原油減壓深拔技術研究*

張 龍，齊慧敏，李寶忠

原油減壓深拔技術研究*

張 龍，齊慧敏，李寶忠

（撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001）

結合當今國內外原油減壓深拔技術的狀況及研究動態，對原油減壓深拔技術的影響因素、可行性進行了分析。從原油性質、蒸餾工藝、減壓塔設備等方面，對原油減壓深拔技術進行了研究，提出了提高減壓拔出率的途經，從而有利于提高減壓蒸餾裝置的經濟效益。

減壓深拔；進料段；填料；塔內構件；液體分布器

從全球目前已探明的石油資源來看，世界原油有日益變重的趨勢。在未來的原油資源供應中重質原油的比例將不斷增加，中質和輕質原油的比例將持續下降。因此，提高原油一次蒸餾中的拔出率獲得更多的直餾餾分油,以取得石油加工最大的經濟效益成為全球煉化行業共同發展的方向。而且我國常減壓裝置減壓渣油的產率一般都在50%以上[1]，如何將大量的減壓渣油通過不同的技術轉化為輕質油品是我國煉油工作者主要的研究方向之一。常減壓裝置減壓深拔技術則是其中具有代表性的技術之一。

1 減壓深拔技術的現狀

國外學者[2-3]已對減壓深拔技術進行了較為深入的研究，一些研究成果已成功地應用到了生產實踐中，并取得了較好的經濟效益。最具代表性擁有獨立減壓深拔技術的公司有SHELL和美國的KBC公司。SHELL石油公司[4]的減壓深拔技術采用深度閃蒸高真空裝置（HUV）技術，減壓塔空塔設計，壓降較小，全塔壓降只有400 Pa，實沸點切割溫度可達到585℃，比較適用于新建減壓塔裝置的設計。美國KBC公司[5]的減壓深拔技術則是通過其軟件模擬計算功能對減壓蒸餾裝置進行模擬，根據測試數據，給出不同原油的結焦曲線，從而提高常壓塔/減壓塔的切割點，使減壓蒸餾切割點達到607～621℃。另外，美國Mobil石油公司減壓深拔技術則是在減少液體渣油夾帶的同時，使減壓塔閃蒸段達到最低的壓力和最高的溫度，其主要特點是減壓塔具有閃蒸段脫夾帶升氣管的專利分餾設備[6]，通過方向的改變使液相脫夾帶，并使壓差降低到133.3 Pa（如圖1所示）。而且通過利用特殊的噴嘴，使減壓塔內保持盡可能低的塔壓，保證在最低的壓力和最高的溫度下以提高減壓瓦斯油（VGO）的收率和瓦斯油的精確分離。達到原油蒸餾的深拔并保證產品質量。

圖1 閃蒸段脫夾帶升氣管Fig.1 Vapor riser of removing entrainment in flash zone

國內大多數常減壓裝置的實沸點切割點都在540℃以下，有一些常減壓裝置的實沸點切割還在520℃左右。我國常減壓裝置的減壓深拔技術水平與國外相比還存在較大的差距。近年來，國內許多研究人員也對常減壓裝置減壓深拔技術做了一系列積極有益的探索，使我國減壓深拔技術的發展取得了很大的進步?？傮w來看，發展方向主要集中在以下幾個方面：（1）采用低壓降和低溫降的轉油線；（2）維持塔頂的高真空度；（3）采用低壓降的新型塔填料和內件，開發新型的進料分布器和液體分布器；（4）改進洗滌段的設計和操作，強化洗滌段的分餾理念，不斷改善VGO的質量；（5）采用空塔噴淋傳熱和冷凝，減少減壓塔填料床層高度以降低全塔壓降；（6）采用強化原油蒸餾法[7]；（7）開發用于減壓蒸餾過程的模擬軟件。通過這些技術的研究和應用，國內常減壓蒸餾技術和傳統的蒸餾相比取得了長足的進步和發展，但仍存在很多問題，有巨大的潛力可挖。

2 影響減壓拔出率的因素

2.1 原油性質

常減壓裝置所加工的原油性質直接影響著裝置是否進行減壓深拔和深拔的程度。國內資料表明[6]：大慶低硫石蠟基原油實沸點切割點到565℃，減壓渣油的殘炭值也只有9.5%，Ni+V總量也不超過10×10-6，仍可作為催化裂化（FCC）及重油催化裂化（RFCC）的摻煉原料，因此沒有必要進行深拔。而勝利原油減壓渣油500℃以上餾分重金屬質量分數很高，Ni為 49×10-6，V 為 3.5×10-6，Fe 為 56.8×10-6，很難由FCC或RFCC加工。但經窄餾分分析發現其重金屬主要集中在600℃以上的組分，600℃以前的餾分重金屬含量很低，因此很有必要進行深拔。而孤島和羊三木原油525～575℃減壓餾分的密度大，殘炭值很高，不能由FCC或RFCC處理，但經研究分析，其＞525℃的減壓渣油是生產高品級瀝青的優良原料，因此可根據產品結構優化全廠的生產方案，對蒸餾裝置進行適當的深拔操作。對于伊朗、阿拉伯這樣的輕油，其減壓渣油的密度大，殘炭值高，重金屬含量高，一般只能作為加氫處理和焦化的原料，此種情況宜考慮減壓深拔，以減少減壓渣油的產率，增加VGO的收率，為下游裝置提供更多的原料。另外，對于潤滑油型常減壓蒸餾，餾分油的切割應以黏度為基準。石蠟基基礎油650SN、中間基基礎油900ZN的恩氏蒸餾流程范圍一般在460～560℃和430～510℃，渣油切割點約為535℃。提高渣油切割點將會降低渣油溶劑脫瀝青的輕脫油（DAO）的收率，降低全廠潤滑油的總產量。因此沒有必要考慮深拔，控制減壓蒸餾的切割點在535～540℃就可以。

2.2 減壓進料段的溫度及壓力

影響減壓深拔拔出率的主要因素是減壓塔進料段的油氣分壓和溫度。進料溫度越高，或油氣分壓越低，則進料段物流的汽化率就越大，拔出率則越高。圖2描述了溫度和壓力對減壓拔出率的影響[6]。由圖2可以看出，在閃蒸段壓力為0.8 kPa、溫度為730℉（398.9℃）操作條件下的拔出率與閃蒸段壓力為 1.866 kPa、溫度為780℉（415.6℃）操作條件下的拔出率是相同的。此外，壓力從2.133 kPa降低到1.866 kPa時VGO收率提高了0.46%，而壓力從1.068 kPa降到0.8 kPa時VGO收率提高了0.77%。由此可見，降低閃蒸段壓力可以有效地提高VGO的拔出率。進料溫度受油品裂解和結焦的限制，為了保證減壓蒸餾產品質量和裝置的長周期運行，對減壓爐出口溫度要加以限制，一般控制在390～400℃。因此要提高減壓拔出率主要通過降低進料段的油氣分壓來實現。

圖2 減壓拔出率與溫度及壓力的關系Fig.2 The relation between deep-cut rate and temperature or pressure

2.3 產品質量

影響減壓深拔的另一個因素是VGO特別是減三或減四線的產品質量[8]。比如國內一煉化公司的常減壓蒸餾裝置，其減三線VGO 90%點切割到了527℃，含硫質量分數2.84%，殘炭質量分數1.51%；而減四線VGO 10%點切割為524℃，密度（20℃）就已經達到了1 014.6 kg/m3，含硫質量分數4.72%，殘炭質量分數達到19.98%，重金屬含量也相當高，其VGO已經很難由下游裝置FCC或加氫裂化（HDC）來處理，使得減壓深拔失去了意義甚至難以進行下去。因此，減壓蒸餾VGO質量也影響了裝置的減壓深拔能否進行下去。究其原因，減壓深拔產品質量的影響因素在于減壓塔進料段霧沫夾帶嚴重和減壓塔分離效果不好。

3 提高減壓拔出率的研究

3.1 對原料油性質的表征分析

在確定原油常減壓蒸餾是否進行深拔之前，首先要對所加工原油的性質進行分析表征，從而制定適合特定原油的減壓深拔方案。表1列出了幾種原料油的性質，可以看出：大慶和江漢常壓渣油（AR）的密度（20℃）均＜0.92 g/cm3，殘炭質量分數分別為4.7%和0.43%，重金屬總量均＜30 μg/g，其中大慶AR 的 w（Ni）＜5.8 μg/g，w（V）＜0.1 μg/g，江漢 AR的 w（Ni）＜7.2 μg/g，w（V）＜1.9 μg/g。這 2 種原料油的都可以直接供RFCC或FCC加工，在制定其減壓蒸餾方案時可以考慮不用過高地進行深拔處理。其它幾種AR的殘炭質量分數均＞5%，塔河AR甚至達到18.2%，重金屬質量分數都在30 μg/g以上，很難由下游的裝置進行處理，都應該進行減壓深拔。特別是進口的科威特輕質油，其減壓渣油重金屬含量高，殘炭值高，硫含量高，只能作為焦化或加氫脫硫（VRDS）的原料，應該深拔到560℃以上或更高。

表1 原料油的性質Table 1 The properties of crude oils

3.2 減壓深拔技術工藝研究

3.2.1 采用低速減壓轉油線

在不考慮散熱損失的前提下，減壓轉油線是一絕熱過程。低速轉油線是閃蒸型兩相流管道，認為管道內油氣處于相平衡狀態，按照吉布斯相律：

式中：f——自由度；

C——組分數；

P——相數。

轉油線內油的組成是確定的，即C＝1；轉油線內為氣液兩相，即P＝2；代入式（1）則f＝1。因此轉油線內油氣自由度數為1，而油氣在轉油線內傳送過程中由于位能、動能、靜壓能等機械能損失和管道阻力引起轉油線入口到出口的壓力不斷下降，所以轉油線內的自由度是轉油線內的壓力。當壓力降低后油氣就在新的比較低的壓力下趨近相平衡，這樣液相中的輕組分就會有部分汽化而進入氣相中。由于轉油線內是絕熱過程，這部分輕組分的汽化潛熱只能從油氣本身獲得，勢必造成油氣溫度降低。因此，在轉油線內是壓力的變化帶動油品汽化率的變化，從而引起溫度的變化，即壓降決定溫降。減小溫降的關鍵是減小壓降。采用低速轉油線減少了轉油線出入口的壓降，有效降低了油氣進入轉油線的溫降。也勢必造成了轉油線內汽化率的變化值△V＝V出口-V入口減少（V出口為轉油線出口汽化率，%，V入口為轉油線入口汽化率，%），這就要求轉油線入口汽化率V入口即爐出口汽化率上升。要達到這點要求減壓爐爐管逐級擴徑，減壓爐汽化點提前。

3.2.2 采用空塔噴淋傳熱

減壓塔冷凝段的作用是將上升到該段沸點較低的餾份油氣冷凝下來，作為HVGO或LVGO。在冷凝段分餾作用不是主要的，汽液接觸單元的主要任務不在于傳質，而在于傳熱。冷凝的好壞直接影響減壓瓦斯油產率和塔頂真空度。因此，新工藝（如圖3所示）研究在有分離要求的柴油分離段以及洗滌段設置填料，其他無分離要求的輕減壓瓦斯油（LVGO）冷凝段和重減壓瓦斯油（HVGO）冷凝段不設填料或少設填料，靠回流油噴淋與上升氣體直接接觸傳熱冷凝，從而減少塔填料的裝填以降低全塔總壓力降。

3.2.3 采用過汽化油爐前循環技術

為了降低餾出油VGO特別是HVGO的殘炭值和重金屬含量，減壓塔的汽化段上方設有洗滌段。所用的洗滌油是最下一個側線餾出油。為了保證最下側線抽出板有一定的內回流量，必須有一定比例的過汽化油。這就要求進料段的渣油切割點高于HVGO的切割點。顯然，它們之間的過汽化油的餾分是最重的，而且含有洗滌段洗滌下來的由進料段氣體夾帶上去的渣油液滴，其中的瀝青和膠質含量即焦炭前身的含量比較多，容易造成洗滌段結焦。因此，研究采用過汽化油不直接循環回洗滌段上方作為洗滌油，以免形成目前大多數減壓塔的臟洗滌段，而是把過汽化油送至減壓爐入口，構成過汽化油爐前大循環（如圖3所示）。其中較輕的部分再次汽化，把熱量帶到減壓重餾份油冷凝段，冷凝為液體后以內回流的方式進入洗滌段頂部，作為凈洗滌油以保證HVGO的質量指標。這種流程從原理上看，相當于設立了過汽化油再沸器，強化了過汽化油與減壓重餾份油之間的分離。

圖3 新工藝流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of new process flowsheet

3.2.4 采用強化原油蒸餾法

石油是一種以復雜結構單元為分散相、以低分子烴類為分散介質所組成的分散系。由于分子間存在范德華力，石油中的膠質、瀝青質、稠環芳烴等高分子化合物會互相締合，形成“超分子結構”。這些超分子結構能吸引一部分分子量較小、芳構化程度較低的烴類，使其吸附或溶解在超分子結構周圍形成了以超分子結構為核，以吸附層或溶劑化層為殼的“復雜結構單元”。當原油進行蒸餾時，一部分存在于溶劑化外殼中的低分子烴類由于受到“超分子結構”吸附力的作用，在其達到沸點時也難以汽化，致使一些輕組分（如蠟油）殘存于重組分（如渣油）中，使得原油蒸餾的拔出率不高。而通過往原油或常壓渣油中加入活性添加劑(重芳烴)，從而改變系統狀態，調節石油分散系中分子間的相互作用力，使一部分餾份油的相對揮發度增加，提高減壓蒸餾的拔出率。

3.3 減壓深拔技術設備研究

3.3.1 采用新型規整填料

規整填料與散堆填料及塔盤相比，具有分離效率高、流通量大、壓降小、操作彈性大等綜合優良性能，特別適用于以壓力降為控制因素的大型減壓塔。國外以Sulzer的Mellapak、Mellapakplus和前Glitsch的Gempak規整填料為代表的新型填料在蒸餾塔中得到了廣泛的應用。國內規整填料在近年來取得了很大的發展，尤其是天津大學專利產品ZUPAC組成系列規整填料和天津天大天久科技股份有限公司開發的新型雙向曲波填料Zhaopak，在國內常減壓蒸餾裝置使用獲得了良好的結果。與同型號的Mellapak型金屬孔板波紋填料相比，分離效率提高了10%，流通量提高了20%，全塔壓力降減少了30%以上。適合于更高通量和較低壓降的填料塔。

3.3.2 采用新型的進料分布器

對于使用大空隙率、低壓降新型高效規整填料的大直徑、薄填料層的減壓塔，進料氣體分布器至關重要。不良的氣體分布會造成填料層內氣相的偏流，使塔的分離效率嚴重下降；而且霧沫夾帶不僅影響了塔內氣液傳質、傳熱效果，還嚴重影響了塔最底層側線產品的質量（使HVGO重金屬含量和殘炭值不合格），而且容易造成進料分布器上方塔內構件堵塞或腐蝕。為此，研究進料分布器的性能，理解其中氣液運動規律，研究開發結構合理、性能優良的進料分布器，是減壓深拔技術不可或缺的重要內容。經資料表明：國內開發的新型雙切向環流進料分布器具有氣體分布均勻、壓降低、霧沫夾帶小等性能。但仍沒有解決由于流通面積的突變和氣速的變化而造成氣體分布不均勻性。天津大學的專業技術——具有捕液吸收性能的雙切向環流進料分布器，是在雙切向擋板式進料分布器的基礎上增設了捕液吸能器。從而使進料氣體上升后更加均勻，基本上消除了液相夾帶，同時也大大降低了閃蒸空間。天津大學的專利產品帶防旋流擋板的進料分布器，在分布器內套筒的內側設置3～8個具有一定夾角的防旋流擋板，阻止上升的氣流旋轉，減少對液體的夾帶，同時進一步分布上升的氣體。

總之，開發進料分布器應著力于使進料分布器具有以下的性能：（1）氣體分布均勻，即進料氣流經過進料分布器能均勻地進入填料床層；（2）阻力小，能有效地降低全塔壓降；（3）所占空間小，結構簡單，易于安裝；（4）不易堵塞、結焦；（5）進料氣液兩相容易分離。

3.3.3 采用新型液體分布器

對于大直徑、多側線、薄填料床層的減壓塔，對液體的不均勻分布極為敏感。液體分布的優劣往往決定了整個填料減壓塔的性能。液體在塔內的分布性能在很大程度上依賴于液體的初始分布。因此液體分布器的研究也是減壓塔進行深拔技術研究的一個重要方面。液體分布器按液體流動的推動力分類有壓力型和重力型；從結構形狀上有管式、盤式和槽式。無論什么類型和結構，良好的液體分布器必須滿足以下幾點[9]：（1）分布均勻，液體均勻分布有三條重要標準：足夠的噴淋點密度；淋降點分布的幾何均勻性；淋降點間流量的均勻性；（2）足夠的氣流通道，一個性能優良的液體分布器，氣流通道應占塔截面的50%～70%。若氣流通道太小，則氣速過高，壓降增大。當氣流穿過升氣管的壓降大于液柱壓頭時則液泛就會發生；（3）良好的操作可行性及適當的操作彈性。

3.3.4 優化塔頂抽真空系統

塔頂真空度的高低和全塔壓降決定了進料段真空度的高低，進而影響拔出率的高低。在減壓塔蒸餾裝置建成以后，提高塔頂真空度就成為控制進料真空度的唯一措施。但塔頂真空度和拔出率之間存在優化的問題。要對全塔進行技術經濟分析研究。

4 結束語

減壓深拔是從重、劣質油中獲得更多輕質油的主要手段，減壓深拔技術的研究開發和應用，適應市場發展對煉化企業的客觀要求，在日趨激烈的競爭中，可使企業獲得寶貴的競爭優勢。更為重要的是，減壓深拔技術適應我國“節能減排”、節約資源、可持續發展的戰略要求，符合國家經濟的總體發展趨勢，具有重要的現實意義。當然，減壓深拔并不是適合所有的原油蒸餾裝置，也要根據全廠的產品方案和加工流程來具體考慮常減壓裝置的減壓深拔問題。

[1] 張韜.渣油的深拔研究[J].石油學報（石油加工），2002，18（4）：30-33.

[2]雷平.減壓深拔技術在常減壓蒸餾裝置上的應用[J].石油煉制與化工，2010，41（7）：34-38.

[3]趙曉敏.常減壓蒸餾裝置的減壓拔出率現狀和改進措施[J].石化技術，2008，15（2）：30-32.

[4]李秀芝.常減壓蒸餾裝置減壓深拔的研究[J].石化技術，2005，12（3）：10-14.

[5]李憑力，李秀芝，白躍華，等.常減壓蒸餾裝置的減壓深拔[J].化工進展，2003，12：1290-1294.

[6] 楊伯極.試論減壓蒸餾的深拔[J].煉油設計，1996，26（2）:10-14.

[7]蔡玉梅，劉公和，林誠.加劑強化蒸餾提高輕質原油常減拔出率的研究[J].福建化工，2002（3）：13-14.

[8]李奎斌，湯景凝.提高原油減壓蒸餾拔出率途經的研究[J].石油煉制與化工，1996（3）：17-21.

[9]董誼任.填料塔液體分布器的設計[J].化工生產與技術，1998（1）：3-4.

Technical Study on Deep Vacuum Distillation of Crude Oil

ZHANG Long，QI Hui-min，LI Bao-zhong
（Fushun research institute of petroleum and petrochemicals，Liaoning Fushun 113001，China）

Combining with the current situation and research trends of deep vacuum distillation of crude oil home and abroad，the influence factors and feasibilities of vacuum deep-cut technologies were analyzed with details.The vacuum deep-cut technologies were systemically and fully studied from oil property、distillation process、and vacuum tower and so on.The approaches of increasing deep-cut rate were presented so as to improve economic benefit of vacuum distillation unit.

vacuum deep-cut；feeding section；packing；inner components of tower；liquid distributor

TE 624.1

A

1671-0460（2010）05-0519-05

2010-07-25

張 龍（1973-），男，碩士，高級工程師，2007年畢業于遼寧石油化工大學，現從事石油化工工藝工程設計與研究。電話：0413-6389792，E-mail：zhanglong.fshy@sinopec.com。