旋流快分與環(huán)流汽提耦合技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江　大慶　163711)

長(zhǎng)期以來，我國(guó)引進(jìn)國(guó)外各大公司如UOP公司、Stone & Webster公司開發(fā)的閉式直聯(lián)[1]和VDS、VSS技術(shù)[2-4]、Rams horn技術(shù)[5]等支付了高昂的專利使用費(fèi)，不但極大增加了煉油行業(yè)負(fù)擔(dān)，而且極不利于國(guó)家的能源安全。為改變這一現(xiàn)狀，我國(guó)學(xué)者展開了大量研究工作，開發(fā)并形成了一系列催化裂化提升管出口快分技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化[6-8]。工業(yè)化結(jié)果顯示，系列快分技術(shù)有效減少了二次反應(yīng)和過裂化反應(yīng)，大大抑制了后反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)焦現(xiàn)象，具有顯著的效果。

某140萬t/年重油催化裂化聯(lián)合裝置由北京設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，采用反應(yīng)-再生并列式布置形式，設(shè)內(nèi)提升管反應(yīng)器，提升管出口設(shè)置粗旋快分，再生器為重疊式兩段逆流再生的結(jié)構(gòu)，采用不完全再生技術(shù)，主要加工來自二次加工裝置的蠟油及減壓渣油，摻渣比為60%。該裝置于2000年5月投料生產(chǎn)，2008年又對(duì)裝置進(jìn)行了多產(chǎn)異構(gòu)烷烴的催化裂化(MIP)工藝技術(shù)改造，采用配套CGP-C催化劑。2015年7月采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)研發(fā)的SVQS旋流快分系統(tǒng)和MSCS高效汽提系統(tǒng)專利技術(shù)對(duì)裝置改造。

1　裝置沉降器及汽提段存在的問題

裝置曾多次因沉降器內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重，焦塊脫落而導(dǎo)致流化中斷、跑劑等致使非計(jì)劃停工。2008年～2015年期間，因沉降器內(nèi)結(jié)焦問題裝置非計(jì)劃停工三次(2010年、2012年、2014年)，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。沉降器內(nèi)旋風(fēng)形式采用常規(guī)的粗旋+頂旋，粗旋出口至頂旋入口距離較遠(yuǎn)，油氣直接進(jìn)入龐大的沉降器空間，在沉降器內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，繼續(xù)反應(yīng)時(shí)間達(dá)10～20 s；沉降器內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重(如圖1所示)，汽提段使用常規(guī)的錐盤式擋板形式(如圖2所示)，存在以下幾方面不足：(1)汽提段高度不夠，僅為7.4 m，小于國(guó)內(nèi)常規(guī)的汽提段高度(約9～10 m)，導(dǎo)致汽提擋板數(shù)量偏少；(2)汽提擋板角度設(shè)計(jì)不合理，板角度較大，使每組錐盤擋板的距離增大，不僅降低提升管有效長(zhǎng)度，同時(shí)也易引發(fā)催化劑和蒸汽在流動(dòng)中走短路。(3)在長(zhǎng)度分別為1 040 mm和767 mm的錐和盤上只布置了2排開孔，顯然是過少了，沒有充分利用錐、盤表面的高效接觸區(qū)，很難高效的置換出待生劑微孔內(nèi)外的油氣[ [9]。

圖1　2014年翼閥被焦塊堵塞情況

圖2　沉降器及汽提段結(jié)構(gòu)圖

2　裝置改造方案

本次改造采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)提供的SVQS+MSCS技術(shù)，將原提升管出口兩個(gè)粗旋換為SVQS旋流快分系統(tǒng)，SVQS旋流快分系統(tǒng)內(nèi)件支撐依托沉降器及提升管反應(yīng)器殼體。同時(shí)將四個(gè)沉降器頂旋風(fēng)分離器進(jìn)行核算更新；同時(shí)汽提段底部分布器更新，一段高效錯(cuò)流擋板下面設(shè)置一個(gè)汽提蒸汽分布器，原汽提段中部增設(shè)導(dǎo)流筒分布器。采用12 mm厚高效錯(cuò)流擋板，汽提段材質(zhì)：0Cr18Ni9。汽提段改造部分共新增金屬質(zhì)量為10.5 t。

2.1　SVQS旋流快分系統(tǒng)改造

提升管出口大量的反應(yīng)油氣與催化劑的混合物從3個(gè)旋流頭噴出，在封閉罩內(nèi)形成旋流并快速分離。旋流頭分離下來夾帶油氣的催化劑沿封閉罩的內(nèi)壁流入下部預(yù)汽提段，預(yù)汽提后進(jìn)入汽提段汽提。混有少部分催化劑的油氣在封閉罩上部經(jīng)導(dǎo)流管直接進(jìn)入頂部旋風(fēng)分離器分離。為了防止在封閉罩外的油氣停留時(shí)間過長(zhǎng)而結(jié)焦，在封閉罩上部承插式導(dǎo)流管下部設(shè)置4根平衡管(引流管)，引走在封閉罩外稀相空間的油氣。旋流頭+導(dǎo)流管+環(huán)形擋板三位一體的結(jié)構(gòu)，使沉降器稀相空間的油氣量大大降低。減少了由于催化劑與反應(yīng)產(chǎn)物長(zhǎng)時(shí)間接觸和長(zhǎng)時(shí)間滯留引起的過裂化反應(yīng)，可有效降低沉降器內(nèi)的結(jié)焦，同時(shí)使進(jìn)一步增加液收，改善產(chǎn)品分布[10]，SVQS的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3　SVQS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2　MSCS高效汽提系統(tǒng)改造

MSCS新型高效組合式多段環(huán)流汽提器分為兩個(gè)部分：上部的高效錯(cuò)流擋板汽提和下部的高效環(huán)流汽提(如圖4所示)。高效錯(cuò)流擋板汽提的主要作用是汽提掉待生劑空隙間夾帶的油氣，而環(huán)流汽提部分則是高效置換待生劑微孔內(nèi)吸附的油氣。MSCS系統(tǒng)上半部催化劑在錐和盤之間呈“S”形流動(dòng)，在擋板上汽提蒸汽和待生催化劑進(jìn)行錯(cuò)流流動(dòng)。通過優(yōu)化擋板角度、擋板上的開孔數(shù)、開孔位置和開孔大小，以及在裙邊上加設(shè)噴嘴，有效消除了擋板上方、下方的空隙，提高了汽提器的空間利用率?？s短擋板之間的間距，不但加強(qiáng)了汽固之間的接觸，而且延長(zhǎng)了汽固接觸時(shí)間。MSCS系統(tǒng)下半部[11]借鑒氣液環(huán)流原理，采用高效環(huán)流汽提技術(shù)[7]：通過調(diào)整進(jìn)入環(huán)流汽提器內(nèi)外蒸汽量，使內(nèi)環(huán)中的催化劑密度遠(yuǎn)小于外環(huán)的催化劑密度，依靠密度差推動(dòng)催化劑由外環(huán)底部進(jìn)入內(nèi)環(huán)，再由內(nèi)環(huán)頂部進(jìn)入外環(huán)，這樣的不斷循環(huán)，使待生催化劑不斷和新鮮蒸汽接觸，大大增加了待生催化劑與新鮮蒸汽的接觸時(shí)間，進(jìn)而提高汽固間的接觸效率。提高了目的產(chǎn)品收率、降低了焦炭產(chǎn)率，同時(shí)也降低了再生器的燒焦負(fù)荷。實(shí)現(xiàn)了增加目的產(chǎn)品收率和裝置節(jié)能的雙重效益。

圖4　MSCS高效汽提系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3　標(biāo)定結(jié)果與討論

2015年7月裝置SVQS旋流快分系統(tǒng)和MSCS高效汽提系統(tǒng)改造后，8月3日開車一次成功。2015年11月對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定，裝置在改造后標(biāo)定期間，工藝操作運(yùn)行平穩(wěn)，滿足生產(chǎn)要求；標(biāo)定期間物料平衡，裝置加工損失率符合指標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量100%合格。

3.1　混合原料性質(zhì)

隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的增加，裝置的產(chǎn)品收率和分布會(huì)發(fā)生變化，為客觀體現(xiàn)出本次改造的效果，將本次改造數(shù)據(jù)與2014年剛開工時(shí)的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。表1列出了裝置改造前(空白標(biāo)定，下同)和改造后(改造標(biāo)定)混合原料的性質(zhì)?？梢钥闯?014年標(biāo)定混合原料密度平均值為907.3 kg/m3，混合原料殘?zhí)科骄禐?.55%；而本次標(biāo)定混合蠟油中無減二線油，混合原料密度平均值為909.1 kg/m3，混合原料殘?zhí)科骄禐?.552%，裝置改造前后混合原料性質(zhì)基本相近。

表1裝置改造前后混合原料性質(zhì)對(duì)比

性質(zhì)空白標(biāo)定改造標(biāo)定ρ(20℃)/kg·m-3907.3909.1餾程/℃初餾點(diǎn)<257<2575%41942110%43743730%51752350%>557>557w(殘?zhí)?/[%]5.5505.552w(總硫)/[%]0.1620.192凝固點(diǎn)/℃4137總氮含量/μg·g-11 650.73 339.4Fe/μg·g-12.903.04Ni/μg·g-13.463.33Cu/μg·g-10.440.21Na/μg·g-10.832.18

3.2　主要操作條件

表2給出了本次標(biāo)定時(shí)典型的操作數(shù)據(jù)。為使評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀，本次標(biāo)定操作條件盡量與2014年標(biāo)定時(shí)一致，裝置處理量、兩器差壓、防焦蒸汽量、預(yù)提升干氣量等基本沒有變化[13]。

表2裝置改造前后反應(yīng)-再生部分主要操作參數(shù)對(duì)比

序號(hào)參數(shù)名稱2014年標(biāo)定2015年改造標(biāo)定1處理量/t·h-1176.5175.32沉降器頂壓(表)/MPa0.2360.1993防焦蒸汽用量/t·h-11.01.04提升管出口溫度/℃483.54965提升管底部溫度/℃6506576旋流頭壓降/kPa—8.27汽提蒸汽用量(含底部流化蒸汽)/t·h-14.55.058汽提段溫度/℃4894939汽提段藏量/t—4610再生器頂壓 (表)/MPa0.2590.22111一再稀相溫度/℃697.268112一再密相溫度/℃696.667913一再藏量/t15113714二再密相溫度/℃652.365115二再藏量/t16.813.216主風(fēng)溫度/℃23113417主風(fēng)機(jī)出口流量/Nm3·min-12 4312 13818待生劑定碳/w%—1.2619再生劑定碳/w%—0.1620催化劑循環(huán)量/t·h-11 353.451 237.76

由于加工方案限制，本次標(biāo)定時(shí)提升管出口溫度比2014年標(biāo)定時(shí)高12.5℃。由表2可以看出，第二再生器密相溫度并不高，只有651 ℃左右，這種操作的初衷在于盡量提高催化劑循環(huán)量，以獲得更好的產(chǎn)品收率。但其也存在一定的弊端，再生溫度低容易造成再生效果差、再生劑定碳高、催化劑活性低的問題。由表2可以看出，改造后二再密相溫度變化不大，但是一再密相溫度有顯著的降低，降幅達(dá)到17.6℃，說明由于反應(yīng)部分實(shí)現(xiàn)了“三快”和“兩高”，熱裂化反應(yīng)和二次反應(yīng)大大減少，再加上高效汽提技術(shù)將夾帶油氣和可汽提焦充分置換出來，大大減小了帶入再生器的焦炭量，因此再生器不需要維持很高的再生溫度，就可以實(shí)現(xiàn)較好的再生效果，表2顯示本次標(biāo)定再生劑定碳僅為0.16%。

重油催化裝置噸循環(huán)催化劑的汽提蒸汽用量一般在4.2 kg左右，本次標(biāo)定催化劑循環(huán)量為1237.8 t/h，按此估算汽提蒸汽量應(yīng)該在5.2 t/h左右，由于采用了MSCS高效汽提技術(shù)，汽提蒸汽量只有5.05 t/h，折合4.08 (kg蒸汽)/(t循環(huán)催化劑)，考慮到其中還有0.69 t/h的蒸汽為汽提段底部流化蒸汽，雖進(jìn)入了汽提段，但由于分布較差，汽提作用有限，實(shí)際參與高效汽提的蒸汽量更少。

3.3　產(chǎn)物分布

表3列出了裝置改造前后的物料平衡和產(chǎn)物收率。

表3標(biāo)定期間物料平衡

序號(hào)物料名稱空白標(biāo)定改造標(biāo)定收率/w%/kg·h-1104t/a收率/w%/kg·h-1104t/a一、原料1蠟油39.9970 40956.3340.1970 45856.372渣油60.01105 63684.5160.29105 70884.57合計(jì)100.00176 045140.84100.48175 333140.27二、產(chǎn)品1干氣3.436 0454.842.854 9974.002損失0.173030.250.172970.253液化石油氣21.8238 40930.7319.8034 71627.774汽油41.6773 36458.6942.0973 79859.045輕柴油15.5227 31821.8519.6834 50627.606重柴油4.007 0455.642.885 0504.047油漿4.237 4555.964.287 5046.008焦碳9.1516 10612.888.2514 46511.57合計(jì)100.00176 045140.84100.00175 333140.27

由表3可以看出，由于反應(yīng)系統(tǒng)采用了SVQS后反應(yīng)系統(tǒng)和MSCS高效汽提技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了“三快”和“兩高”，熱裂化反應(yīng)和二次反應(yīng)大大減少。與2014年標(biāo)定結(jié)果相比，本次改造效果極為顯著：改造后干氣產(chǎn)率降低0.58%，降低幅度超過設(shè)計(jì)指標(biāo)(干氣產(chǎn)率降低0.3%)，焦碳收率降低0.9%，降低幅度大大超過指標(biāo)(焦碳收率降低0.35%)，輕質(zhì)油收率(汽油+輕柴油+重柴油)由改造前的61.19%增加至64.65%，增加了3.46%，其中汽油增加了0.42%，輕柴油增加了4.16%，重柴油降低了1.12%。液收由改造前的83.01%增加至84.45%，增加了1.44%。

3.4　產(chǎn)品質(zhì)量

表4列出了裝置改造前后穩(wěn)定汽油的產(chǎn)品質(zhì)量。

表4裝置改造前后穩(wěn)定汽油產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比

性質(zhì)空白標(biāo)定改造標(biāo)定ρ(20 ℃)/kg·m-3712.1708.1終餾點(diǎn)189.5191.5馬達(dá)法辛烷值(MON)80.380.1研究法辛烷值(RON)90.990.7蒸汽壓/kPa59.957.3φ(烯烴)/[%]36.641.5φ(芳烴)/[%]12.410.0

由表4可見，裝置改造后穩(wěn)定汽油產(chǎn)品中烯烴體積分?jǐn)?shù)為41.5%，芳烴體積分?jǐn)?shù)為10.0%，RON值為90.7，產(chǎn)品質(zhì)量合格，與改造前對(duì)比變化不大。待生劑H/C(質(zhì)量比)由0.097降低至0.077，下降了21%，滿足改造要求值(降低幅度大于15%)。

3.5　裝置能耗分析

表5給出了改造前后裝置能耗的變化，本次改造不僅進(jìn)行了反應(yīng)系統(tǒng)的改造，還進(jìn)行了煙氣凈化裝置的改造，為客觀顯示反應(yīng)系統(tǒng)改造前后能耗的變化，本文給出的能耗計(jì)算值已經(jīng)扣除了煙氣凈化裝置增加的能耗。從裝置標(biāo)定能耗數(shù)據(jù)可看出，本次標(biāo)定能耗為38.72 kgoe/t，比2014年標(biāo)定39.16 kgoe/t低1.00 kgoe/t(不含煙機(jī)發(fā)電量)。

表5改造前后裝置能耗的對(duì)比

序號(hào)項(xiàng)目能耗指標(biāo)標(biāo)定期間處理量175.333 t/h2015年標(biāo)定單位能耗/2014年標(biāo)定單位能耗/2015年與2014年對(duì)比/單位 耗量 單位 耗量kgoe·t-1kgoe·t-1kgoe·t-11新鮮水kgoe/t0.17t/h0.540.000 50.003 9-0.003 42循環(huán)水kgoe/t0.1t/h5 110.222.912.780.133除鹽水kgoe/t2.3t/h112.541.481.470.014電kgoe/kW·h0.233 8kW·h/h3 323.114.434.420.015蒸汽1.0 MPakgoe/t76t/h-50.29-21.80-13.94-7.866蒸汽3.6 MPakgoe/t88t/h-28.50-14.30-35.0920.797瓦斯kgoe/t950t/h0.2881.561.5608催化燒焦kgoe/t912t/h13.99272.7886.91-14.139外輸熱MJ/h-65 349.1-8.90-8.960.06合計(jì)38.7239.16-1.00

4　結(jié)論

某1.4 Mt/a RFCC裝置沉降器結(jié)焦嚴(yán)重、制約裝置長(zhǎng)周期正常運(yùn)轉(zhuǎn)、產(chǎn)品收率低的問題，對(duì)裝置后反應(yīng)系統(tǒng)和汽提段進(jìn)行了分析，找到了導(dǎo)致結(jié)焦和產(chǎn)品收率低的原因，采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)SVQS后反應(yīng)系統(tǒng)和MSCS高效汽提技術(shù)對(duì)裝置進(jìn)行了改造，對(duì)改造標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了分析并得出以下結(jié)論：

(1)旋流快分與環(huán)流汽提耦合工藝運(yùn)行平穩(wěn)、產(chǎn)品質(zhì)量無變化。沉降器內(nèi)結(jié)焦傾向減少，裝置抗波動(dòng)能力提高，滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。油漿中固含量滿足指標(biāo)≤6 g/L要求。事故狀態(tài)下，沒有出現(xiàn)大量跑劑現(xiàn)象。

(2)采用SVQS后反應(yīng)系統(tǒng)和MSCS組合汽提技術(shù)改造后效果極為顯著，輕質(zhì)油收率增加3.46%，液體收率增加1.44%，焦炭產(chǎn)率降低1.43%，大大提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。