催化裂化粗汽油回炼改质工艺的用能改进

　收稿日期 : 2008204218 　通讯联系人 : 李亚军 , Tel : 020287112044 ; E2mail : liyajun @scut . edu. cn 文章编号 : 100128719 (2009) 0220228205 催化裂化粗汽油回炼改质工艺的用能改进 李亚军 , 郑　杰 (华南理工大学 化工与能源学院 强化传热与过程节能教育部重点实验室 , 广东 广州 510640) 摘要 : 针对催化粗汽油回炼改质过程能耗偏高的现状 , 进行了以降低辅助提升管油/ 剂接触温差和优化辅助分馏塔 油气热量利用为目的的过程用能改进。工程实施结果表明 , 利用装置低温余热提高粗汽油回炼温度 , 可通过多发生 5. 7 t/ h 的中压蒸汽 , 将辅助分馏系统的较低品质热量置换出等量的反2再系统的高品质热量 ; 同时 , 辅助分馏塔中 段回流热和循环油浆热量的升级利用 , 使得催化粗汽油回炼改质工艺的用能状况大为改善。优化改进后的有效热 利用提高 , 干气和焦炭的产率下降 , 使现有的 50 t/ h 粗汽油回炼改质催化装置能耗降低 4. 4 kg (标油) / t (原料) ,且 汽油质量得到提高。 关 　键 　词 : 催化裂化 ;粗汽油 ;辅助提升管反应器 ;辅助分馏塔 ;能量优化 中图分类号 : TE624. 4 ; TE624. 1 　　文献标识码 : A ENERGY2USE IMPROVEMENT OF FCC PROCESS FOR CRUDE GASOL INE UPGRADING L I Ya2jun , ZH EN G Jie ( Key L aboratory of Heat T rans f er Enhancement and Energy Conservation of t he Minist ry of Education , College of Chemical and Energy Engineering , S out h China Universit y of Technology , Guangz hou 510640 , China) Abstract : In regard to t he high energy consumption of FDFCC ( Flexible dual2riser fluid catalytic cracking) gasoline upgrading process , a energy optimization has been done by reducing t he contact temperat ure difference between t he crude gasoline and re2generated catalyst and improving t he use of auxiliary f ractional system’s heat . The result of t he energy optimization applied in a FDFCC unit wit h 50t/ h crude gasoline to be re2p rocessed showed t hat t he temperat ure of crude gasoline was raised by the residual lower2temperature heat of t he auxiliary f ractional system , and more 5. 7 t/ h medium pressure steam was produced by high temperat ure heat of regenerated catalyst , which was replaced out by t he equal quantity of low quality energy of t he auxiliary f ractional system , and t he heat utilization of p ump around and recycled slurry of the auxiliary f ractionator were upgraded. The energy cost of t he auxiliary system for gasoline upgrading was reduced by 4. 4 kg ( standard oil) / t (feed) because of higher heat efficiency af ter reformation , and the p roblem of high yield of dry gas and coke was set tled , which was resulted f rom t he added auxiliary reformation system , wit h t hat gasoline quality was improved. Key words : catalytic cracking ; crude gasoline ; auxiliary riser reactor ; auxiliary f ractionator ; energy optimization 　　近年来 , 由于催化裂化装置 ( FCC) 的掺渣率和 加工苛刻度的提高 , 导致国内 FCC 汽油的烯烃含量 为 45 %～60 %(体积分数) [ 1 ] ; 同时 , FCC 在油品二 次加工的比例占 38. 1 % , 远高于世界平均水平 石油学报 (石油加工) 2009 年 4 月 　 　　 　　 　　ACTA PETROL EI SINICA ( PETROL EUM PROCESSIN G SECTION) 　 　 　 　　　第 25 卷第 2 期 　 (17. 3 %) 。而通过大幅度调合催化重整油、烷基化 油、异构化油等高辛烷值汽油组分来改善现有汽油 质量 , 以适应日趋严格的排放要求是有困难的。因 此降低催化裂化汽油馏分中的烯烃含量是尽快解决 我国汽油中烯烃含量高的最现实的途径。 中国石油大学 (北京) 开发的催化汽油辅助反应 器改质降烯烃工艺 (ARFCC) [2 ]和洛阳工程公司开发 的灵活多效的催化裂化工艺 ( FDFCC) [3 ] , 均在现有 催化裂化工艺的基础上 , 增设了独立的粗汽油回炼 辅助提升管反应系统和改质汽油辅助分馏系统 , 来 达到降低催化裂化汽油的烯烃含量、提升汽油质量 的目的。虽然两种工艺的辅助提升管反应条件不同 , 但在工业化应用中都取得了催化裂化汽油烯烃含量 降低到 20 %～35 %和硫含量降低的良好效果[4 - 5 ] 。 由于工艺加长 , 装置能耗比原工艺增加 , 而且 原料的反应深度加深 , 随着干气和焦炭量的增加 , 带来了油浆、柴油的氢含量偏低的问题。因此 , 降 低能耗、减少干气和焦炭的生成 , 是粗汽油回炼改 质工艺进一步应用和发展的关键 , 也是目前工业装 置应用中急待解决的问题。 1 　催化裂化粗汽油回炼改质系统的用能分析 图 1 为某炼油企业现有的 50 t/ h 粗汽油回炼的 FDFCC(加工能力 1. 2 Mt/ a)工艺流程。来自主分馏 塔的 40 ℃的液相粗汽油不经预热直接进入辅助提升 管反应器 , 与来自再生器大约 690 ℃的高温催化剂 直接接触。其特点是采用较高反应温度和大剂/ 油质 量比 (10～12) 的方式进行催化反应 , 完成降烯烃等 改质过程。改质后 , 约 550 ℃的反应油气进入新设的 改质汽油分馏塔 , 分离出富气、改质汽油和轻柴油。 图 1 　现有催化裂化汽油降烯烃改质工艺流程示意图 Fig. 1 　Schematic diagram of the current process for FCC gasoline olef in reduction 1 —Heavy fuel riser reactor ; 2 —Auxiliary riser reactor ; 3 —Main f ractionator ; 4 ,7 —Separatory tank ; 5 ,8 —Steam generator ; 6 —Auxiliary f ractionator 　　针对图 1 所示的现有 FDFCC 工艺中粗汽油回 炼改质辅助系统的能量利用状况 , 进行了流程模拟 及火用分析计算 , 计算过程取环境基准温度为 15 ℃。 通过火用分析结果来确定其能量优化的方向。图 2 为 根据流程模拟计算结果所建立的现有粗汽油回炼改 质过程的“三环节”火用平衡示意图[6 ] 。粗汽油回炼改 质系统的用能现状分析结果表明 , 导致装置能耗增 加的主要原因是能量利用环节及回收环节的过程火用 损大 , 工艺热力学火用的利用效率低。 从图 2 可知 , 粗汽油回炼降烯烃过程的能量利 用环节 (辅助提升管反应器和辅助分馏塔属于能量利 用环节)的总过程火用损 DKP = 44. 2 GJ / h ; 其中辅助 提升管反应器的过程火用损 DKPR = 17 GJ / h , 辅助分 馏塔的过程火用损 DKS = 27. 2 GJ / h。该过程由于 690 ℃的高温催化剂直接与 40 ℃的液相粗汽油接触 , 高达 650 ℃的油、剂接触温差导致了极大的混合火用 损 , 而且油、剂接触时间延长加剧缩合和裂解反应 , 增加了焦炭和干气的生成率 , 使得装置能耗增加和汽 油收率降低 ; 同时反2再系统能量的利用品质也严重 降低 , 导致利用环节的工艺热力学火用效率仅为 29. 5 %。 与辅助分馏塔相匹配的各回流换热器和冷却器 , 包括塔顶油气冷却器 , 顶循、中段回流、循环油浆 922第 2 期 　　　　　　　　　　　　　 　　催化裂化粗汽油回炼改质工艺的用能改进 　　 图 2 　简化的现有辅助汽油改质系统的三环节火用平衡示意图 Fig. 2 　Schematic of the exergy balance of simplif ied current auxiliary system for gasoline modif ication EXU —Effective utilization exergy ; D KPR —Riser reactor exergy lost ; DKS —Fractionator exergy lost ; DT —Thermodynamics exergy difference ; EXO —Waiting recovery exergy ; DKR —Total exergy lost in recovery link ; DJ R —Recovered discard exergy ; EXE —Recovered output exergy 换热器和油浆蒸汽发生器等能量回收环节的总过程 火用损 DKR = 12. 2 GJ / h , 其火用回收率只有 28. 7 %。回 收环节的火用利用效率低主要是辅助分馏系统的热量 利用品质较低造成的。图 3 为现有工艺条件下辅助 分馏塔改质油气的换热流程示意图。高温反应油气 携带的热量除了提供各物流的分离火用 , 还有大量的 回流热可以利用。从图 3 可知 , 中段回流的较高品 质的热量只是用来加热脱氧水 , 而高品质的循环油 浆发生 1. 0 MPa 的低压蒸汽 , 由于热量的利用品质 低 , 火用损较大 , 导致回收环节的火用回收率只有28. 7 %。 2 　催化裂化粗汽油回炼改质工艺的用能改进 2. 1 　优化粗汽油改质工艺用能的途径 过程系统的用能优化首先从能量的工艺利用环 节开始 , 尽量降低工艺总用能 ( EN ) 和工艺总用火用 ( EXN ) , 然后优化能量回收环节 , 提高能量回收率。 根据上述催化裂化粗汽油回炼降烯烃改质过程的用 能分析 , 该过程的能量优化应从两个方面进行[7 ] 。 (1) 通过降低能量利用环节的火用损来降低 EN 和 EXN FDFCC 工艺中辅助系统的能量利用环节火用效率 低的主要原因是提升管系统油、剂混合过程的火用损 大造成的。若能提高粗汽油的回炼温度 , 降低油、 剂接触温差 , 从而降低油、剂混合火用损 , 即可提高 能量利用环节的火用效率。 图 3 　现有辅助分馏塔油气换热流程示意图 Fig. 3 　Schematic heat exchange diagram of gas and oil in the current auxiliary fractional system 　　(2) 提高能量回收环节的有效热量的利用效率 , 即优化反应油气的热量利用 回收环节火用损大的主要原因是现有回流热的利 用不合理。从图 3 可见 , 中段回流换热器和塔底循 环油浆蒸汽发生器的平均传热温差都超过 100 ℃, 远远高于 20 ℃左右的国内设计先进水平。270 ℃的 中段回流只用来加热 100 ℃左右的除氧水。而油浆 的温度为 345 ℃, 完全可发生 3. 5 MPa 的中压蒸汽 (其饱和温度为 243 ℃) ; 同时还有部分热量被空冷带 走 , 不但造成热量损失 , 也加大了系统的冷却负荷。 若能提高粗汽油进入辅助提升管的温度 , 从而 降低油、剂接触温差 , 同时通过优化分馏系统回流 热的利用 , 减少换热过程的火用损 , 以最大限度地提 高高温反应油气热量的利用效率 , 则可达到降低装 置能耗的目的。 2. 2 　能量利用改进措施 根据现有运行装置的产物分布和热量分布得知 , 由于改质产物组分较轻 , 目前实际运行的辅助分馏 塔的轻柴油采出量少 , 同时塔底循环油浆的采出热 量也较少 ; 而且随着原料反应深度的加深 , 干气和 焦炭量的增加 , 带来了柴油氢含量偏低、柴油质量 较差的问题。针对上述问题 , 对辅助系统进行了能 032 　　　　石油学报 (石油加工) 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　第 25 卷 　 量优化改进。 将辅助分馏塔的柴油馏分返回主分馏塔进行分 离 , 并将辅助分馏塔的油浆系统与主分馏塔合二为 一 , 即两分馏塔共用油浆系统。同时在保证分馏系 统热平衡的前提下 , 按照能量梯级利用的原则优化 辅助分馏系统的改质油气换热流程[8 - 9 ] 。图 4 为采 用优化改进的辅助分馏系统热量加热粗汽油及提高 中段回流、油浆热量利用品质的换热流程。从图4 图 4 　改进后的辅助分馏塔油气热量换热流程示意图 Fig. 4 　Schematic heat exchange diagram of gas and oil in improved auxiliary fractional system 可以看出 , 中段回流先作解析塔塔釜的热源 , 可节 省原工艺中加热解析塔塔釜的 6 t/ h 蒸汽的消耗 ; 同时粗汽油被工艺余热逐级预热至 150 ℃; 主分馏 塔与辅助分馏塔共用油浆系统 , 且发生 3. 5 MPa 的 中压蒸汽。油气热量利用改进后 , 传热过程火用损由 原来的 12. 2 GJ / h 降为 10. 5 GJ / h。回收环节的火用 损降低了 14 % , 整个过程的火用利用率提高。 3 　催化裂化粗汽油回炼改质工艺的用能改进 效果 在保证分馏系统热平衡的前提下 , 对辅助分馏 系统的改质油气换热流程进行了优化。将粗汽油从 40 ℃预热到 150 ℃, 减少了油、剂的混合火用损 ; 同 时辅助分馏塔与主分馏塔共用一个油浆系统。粗汽 油回炼工艺能量优化措施取得了良好的效果。 3. 1 　汽油质量得到改善 辅助系统用能改进后 , 该装置生产的汽油的烯 烃含量明显下降。图 5 为该装置运行的 33 d 中 , 生 产的汽油中烯烃含量的变化。由图 5 可见 , 烯烃含 量可降至 18 %(体积分数) 以下 , 满足欧 Ⅲ汽油质量 。 图 5 　辅助系统用能改进后改质汽油烯烃含量的变化 Fig. 5 　Olef in content variation of the modif ied gasoline after auxiliary fractional system upgrading 3. 2 　提升汽油改质过程的能量利用品质 利用改质汽油分馏系统的低温余热 , 将 50 t/ h 粗汽油从 40 ℃预热到 150 ℃后进入辅助提升管反应 器。由于粗汽油进料温度提高 , 多带入了热量 , 在 保持一定剂/ 油质量比 (10～12) 和反应温度 (550 ℃) 不变的条件下 , 可减少再生新剂带入辅助反应器的 热量12. 7 GJ / h , 即将辅助分馏系统的较低品质热量 转换成反2再系统等量的高品质热量 , 置换出的热量 可通过反2再系统取热器多发生中压蒸汽约5. 7 t/ h , 折合降低催化裂化装置能耗 3. 5 kg (标油) / t (原料) ; 同时将原用来加热除氧水的中段回流先作解析塔的 塔釜热源 , 再加热粗汽油 , 不但提高了中段回流的 能量利用品质 , 还置换出原加热解析塔塔釜的 6 t/ h 中压蒸汽 , 实现了整个催化裂化装置的能量升级利用。 3. 3 　降低系统的焦炭和干气产率 由于粗汽油进料温度提高 , 在保持原反应温度 , 剂/ 油质量比等操作条件不变的情况下 , 可以使再生 剂进入辅助提升管的温度降低 20 ℃(催化剂比热为 1. 1 kJ / (kg ·℃) ) , 即由 690 ℃降到 670 ℃, 因此催 化剂和粗汽油的接触温差由原来的 650 ℃降低至 520 ℃(150 ℃粗汽油与 670 ℃的再生催化剂混合) ; 同时油、剂的混合和传热过程中的火用损也从优化前 的 17 GJ / h 降低至 10. 9 GJ / h , 辅助提升管反应器 132第 2 期 　　　　　　　　　　　　　 　　催化裂化粗汽油回炼改质工艺的用能改进 　　 的过程火用损随着油、剂接触温差的降低 , 下降了 36 %。由于粗汽油进料温度提高 , 改善了其在催化 剂表面的分布 , 减少了停留时间 , 减轻了聚合和裂 解深度 , 从而降低了焦炭和干气的产率。图 6为装 置能量优化前后干气产量的变化。 图 6 　装置能量优化改造前后干气产量的变化 Fig. 6 　Flow variation of the dry gas before and after the unit upgrading The data f rom PI data base , once every 4 hours 3. 4 　降低装置能耗 辅助分馏塔与主分馏塔共用一个油浆系统 , 并 发生 3. 5 MPa 中压蒸汽 11 t/ h。与辅助分馏塔原来 发生 10 t/ h、1. 0 MPa 的低压蒸汽相比 , 即将等量 的循环油浆的较低品质热量转换成了较高品质热量 , 实现了辅助分馏塔的能量升级利用 , 同时降低催化 裂化装置能耗约 0. 9 kg (标油) / t (原料) 。 通过优化辅助分馏系统的能量利用水平 , 改进 后回收环节的过程火用损由原来的 12. 2 GJ / h 下降到 10. 5 GJ / h , 火用回收率由 28. 7 %提高到 44. 7 %。在 辅助系统粗汽油回炼量为 50 t/ h 的操作条件下 , 用 能改进后有效热利用的提高 , 可使催化裂化粗汽油 回炼改质工艺装置降低能耗 4. 4 kg (标油) / t (原料) 。 4 　结 　论 (1) 利用催化裂化装置系统内的低温余热将粗 汽油回炼温度从 40 ℃预热到 150 ℃, 降低了粗汽油 与高温再生剂的接触温差 , 使辅助提升管反应器的过 程火用损下降了 36 % , 同时干气和焦炭产率明显下降。 　　(2) 粗汽油回炼温度提高 , 可将等量的辅助分 馏系统的较低品质热量转换成反2再系统的高品质热 量 , 多发生中压蒸汽约 5. 7 t/ h ; 同时利用中段回流 热置换出加热解析塔塔釜的 6 t/ h 中压蒸汽 , 及辅 助循环油浆改为发生 3. 5 MPa 中压蒸汽的措施 , 提 高了催化裂化汽油改质过程的能量利用品质。 (3)通过降低辅助提升管油、剂接触温差和优化 辅助分馏塔油气的热量利用 , 使现有的 50 t/ h 粗汽 油回炼改质的 FCC 装置能耗降低 4. 4 kg (标油) / t (原料) ,且汽油质量得到改善。 参 考 文 献 [1 ] 张哲民 , 石亚华 , 傅军. 降低催化裂化汽油硫和烯烃含量 的技术途径 [J ] . 石油炼制与化工 , 2003 , 34 (7) : 28 - 32. 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