大型催化裂化裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力分析與探討

許 日

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

催化裂化裝置系統(tǒng)壓力是裝置運(yùn)行最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一。自?？松居?942年建設(shè)了全球首套流化催化裂化裝置以來(lái)，系統(tǒng)壓力呈上升趨勢(shì)。催化裂化裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定反應(yīng)器和再生器的壓力，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)產(chǎn)品分布或?qū)＠夹g(shù)的要求確定反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，再進(jìn)一步確定再生時(shí)間及再生器中催化劑藏量。同時(shí)根據(jù)工藝參數(shù)，在設(shè)備材質(zhì)選擇方面需進(jìn)一步確定反應(yīng)器和再生器承壓能力、旋風(fēng)分離器及第三級(jí)旋風(fēng)分離器的規(guī)格和數(shù)量、主風(fēng)機(jī)的規(guī)模和壓力等級(jí)、煙機(jī)的規(guī)模等。反之，因煙機(jī)、主風(fēng)機(jī)、氣壓機(jī)等設(shè)備在大型化時(shí)制造能力受限，又影響著催化裂化裝置系統(tǒng)壓力的確定。

催化裂化裝置中反應(yīng)器和再生器的壓力及壓差因其結(jié)構(gòu)類型不同而不同。設(shè)計(jì)時(shí)首先確定再生器的壓力，進(jìn)而確定反應(yīng)器壓力。再生壓力提高在動(dòng)力學(xué)方面有利于燒焦，提高了單位體積再生處理能力，也有利于煙氣壓力能的回收；反應(yīng)壓力提高，即提高富氣壓縮機(jī)入口壓力及負(fù)荷，能夠降低能耗；反應(yīng)-再生系統(tǒng)壓力提高均有利于增加處理能力，節(jié)省投資。但提高壓力也有不利的一面，在反應(yīng)時(shí)間和溫度不變時(shí)，將提高轉(zhuǎn)化率，不同程度地增加干氣和焦炭產(chǎn)率，降低油漿產(chǎn)率，總液體收率會(huì)稍有降低。因此，在催化裂化裝置系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要科學(xué)地對(duì)設(shè)計(jì)壓力下的反應(yīng)溫度和時(shí)間進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)核算。

1 系統(tǒng)壓力對(duì)催化裂化工藝過(guò)程的影響

1.1 對(duì)催化裂化裝置能耗的影響

提高催化裂化裝置系統(tǒng)壓力，基準(zhǔn)能耗呈較大幅度降低的趨勢(shì)，研究表明，對(duì)于大、中規(guī)模裝置，當(dāng)反應(yīng)壓力從0.125 MPa提高至0.247 MPa時(shí)，基準(zhǔn)能耗下降245 MJ/t[1]，約占總能耗(1 730 MJ/t)的14%。

1.1.1 對(duì)煙機(jī)能量回收的影響 煙機(jī)是催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，是煉油廠節(jié)能潛力最顯著的大型機(jī)組，并直接關(guān)系到裝置的整體能耗水平，提高煙機(jī)回收功率，對(duì)于降低裝置總能耗起著關(guān)鍵作用。

大、中型催化裂化裝置均配置煙機(jī)，為實(shí)現(xiàn)高的煙氣能量回收效率，應(yīng)采用高的再生壓力。選取某特大型5.0 Mt/a催化裂化裝置為例，其再生器為兩段富氧快速床形式，計(jì)算了不同壓力下主風(fēng)機(jī)、煙機(jī)的功率[2]，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：隨著壓力提高，主風(fēng)機(jī)耗功與煙機(jī)回收功率的差值增大，即主風(fēng)機(jī)和煙機(jī)的總體能耗降低；主風(fēng)機(jī)出口壓力由0.24 MPa增至0.40 MPa時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)電量(按煙機(jī)與主風(fēng)機(jī)功率差值計(jì))由3 307 kW增至7 427 kW，節(jié)電4 120 kW，能耗降低94.16 MJ/t，占裝置總能耗的5.44%，較大幅度降低了能耗和運(yùn)行成本。

表1 某5.0 Mt/a催化裂化裝置在不同壓力下的機(jī)組功率

注：主風(fēng)機(jī)機(jī)械效率取97.5%，傳動(dòng)效率取95.5%，生焦率按7.5%計(jì)，主風(fēng)-煙氣線路壓降按90 kPa計(jì)，煙機(jī)排氣壓力按9 kPa計(jì)。

選取6套大型或特大型催化裂化裝置的設(shè)計(jì)、標(biāo)定數(shù)據(jù)，比較其系統(tǒng)壓力和煙機(jī)功率的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表2[3]。由表2中D與F兩套裝置數(shù)據(jù)可知，燒焦和主風(fēng)負(fù)荷基本一致，且均為兩段貧氧常規(guī)再生，但兩套裝置的再生壓力差距較大，分別為0.179 MPa和0.290 MPa，煙機(jī)回收額定功率分別為19 MW和31 MW，主風(fēng)機(jī)功耗分別為23.903 MW和28.324 MW，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電機(jī)供電分別為4 903 kW和-2 676 kW，耗電差為7 579 kW，機(jī)組能耗差距為173.2 MJ/t，約占裝置總能耗的10%。

對(duì)于裝置B，其主風(fēng)機(jī)出口壓力高達(dá)0.39 MPa，煙機(jī)選用YL33 000A較為合適，但煙機(jī)-主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)壓降較大，為195 kPa，煙機(jī)入口壓力低，造成煙機(jī)的能力冗余，與主風(fēng)機(jī)和電機(jī)功率不匹配。

與兩段重疊貧氧湍流床常規(guī)再生方式的裝置B，D，F(xiàn)相比，裝置A，C，E均為兩段重疊富氧快速床再生，主風(fēng)-煙氣系統(tǒng)的壓降低，為85～90 kPa，在加工或燒焦負(fù)荷和系統(tǒng)壓力相同的情況下，該流程主風(fēng)-煙機(jī)機(jī)組的能耗較低。

表2 6套大型或特大型裝置的設(shè)計(jì)或標(biāo)定數(shù)據(jù)

1.1.2 對(duì)富氣壓縮機(jī)消耗功率的影響 因維持反應(yīng)器和再生器之間催化劑的正常循環(huán)，需保持兩器的壓力平衡，反應(yīng)壓力和富氣壓縮機(jī)入口壓力隨再生壓力同步升高。同時(shí)因系統(tǒng)壓力的提高，油氣在系統(tǒng)中的體積減小、流速降低、總壓降減小，從而進(jìn)一步提高了壓縮機(jī)入口壓力，在出口壓力不變的情況下，降低了壓縮比，將會(huì)大幅降低富氣壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗。某4.8 Mt/a重油催化裂化裝置的富氣壓縮機(jī)的功耗隨反應(yīng)壓力的變化見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，該裝置反應(yīng)壓力由0.22 MPa增至0.30 MPa時(shí)，富氣壓縮機(jī)節(jié)電1 148 kW，能耗降低26.24 MJ/t，約占裝置總能耗的1.5%。

表3 某4.8 Mt/a 重油催化裂化裝置在不同反應(yīng)壓力下的富氣壓縮機(jī)功耗

1.1.3 對(duì)分餾系統(tǒng)取熱分布的影響 催化裂化系統(tǒng)壓力提高后，達(dá)到同樣分離效果時(shí)，分餾塔中、上部溫度會(huì)小幅上升，取熱位置上移，低溫位取熱負(fù)荷增加，不利于取熱分布和節(jié)能。若與其他裝置進(jìn)行熱聯(lián)合，合理回收低溫位熱源，提高回收率，則能夠?qū)⒎逐s系統(tǒng)的熱能損失降到很小程度。

1.1.4 對(duì)焦炭能耗的影響 反應(yīng)壓力對(duì)干氣、焦炭產(chǎn)率的影響見(jiàn)表4[4]。由表4可見(jiàn)，提高反應(yīng)壓力使生焦率微弱上升，反應(yīng)壓力由0.18 MPa提高至0.34 MPa時(shí)，焦炭產(chǎn)率增加0.894百分點(diǎn)。

表4 干氣、焦炭產(chǎn)率隨反應(yīng)壓力的變化趨勢(shì)

焦炭是裝置的隱形能耗，表現(xiàn)在反應(yīng)需熱和燒焦余熱未回收部分。但由于燒焦時(shí)溫度高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮高溫位熱回收，如設(shè)置外取熱器，產(chǎn)生中、高壓飽和蒸汽，并設(shè)置內(nèi)取熱器以加熱低壓蒸汽，通過(guò)煙氣輪機(jī)進(jìn)行煙氣高溫壓力能和高溫顯熱的余熱回收。經(jīng)高溫?zé)崮芎蛪毫δ芑厥蘸?，煙氣降溫、降壓?60 ℃和10 kPa左右排放所攜帶能量作為燒焦能量消耗。

對(duì)于采取完全再生模式的5.0 Mt/a 重油催化裂化裝置，滿負(fù)荷主風(fēng)量為8 550 m3/min，出口壓力為0.365 MPa，主風(fēng)和排煙溫度分別為250 ℃和160 ℃，主風(fēng)和煙氣焓值隨溫度和含濕量的升高而加大，空氣、煙氣在各自溫度下的焓值分別為290.75 kJ/kg和232.6 kJ/kg[5]，此時(shí)計(jì)算得煙氣排放能耗為-0.397 MJ/t，即隨系統(tǒng)壓力提高，生焦率和主風(fēng)負(fù)荷增加及供風(fēng)溫度提高，排煙溫度不變，燒焦主風(fēng)至煙氣排放的風(fēng)-煙線路本身能耗呈減少趨勢(shì)，同時(shí)煙機(jī)組因增大主風(fēng)量而降低功耗，因而焦炭能耗隨系統(tǒng)壓力的增高而降低。

就現(xiàn)今裝置設(shè)計(jì)，焦點(diǎn)應(yīng)關(guān)注能量回收系統(tǒng)的科學(xué)合理性，生焦率增加本身并未增加能耗，因反應(yīng)需熱、散熱及排煙能耗是不可避免的，也基本保持不變。因此，隨系統(tǒng)壓力升高，主風(fēng)溫度、生焦率、主風(fēng)量及煙機(jī)組回收功率均增高，而最終會(huì)使能耗降低。

1.2 對(duì)裝置加工負(fù)荷的影響——再生燒焦速率或強(qiáng)度

根據(jù)燒焦動(dòng)力學(xué)，燒焦反應(yīng)速率為：

dC/dt=kpO2C

(1)

式中：C為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；t為反應(yīng)時(shí)間，min；k為反應(yīng)速率常數(shù)，kPa-1·min-1；pO2為氧分壓，kPa。其中，pO2是再生壓力與氧濃度的乘積，氧濃度為進(jìn)、出氧含量的對(duì)數(shù)平均值且不隨壓力而變化。燒焦速率與氧分壓和再生壓力成正比。

若再生器藏量或燒焦時(shí)間不變，提高壓力即提高燒焦速率或強(qiáng)度，可提高裝置加工負(fù)荷。提高燒焦速率，在相同燒焦溫度下縮短了燒焦時(shí)間，即降低了再生器總藏量，提高了兩器催化劑循環(huán)率，減少了催化劑在高溫再生狀態(tài)下的時(shí)間，可降低失活速率，最終提高了催化劑的利用率——系統(tǒng)內(nèi)催化劑在使用壽命內(nèi)的兩器循環(huán)頻次，降低裝置運(yùn)行成本。

對(duì)于新建裝置，可一步到位提高系統(tǒng)壓力以提高裝置再生能力和加工規(guī)模；對(duì)現(xiàn)有裝置可在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)盡量提高壓力，不同程度地提高裝置加工負(fù)荷并降低能耗。

1.3 對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響——轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)品收率

在催化裂化反應(yīng)過(guò)程中，提高反應(yīng)壓力，即提高油氣分壓，有利于吸附，不利于脫附，將加快催化裂化反應(yīng)速率，在常規(guī)反應(yīng)溫度(505～515 ℃)和時(shí)間(2～4 s)下，使得轉(zhuǎn)化率增高。催化裂化反應(yīng)是分子數(shù)增加的反應(yīng)，提高反應(yīng)壓力，導(dǎo)致汽油、液化氣產(chǎn)率降低，汽油辛烷值降低，烯烴含量下降，安定性提高；并強(qiáng)化了雙分子反應(yīng)機(jī)理的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)，導(dǎo)致焦炭產(chǎn)率增加[6]。

由表4可見(jiàn)，在其他參數(shù)不變的條件下，提高壓力使干氣、焦炭產(chǎn)率增高，輕油收率略有下降，是其不利的一面，但會(huì)降低汽油烯烴含量，提高安定性，適合燃油新標(biāo)準(zhǔn)。因轉(zhuǎn)化率及干氣和焦炭產(chǎn)率受反應(yīng)壓力、溫度和時(shí)間3個(gè)主要參數(shù)的共同影響，可在已確定的設(shè)計(jì)壓力下，適當(dāng)調(diào)整反應(yīng)溫度和時(shí)間，維持理想的反應(yīng)深度和產(chǎn)品分布，保持輕油收率，在工業(yè)裝置上是可實(shí)現(xiàn)的。

2 設(shè)備制造對(duì)催化裂化裝置系統(tǒng)壓力的影響

2.1 機(jī)械設(shè)備制造的限制

提高催化裂化裝置系統(tǒng)壓力，對(duì)主風(fēng)機(jī)和煙機(jī)制造提出更高的要求，會(huì)受到國(guó)內(nèi)外制造能力的限制；而對(duì)于富氣壓縮機(jī)、蒸汽輪機(jī)，可降低其制造規(guī)模，不會(huì)因提高壓力而受限；機(jī)泵受催化裂化裝置系統(tǒng)壓力的影響不大，不存在制造問(wèn)題；對(duì)靜設(shè)備，特別是大直徑再生器筒體，現(xiàn)均采用分段組焊，且兩器增壓后兩器容積和直徑相對(duì)縮小，不受制造限制。

大型化催化裂化裝置提高再生壓力受限于設(shè)備制造的瓶頸是煙機(jī)輪盤。全球目前最大單級(jí)煙機(jī)(FEX-142)的功率為37.3 MW，最大軸流壓縮機(jī)(AX3713-7)的流量為9 627 m3/min[7]。5.0 Mt/a催化裂化裝置采用兩段富氧快速床再生，按目前全球最大規(guī)模煙機(jī)和主風(fēng)機(jī)配置，再生壓力最高可取0.265 MPa。若采用兩段貧氧湍流再生，耗風(fēng)指標(biāo)低，在煙機(jī)制造限制范圍內(nèi)，裝置加工規(guī)模和再生壓力可更高一些，但該再生形式，煙氣-主風(fēng)路線壓降大，燒焦強(qiáng)度低、再生藏量大，且有7%左右(動(dòng)力)壓縮空氣在煙機(jī)后部進(jìn)入CO焚燒爐，只有動(dòng)力消耗而無(wú)回收，均較大地影響煙機(jī)的功率回收，鑒于能耗及可操作性等因素的考慮，不建議采用該再生形式擴(kuò)大規(guī)模。

目前國(guó)產(chǎn)最大軸流壓縮機(jī)(AV100-22)的流量為9 000 m3/min，出口壓力最大可達(dá)0.62 MPa[8]，大流量、高壓主風(fēng)機(jī)未受到制造能力的限制。

2.2 機(jī)械設(shè)備投資的影響

對(duì)靜設(shè)備，提高壓力會(huì)增加反應(yīng)、再生與分餾系統(tǒng)各設(shè)備筒體壁厚和基礎(chǔ)承載力，又因增壓可縮小系統(tǒng)容積，制造費(fèi)此消彼長(zhǎng)，對(duì)總體投資影響不大；對(duì)動(dòng)設(shè)備主風(fēng)機(jī)和煙機(jī)要求提高，投資增大，而壓縮機(jī)和汽輪機(jī)負(fù)荷降低則可減少投資。由此可見(jiàn)，對(duì)總體動(dòng)、靜設(shè)備一次性投資影響不太明顯。

3 專利技術(shù)對(duì)催化裂化裝置系統(tǒng)壓力的要求

專利技術(shù)對(duì)裝置系統(tǒng)壓力的要求，主要體現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)品分布的影響上，以達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)品收率，如MIP，DCC，MIO等諸多專有技術(shù)，因反應(yīng)壓力已由專利商確定，依據(jù)兩器結(jié)構(gòu)形式及兩器標(biāo)高確定兩器差壓范圍，進(jìn)而確定再生壓力，因此系統(tǒng)壓力由工藝包專利商確定。

4 兩器設(shè)計(jì)標(biāo)高的影響——壓力平衡及反應(yīng)-再生催化劑循環(huán)

在再生(反應(yīng))壓力確定的情況下，依據(jù)兩器設(shè)計(jì)標(biāo)高和壓力平衡而確定反應(yīng)(再生)壓力，以保證反應(yīng)-再生催化劑安全正常循環(huán)。

根據(jù)一般的設(shè)計(jì)理念及反應(yīng)深度需求，催化裂化的反應(yīng)時(shí)間基本確定，即提升管反應(yīng)器容積和流通速度是確定的，在保證催化劑正常輸送及與霧化油氣良好接觸的前提下，反應(yīng)器的長(zhǎng)徑比是可適當(dāng)調(diào)整的，這涉及到提升管的總長(zhǎng)度和標(biāo)高。對(duì)于大型裝置，應(yīng)避免直徑過(guò)大而造成的催化劑輸送困難及進(jìn)料噴嘴射程不足，使油霧與催化劑良好接觸和有效反應(yīng)。如4.8 Mt/a重油催化裂化裝置，提升管內(nèi)徑為1 960 mm，預(yù)提升段密度在409～603 kg/m3較大范圍波動(dòng)。同理，在同樣燒焦強(qiáng)度和操作條件下，燒焦時(shí)間也已確定，即確定再生密相的燒焦容積，在滿足流態(tài)化和過(guò)孔氣速(兩段重疊再生)要求的前提下，再生器也存在高徑比的關(guān)系，標(biāo)高在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)節(jié)的。為了兩器催化劑循環(huán)順暢安全和兩器間有合適的差壓，對(duì)不同的反應(yīng)-再生結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)有所不同，如兩段重疊貧氧逆流湍流常規(guī)再生，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮適當(dāng)縮小提升管直徑，增大再生器直徑，以改善催化劑循環(huán)推力不足和再生床層料位高、壓降大的弊端，同時(shí)提高反應(yīng)壓力以減少氣壓機(jī)能耗；而兩段重疊富氧順流高效快速床再生形式的循環(huán)線路有較大推力，一般大、中以下加工規(guī)模的裝置可按照常規(guī)反應(yīng)器與再生器標(biāo)高設(shè)計(jì)，特大規(guī)模裝置應(yīng)改善高徑比和兩器標(biāo)高及兩器差壓，以達(dá)到與兩段貧氧再生同樣的效果。

5 不同規(guī)模時(shí)催化裂化裝置設(shè)計(jì)壓力選擇

5.1 大、中規(guī)模催化裂化裝置設(shè)計(jì)壓力選擇

對(duì)于大、中型催化裂化裝置，不受設(shè)備制造能力的限制，兩器可選擇較高設(shè)計(jì)壓力。以3.50 Mt/a催化裂化裝置為例，不同再生壓力下的煙機(jī)功率見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，采用兩段富氧快速床再生方式，煙機(jī)功率取37.3 MW時(shí)，再生壓力可取0.42 MPa。因此依據(jù)主風(fēng)機(jī)出口壓力和煙機(jī)的制造能力，大、中型裝置再生器設(shè)計(jì)壓力應(yīng)在0.42～0.56 MPa范圍內(nèi)選擇。

表5 3.50 Mt/a催化裂化裝置在不同再生壓力下的煙機(jī)功率

注：裝置生焦率按7.5%計(jì)，耗風(fēng)指標(biāo)按11.8計(jì)，煙風(fēng)比按1.03計(jì)，主風(fēng)-煙氣系統(tǒng)壓降按90 kPa計(jì)，煙機(jī)排氣壓力按9 kPa計(jì)。

5.2 特大型催化裂化裝置壓力設(shè)計(jì)選擇

特大型催化裂化裝置一般指生焦率高于7.5%、加工能力大于3.5 Mt/a的設(shè)計(jì)規(guī)模，該規(guī)模裝置應(yīng)依據(jù)再生形式不同而選擇不同的系統(tǒng)壓力，如采取兩段富氧快速床再生方式的5.0 Mt/a催化裂化裝置，主風(fēng)和煙氣量分別為8 550、8 980 m3/min，因煙機(jī)制造受限，再生壓力最大可取0.265 MPa；若采用兩段貧氧湍流常規(guī)再生方式，其主風(fēng)和煙氣量為富氧再生的88%左右，此再生方式可將壓力提高至0.31 MPa。但貧氧再生方案的主風(fēng)-煙氣線路壓降大，兩器差壓大，總能耗與較低壓力下的兩段富氧再生方案相當(dāng)。若規(guī)模為3.5～5.0 Mt/a之間，應(yīng)采用兩段重疊富氧快速床再生方案，以求操作簡(jiǎn)單、安全可靠和低能耗。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)上述幾方面的因素分析，提高催化裂化裝置系統(tǒng)壓力，將較大幅降低裝置能耗及提高燒焦和加工負(fù)荷，但在其他關(guān)鍵控制參數(shù)不變的情況下會(huì)提高轉(zhuǎn)化率和焦炭、干氣產(chǎn)率，但可以通過(guò)適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和時(shí)間，彌補(bǔ)輕油收率降低的問(wèn)題。

就目前全球機(jī)械設(shè)備制造能力，提高大、中型裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，不會(huì)受制造能力的限制，以制造能力的上限選擇設(shè)備為原則，再生壓力可確定為0.42～0.56 MPa；特大型裝置依據(jù)其規(guī)模及再生形式，再生壓力可確定為0.28～0.42 MPa。

因不同規(guī)模設(shè)計(jì)壓力不同，為達(dá)到理想的產(chǎn)品分布，需分別核算反應(yīng)溫度和時(shí)間。經(jīng)理論研究、中小型試驗(yàn)及模擬計(jì)算，得出不同反應(yīng)壓力、溫度和時(shí)間的平衡關(guān)系，便于設(shè)計(jì)中選擇。