延迟焦化装置原理

延迟焦化 延迟焦化 　减压渣油、热裂化渣油以及一些不好处理的各种重质油品(又称重残油),在炼油厂中常采用“焦化”的方法让它们转化为更有经济价值的轻质油品,生成的焦炭经过焙烧等工序,除去其中所含的挥发性物质后,可制得电极焦。生成的焦化气体,富含轻质烯烃,如乙烯、丙烯和丁烯等,可用作化工原料。 　实现焦化的工艺过程主要有三种,即:釜式焦化、延迟焦化和流化焦化。 (1)釜式焦化 　把油装到一个焦化釜中,在釜底加热,使釜内油焦化。从釜顶引出焦化产生的油品蒸气和低分子烃气体。焦化完成后,就可以出焦。本法的缺点很多:间歇操作、生产能力小;钢材和燃料消耗量大;清焦困难、劳动条件差等。现在只在少数中,小型炼油厂中应用。 (2)延迟焦化 这是目前普遍采用的一种方法。考虑到重残油的碳氢比高,非常容易结焦的这一特点,将原料油快速加热到比较高的温度(480～500℃),使重残油在管式加热炉中,来不及发生焦化就被送到一个中空的容器(称焦炭塔),让加热的油品在其中反应结焦,加热和焦化不同时发生,故称为延迟焦化。反应所得气体,从上部引出进入分馏塔,生成的焦炭留在容器中,当焦炭塔中结焦达一定程度后,就切换到另一个焦炭塔中继续焦化成焦,原先的焦炭塔则进行清焦作业。通常一个焦化装置中常常要用2～4个焦炭塔。清焦采用水力除焦法,先在焦层中央用钻机打一个洞,从顶部一直打到底,然后自下而上通入压力为10MPa的高压水,利用水的冲击力,把焦炭打下来,并由底部排出。由焦炭塔上部出来的气体,在分馏塔中分出焦化气、汽油、柴油、蜡油等产品。延迟焦化所得产品产率的实例见表2-3-15,焦化富气的组成见表2-3-16。 表2-3-15 延迟焦化产品的产率 产 品 产率%(w)(对原料) 一般范围 抚顺石油二厂 焦化富气 汽 油 轻柴油 蜡油(重柴油) 石油焦 损 失 6—8 10—20 20—30 20—30 15—20 0.5—2.5 7.5 16.7 31.8 26.0 16.2 1.8 表2-3-16 焦化富气组成 产 品 延迟焦化 釜式焦化 %(w) %(v) %(v) 氢 甲烷 乙烷+乙烯 丙烷 丙烯 丁烷 丁烯 碳五 O2,N2,CO2 0.7 35.7 23.4 13.5 5.0 5.7 3.9 6.3 5.8 8.2 52.5 18.8 7.1 2.8 2.4 1.6 2.1 4.5 14.7 40.6 14.9 7.8 3.7 2.9 1.1 6.8 (3)流化焦化 　流化焦化原理和延迟焦化一样,即快速加热后在反应器中发生焦化反应。焦化反应器结构与石油流化床催化裂化反应器相似,所不同的是不用催化剂,而是用大小为微米级的微小焦炭粒子,这些粒子被加热到500℃左右后进入反应器,与反应器的油蒸气接触并进行焦化反应。气态产物从反应器顶引出,反应中生成的焦炭附着在焦炭微粒上面,当它不断增大增重到一定程度就不能再行流化而从反应器底部的分离器中分出,送往一个和催化裂化再生器相似的燃烧器中,在这里焦炭颗粒部分燃烧掉,颗粒由大变小,由重变轻,自身也被加热,然后它们再返回反应器,如此往复循环。在燃烧器下部可取出一部分多余的焦炭。本法的特点是液体产品的产率较高、焦炭产率较低、生产连续化、不需要繁重的清焦劳动。 延迟焦化反应原理 延迟焦化过程是减压渣油在加热炉管内吸收足够热量被加热达到焦化反应所需温度，采取注水或注汽、提高流速等措施，缩短减压渣油渣油在炉管内的停留时间，将焦化反应推迟到焦炭塔内进行的热加工工艺过程。是重要的渣油热加工过程，是重质油轻质化的重要手段。     焦化过程的化学反应：主要是裂解反应、缩合反应、脱氢反应、环化反应。     焦化反应的机理是烃分子的链断裂生成小分子烃和链断裂生成的活性分子再缩合生成更大的分子，链断裂反应是吸热反应，活性分子缩合是放热反应。     延迟焦化热转化反应机理符合正炭离子自由基反应理论。烃分子热裂化是在高温条件下在键能较弱的化学键上断裂生成自由基，较小分子的自由基可从其他烃分子获取一个氢自由基生成氢气或甲烷及一个新自由基，较大分子的自由基不稳定，很快再断裂成烯烃和小分子自由基。除甲基自由基外，其他分子自由基获取氢自由基生成烷烃速度很慢，只有10％的自由基相互结合终止链反应继续进行。     延迟焦化反应机理：渣油热转化分三步进行，渣油在加热炉管内被快速加热至450-510℃，只发生轻度缓和裂化。进入焦炭塔内轻度裂化的油气汽液相混合物继续裂化。焦炭塔内的液相重质烃在塔内持续裂化、缩合反应直至生成烃类蒸气和焦炭为止。 延迟焦化装置的原料为温度90℃的减压渣油，由罐区泵送入装置原料油缓冲罐，然后由原料泵输送至柴油原料油换热器，加热到135℃左右进入蜡油原料油换热器，加热至160℃左右进入焦化炉对流段，加热至305℃进入焦化分馏塔脱过热段，在此与来自焦炭塔顶的热油气接触换热。原料油与来自焦炭塔油气中被凝的循环油一起流入塔底，在380～390℃温度下，用辐射泵抽出打入焦化炉辐射段，快速升温至495～500℃，经四通阀进入焦碳塔底部。 　　循环油和减压渣油中蜡油以上馏分在焦碳塔内由于高温和长时间停留而发生裂解、缩合等一系列的焦化反应，反应的高温油气自塔顶流出进入分馏塔下部与原料油直接换热后，冷凝出循环油馏份；其余大量油气上升经五层分馏洗涤板，在控制蜡油集油箱下蒸发段温度的条件下，上升进入集油箱以上分馏段，进行分馏。从下往上分馏出蜡油、柴油、石脑油和富气。 　　分馏塔蜡油集油箱的蜡油在343℃温度下，自流至蜡油汽提塔，经过热蒸汽汽提后蜡油自蜡油泵抽出，去吸收稳定为稳定塔重沸器提供热源后降温至258℃左右，再为解吸塔重沸器提供热源后降温至242℃左右，进入蜡油原料油换热器与原料油换热，蜡油温度降至210℃，后分成三部分：一部分分两路作为蜡油回流返回分馏塔，一路作为下回流控制分馏塔蒸发段温度和循环比，一路作为上回流取中段热；一部分回焦化炉对流段入口以平衡大循环比条件下的对流段热负荷及对流出口温度；另一部分进水箱式蜡油冷却器降温至90℃，一路作为急冷油控制焦炭塔油气线温度，少量蜡油作为产品出装置。 　　柴油自分馏塔由柴油泵抽出，仅柴油原料油换热器、柴油富吸收油换热器后一部分返回分馏塔作柴油回流，另一部分去柴油空冷器冷却至55℃后，再去柴油水冷器冷却至40℃后分两路：一路出装置；另一路去吸收稳定单元的再吸收塔作吸收剂。由吸收稳定单元返回的富吸收油经柴油富吸收油换热器换热后也返回分馏塔。 　　分馏塔顶油气经分馏塔顶空冷器，分馏塔顶水冷器冷却到40℃，流入分馏塔顶气液分离罐，焦化石脑油由石脑油泵抽出送往吸收稳定单元。焦化富气经压缩机入口分液罐分液后，进入富气压缩机。 　　焦炭塔吹汽、冷焦产生的大量蒸汽及少量油气，进入接触冷却塔下部，塔顶部打入冷却后的重油，洗涤下来自焦炭塔顶大量油气中的中的重质油，进入接触冷却塔底泵抽出后经接触冷却塔底油及甩油水冷器冷却后送往接触冷却塔顶或送出装置。塔顶流出的大量水蒸气经接触冷却塔顶空冷器、接触冷却塔顶水冷器冷却到40℃进入接触冷却塔顶气液分离罐，分出的轻污油由污油泵送出装置，污水由污水泵送至焦池，不凝气排入火炬烧掉。甩油经甩油罐及甩油冷却器冷却后出装置。、 延迟焦化是目前最先进的石油焦制备方法[1]，是已经工业化的工艺技术。其原理是将重质渣油在高热强度条件下，通过加热炉炉管，在短时间内达到焦化反应温度之后，迅速进入焦炭塔，使裂化、缩合等反应延迟到焦炭塔内进行。它的生产过程实现了连续化，加工能力大，操作人员的劳动强度和卫生条件也大大改善，可满足工业用焦的需要[2]。 近些年来，重质油的深加工过程已经成为各大炼油厂提高经济效益的一个重要手段。采用先进控制技术是在现有工艺设备基础之上提高经济效益的投资小、见效快的一种好。国内在诸如常减压、催化裂化等许多类型装置上都有先进控制应用的案例，而在延迟焦化装置上先进控制的应用之前成功的案例尚少。上海炼油厂延迟焦化装置采用美国Honeywell公司的RMPCT(鲁棒多变量预估控制技术)，成功实现了装置先进控制应用，取得了显著效果，各项经济指标达到或超过预期要求。 1.工艺过程及特点 上海炼油厂延迟焦化装置采用大型化的“一炉两塔”技术方案，设计加工能力为140万吨/年。主要工艺设备包括：焦化炉、焦化塔和分馏塔。 1.1.延迟焦化工艺流程[3] 来自常减压装置的减压渣油和少量的沥青混合作为原料，经一系列换热后进入分馏塔下段的换热洗涤区，与来自焦炭塔顶的油气进行逆向的接触和换热。油气中的重组分被冷凝下来作为循环油与原料油一起流入分馏塔底。塔底焦化油由泵抽出，在流量控制下，分四路进入加热炉对流段和辐射段，其温度被快速升至500℃左右。加热炉中的每个支路设有3个蒸汽注汽点，用以提高炉管内油气的流度，防止炉管内结焦。加热炉出口两相高温物流经四通阀进入焦炭塔底部。 高温焦化油在焦炭塔内具有相对较长的停留时间，并在此发生裂解、缩合等一系列反应，生成反应油气和焦炭。焦炭由下至上聚结在焦炭塔内，反应油气由焦炭塔顶逸出，经来自分馏塔蜡油急冷降温后进入分馏塔换热塔板下部。 进入分馏塔的焦化油气与原料进行接触换热，循环油流入塔底，换热后油气上升进入分馏段，从下往上分馏出蜡油、柴油、汽油和富气。 蜡油、柴油采用集油箱液位与侧线流量串级的全抽出设计，分馏塔内的温度分布对产品质量的控制非常重要。其中，柴油的干点和凝固点质量指标是其中的关键变量，而汽油和蜡油具有较宽泛的质量指标范围。 1.2.延迟焦化特点 与其它连续生产过程不同，延迟焦化的焦炭塔为间歇式操作。以22小时为一个周期，两个焦炭塔分别实现预热、切换、吹汽、卸焦等操作，其中预热和切换事件对分馏塔操作有着较大影响(图1-2)。 焦炭塔预热和切换事件从质量和能量上都会对分馏塔操作造成很大的影响，从而打破了原有的物料和热量平衡。从图1-2中可以看出，当预热和换塔时，对分馏塔底温度造成的大幅度波动，且时间较长，操作工试图在后两次焦炭塔预热和换塔的操作过程中保持分馏塔底温度的稳定，但效果并不明显。 柴油集油箱温度是控制柴油产品质量的关键变量，常规操作是通过调节柴油下返塔流量来实现对温度的控制。当来自焦炭塔顶的油气大幅度波动(质量和能量上)时，仅仅依靠柴油下返塔流量根本无法满足对柴油集油箱温度的控制要求，重新恢复控制通常需要至少1个小时时间(图1-3) 。 2.Honeywell鲁棒多变量预估控制技术(RMPCT) RMPCT是美国Honeywell公司先进控制的核心专利技术，其内部包含了多项极具创新的技术和特点，具有很好的鲁棒性。能够在较小维护量的同时，实现其良好的控制性能。 2.1.RMPCT主要技术特点 区域控制算法(Range Control Algorithm (RCA)) 区域控制算法是Honeywell多变量控制器的一个重要特点。控制器实时求解出满足控制和优化目标的最小过程调节量，并使得在计算过程中由于模型不确定性所带来的控制误差降至最小。与参考轨迹方法相比，其创新“漏斗”式的动态控制协调技术，能够为动态过程的优化提供更多的调节自由度。 产值优化(Product Value Optimization) Honeywell多变量控制器内部包含了一个产值优化器。通过对某些变量进行组态，能够非常容易地实现最大或最小化的操作，以及某以特定目标值的操作。运用这一功能也使得产值优化操作的实现变得非常简单。 控制器性能整定 每个控制变量都包含一个性能整定参数(Performance Ratio)，可以对每个控制变量的响应按要求进行调整。 灵活的模型调整 包括模型增益在内的控制器参数可以在线进行调整。需要时，这些功能能够帮助实现如非线性和操作方案切换的应用。 2.2.RMPCT变量 为了便于对多变量预估控制器功能的理解，这里对其涉及到的变量简要说明。RMPCT包括3种类型的变量——受控变量(CV)、操纵变量(MV)和干扰变量(DV)。 受控变量(Controlled Variables) 受控变量通常用来描述多变量控制的控制目标。通常每个受控变量被要求保持在一个由上、下限值包围的一个目标范围内。如果可能，多变量控制器会将所有的受控变量控制在所规定的目标范围之内。受控变量也可根据需要被设成一个设定值，此时其上、下限为同一值。 操纵变量(Manipulated Variables) 要实现对受控变量的控制要求，就要为多变量控制器提供可作为调节手段的一些变量，多变量控制器通过协调对这些变量的调整，实现对受控变量的控制要求。每个操纵变量同样设上、下限值，多变量控制器只能够在上、下限定义的范围内对操纵变量进行调整。 干扰变量(Disturbance Variables) 干扰变量是指这样一些变量，其值可以通过测量或计算得到，但却不能由控制器进行调整，这些量的变化会对受控变量带来明显的影响。因此要将这些量引入到控制器中，以便对多变量控制器中的受控变量的未来响应进行预测。 3.先进控制的目标 根据延迟焦化的工艺特点，采用2个多变量预估控制器的设计方案——加热炉控制器(DCUHT)包括了焦化加热炉和焦炭塔工艺过程部分；分馏塔控制器(DCUMF)包括了分馏塔工艺过程部分。 加热炉控制器的控制目标主要包括： 装置处理量控制及优化 提高加热炉热效率 降低炉管结焦速度和局部结焦的可能性 分馏塔控制器的控制目标主要包括： 稳定分馏塔特别是焦炭塔预热和切换时的操作 控制产品质量 提高轻质油收率 节能降耗 上述控制目标的实现基于合理的控制器结构，准确的控制器模型和包括过程设备和基础仪表在内的完善的实施平台以及用户的全力支持和配合。 4.应用效果分析 两套控制器于2004年5月开始投用，2004年12月通过项目验收。控制器投用率在95%以上，变量投用率接近100%，各项指标满足预期要求，先进控制的应用取得了显著经济效果。 延迟焦化先进控制的经济效益主要来源于对分馏塔操作的改善和优化上，考察分馏塔控制器的投用效果是评价延迟焦化装置先进控制成功与否的关键。这里，我们选取了分馏塔控制中几个具有代表性的变量进行分析和说明。 4.1.分馏塔底温度 焦炭塔换塔事件对分馏塔的影响首先表现在对塔底温度造成的波动，稳定塔底温度是克服焦炭塔对分馏影响的关键所在。先进控制应用有效地抑制了焦炭塔换塔事件对分馏塔底温度造成的影响，为进一步改善和优化分馏塔操作提供可能。图4-1为先进控制投用前后近一个月时间分馏塔底温度的对比情况。通过统计分析可以看出(图4-2)，先进控制投用后，偏差减少了近50%，平均温度有所降低，表示分馏塔气化段的气化率有所提高。先进控制大大缩短了对塔底温度的调整时间，图4-3为先进控制投用前后，对焦炭塔切换事件控制的效果对比。 4.2.柴油干点 柴油干点指标上限为365C。投用后比投用前标准偏差减少16%，中值提高3.5C，控制器“卡边”控制效果明显(图4-4，图4-5)，其最终效果将体现在轻质油收率的增加。 4.3.轻质油收率 延迟焦化装置轻质油品包括汽油和柴油。不难理解，在装置进料相对稳定的情况下，提高柴油干点，轻质油的收率将会增加；反之，当柴油干点降低时，轻质油收率将会减少。先进控制有效地抑制了焦炭塔切换对分馏塔的影响，稳定了分馏塔的操作，真正地实现了“卡边”控制。