(jìn)入提升管的催化劑質(zhì)量流速和劑油比。該檢測方法具有可行性和測量數(shù)據(jù)的可信性，但需獲得提升管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率測量模型，引入?yún)?shù)過多，計(jì)算復(fù)雜，對于多數(shù)裝置特別是老裝置不實(shí)用。因此推導(dǎo)出簡單易行計(jì)算方便的劑油比計(jì)算方法對催化裂化裝置特別是舊裝置工藝過程控制和調(diào)節(jié)有著十分重要的指導(dǎo)意義。本文主要利用催化裝置生焦與燒焦碳平衡推導(dǎo)劑油比計(jì)算公式。

1 計(jì)算公式推導(dǎo)

以高低并列兩段再生工藝為例(見圖1)，利用反應(yīng)系統(tǒng)生焦與再生系統(tǒng)燒焦平衡關(guān)系推導(dǎo)劑油比計(jì)算公式。

圖1 FCC反再系統(tǒng)工藝圖Figure 1 Process diagram of FCC reaction regeneration system

設(shè)定裝置總進(jìn)料量為M1,t·h-1；裝置原料生焦量為M2,t·h-1；原料生焦率為c1；裝置再生器進(jìn)入提升管再生劑循環(huán)量為G1,t·h-1；裝置沉降器進(jìn)入燒焦罐待生劑循環(huán)量為G2,t·h-1；裝置出沉降器待生劑的含碳量為c2；裝置提升管劑油比為ξ。

單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)料和生焦量存在如下關(guān)系：

M2=M1×c1

式①

正常平穩(wěn)生產(chǎn)過程反再系統(tǒng)燒焦罐、再生器、沉降器等催化劑循環(huán)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，汽提段、再生器催化劑藏量穩(wěn)定不變，即進(jìn)入提升管的再生劑單位時(shí)間循環(huán)量等于沉降器進(jìn)入燒焦罐待生劑的循環(huán)量，即存在如下關(guān)系：

G1=G2

式②

同理，在反再系統(tǒng)催化劑循環(huán)量處于動態(tài)平衡過程中，出沉降器的待生劑單位時(shí)間所含的焦炭量與裝置小時(shí)生焦量存在如下關(guān)系：

M2=G2×c2

式③

由式②和式③可以得到：

G2×c2=G1×c2=M2

式④

由式①和式④可以得到：

G1×c2=M2=M1×c1

式⑤

由式⑤可以得到：

G1=M1×c1/c2

式⑥

劑油比即為單位時(shí)間進(jìn)入提升管中的再生劑與總進(jìn)料的比值，即：

ξ=G1/M1=(M1×c1)/(c2× M1)=c1/c2

式⑦

最終得到劑油比的計(jì)算公式，即裝置總進(jìn)料小時(shí)生焦率與待生劑含碳量的比值，而c1和c2在生產(chǎn)過程中較容易檢測。

2 應(yīng)用討論

2.1 公式意義

由最終得出的劑油比公式⑦可以看出，其意義為單位時(shí)間總進(jìn)料進(jìn)入提升管反應(yīng)器經(jīng)過催化裂化后轉(zhuǎn)化為焦炭的質(zhì)量百分占比與待生催化劑上含碳量的比值，與進(jìn)料量、壓力、溫度等參數(shù)無直接關(guān)系，只與原料轉(zhuǎn)化為最終燃燒的焦炭量和待生劑的含碳量有關(guān)。劑油比即單位時(shí)間進(jìn)入提升管中的再生劑與總進(jìn)料的比值，但公式⑦反映了劑油比的本質(zhì)意義，即進(jìn)入提升管中的總進(jìn)料經(jīng)過催化反應(yīng)后轉(zhuǎn)換為可燒焦的焦量相對總進(jìn)料的占比與同時(shí)進(jìn)入提升管反應(yīng)器參與總進(jìn)料催化反應(yīng)的催化劑轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷦┖剂康谋戎怠?/p>

2.2 公式討論

依據(jù)公式⑦，計(jì)算出催化裂化產(chǎn)品中的生焦率和測定待生劑的含碳量是計(jì)算裝置劑油比的關(guān)鍵，劑油比數(shù)值的準(zhǔn)確性與催化產(chǎn)品中的生焦率計(jì)算和待生劑含碳量測定的準(zhǔn)確性有直接關(guān)系。公式⑦中產(chǎn)品生焦率的計(jì)算只與原料轉(zhuǎn)化為最終燃燒的焦炭量和待生劑的含碳量有關(guān)，與進(jìn)入油氣中可汽提的焦碳量無關(guān)。相比目前多數(shù)催化裂化裝置采用熱平衡法計(jì)算公式[5]，公式⑦引入的參數(shù)較少，推斷與實(shí)際誤差相對較小。而通過熱平衡法計(jì)算劑油比因引用了溫度、熱量等參數(shù)，增加了最終結(jié)果的誤差。因此目前不管哪種方法計(jì)算的劑油比均與實(shí)際有偏差，具體偏差多少現(xiàn)階段仍不能確定，各有優(yōu)缺點(diǎn)，只能通過不同方式計(jì)算的結(jié)果相互對比參考。但通過公式⑦計(jì)算簡單靈活方便，對催化現(xiàn)場工藝管理者特別老裝置有很大的指導(dǎo)意義。

隨著煉化企業(yè)智能化程度的不斷提高[6]，目前國內(nèi)的催化裝置基本配備實(shí)時(shí)在線催化煙氣檢測，通過對催化煙氣檢測直接計(jì)算顯示實(shí)時(shí)催化產(chǎn)品生焦率，因此各裝置對生焦率的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性較高。同時(shí)待生劑含碳量的測定可通過定碳儀準(zhǔn)確測定，結(jié)果較為準(zhǔn)確。通過取一天內(nèi)生焦率、待生劑含碳量多個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，可以最大程度減少公式⑦計(jì)算結(jié)果的誤差。

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

為了對比公式⑦與熱平衡法計(jì)算的結(jié)果，對國內(nèi)多套不同原料、不同結(jié)構(gòu)的催化裝置進(jìn)行了劑油比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比，數(shù)據(jù)采用24 h內(nèi)多個(gè)數(shù)值的均值，結(jié)果如表1。

表1 不同計(jì)算方式劑油比數(shù)值

由表1可以看出，12套不同結(jié)構(gòu)、不同原料的催化裝置通過兩種公式計(jì)算的劑油比結(jié)果絕對誤差較小，最小的絕對誤差值為0.1，最大的相對誤差絕對值為0.21，且兩種公式計(jì)算的劑油比相對誤差之和的絕對值僅為0.07，雖然不同方式計(jì)算的結(jié)果存在誤差，最終相對誤差的平均值較小，說明公式⑦計(jì)算得劑油比值具有簡單、可靠和可行性強(qiáng)特點(diǎn)。

3 結(jié) 論

(1)推導(dǎo)的劑油比公式表明，劑油比的本質(zhì)意義即進(jìn)入提升管中的總進(jìn)料經(jīng)過催化反應(yīng)后轉(zhuǎn)換為可燒焦的焦量相對總進(jìn)料的占比與同時(shí)進(jìn)入提升管反應(yīng)器參與總進(jìn)料催化反應(yīng)的催化劑轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷦┑暮剂康谋戎?，反映了單位催化劑上有多少原料進(jìn)行反應(yīng)并在其上沉積焦炭。

(2)利用催化裝置生焦燒焦碳平衡推導(dǎo)出催化裂化裝置劑油比計(jì)算公式，簡單可靠，可行性強(qiáng)，對催化裂化工藝現(xiàn)場管理有重要實(shí)際指導(dǎo)意義。