原料性質對連續重整裝置能耗的影響

王弘歷，龔 燕，王廣河，郭 彥

（中國石油規劃總院，北京100083）

能效對標是指企業為提高能效水平，與國際國內同行業先進企業能效指標進行對比分析，確定標桿，通過管理和技術措施，達到標桿或更高能效水平的實踐活動［1］。隨著煉化企業對用能水平重視程度的顯著提升，通過能效對標尋找企業之間的差距，進而挖掘節能潛力的工作方法越來越受到重視。但是，由于不同裝置的原料性質、產品質量要求、工藝流程等基礎條件不同，導致比較基準不同，因而，不能簡單地以裝置綜合能耗指標作為對標和節能挖潛的依據。對于連續重整裝置，國內目前多采用UOP或IFP公司的專利技術，已有研究表明采用不同專利技術對裝置能耗的影響并不大［2］。因而，在進行不同企業連續重整裝置能耗對比時，比較基準的差別主要在于原料性質和產品要求的不同。對于重整石腦油原料，實際生產中多采用芳烴潛含量（以下簡稱芳潛）和芳構化指數（N＋2A，N、A分別表示原料中環烷烴和芳烴的質量分數）作為原料評價指標。原料的芳潛或芳構化指數越高，表明原料中環烷烴和芳烴含量越高，重整生成油的芳烴產量就越大、辛烷值越高。因此，可以利用原料的芳潛或芳構化指數估算重整反應操作條件、重整產率和產品辛烷值。但是，在相同的產品辛烷值要求下，上述參數能否有效表征裝置能耗大小尚無研究。本課題旨在研究一種新的原料表征指標，用以關聯裝置能耗變化，為實現不同連續重整裝置能效的科學合理對標奠定基礎。

1 研究方法

實際生產中，同一套裝置的原料性質和產品要求一般變化不大；而不同裝置的實際能耗數據由于操作條件不同等原因往往不能直接用于研究。通過軟件工具建立裝置模擬模型，則可以方便地控制裝置的原料性質、產品要求和操作參數，因而在進行原料性質和產品要求對能耗影響的研究時具有明顯優勢。

首先利用英國先進技術公司（KBC）的REFSIM重整反應動力學模型和Petro－SIM流程模擬軟件，依據某煉油廠實際數據建立典型燃料型連續重整裝置模擬模型；然后在保持生產方案、工藝流程和操作條件不變的情況下，利用模型計算13種典型重整原料及5種產品辛烷值要求下裝置能耗的變化情況；進一步研究常用原料評價指標與裝置能耗間的關系，并基于對重整反應過程的分析和數學回歸方法，提出一種新的原料評價指標。研究所用的連續重整裝置模型包括預分餾、預加氫、重整反應及產品穩定單元，不包括芳烴抽提和芳烴精餾單元；主要操作條件為：重整反應壓力0.35MPa，氫油摩爾比2.0，產品研究法辛烷值（RON）范圍95～102［3－5］。能耗計算依據GB/T 50441—2007的相關規定進行，涵蓋了模型涉及的所有流程。

2 結果與討論

2.1 常用原料表征指標與裝置能耗的關系

在重整汽油RON為95的條件下，計算得到的裝置能耗與原料芳潛和芳構化指數的關系見圖1和圖2。由圖1和圖2可見，圖中數據點分布的規律性較差，采用線性回歸獲得的決定系數分別為0.108 8和0.434 3，說明芳潛和芳構化指數不能很好地表征原料性質對裝置能耗的影響。這是因為芳潛和芳構化指數只能說明生產芳烴的可能性，在同樣的生產條件和產品辛烷值要求下，實際的芳烴轉化率主要取決于環烷烴的分子結構［6］，同時也受到烷烴芳構化反應的影響。不同分子結構的環烷烴和烷烴的轉化率有所不同，并且苯、甲苯等芳烴產物的辛烷值差別也較大。因此，即使兩種芳潛或芳構化指數接近的原料進行重整反應后達到同樣的產品辛烷值要求，其產氫率和C5＋液體收率仍可能有所不同，導致反應能耗及后續分餾部分能耗不同，從而引起裝置總體能耗指標的不同。

圖1 重整原料芳潛與裝置能耗的關系

圖2 重整原料芳構化指數與裝置能耗的關系

由于芳潛、芳構化指數等常用的原料評價指標不能很好地將原料性質與裝置能耗進行關聯，因此需要對原料組成與裝置能耗之間的關系進行進一步的研究，建立新的原料評價指標及其與裝置能耗間的關聯關系，為更加合理地開展裝置能效對標奠定基礎。

2.2 新的原料表征指標及其與裝置能耗的關系

通過分析重整反應機理可知，重整汽油產品辛烷值的提高主要是由生成芳烴的反應貢獻的，而生成芳烴的主要反應有六元環烷烴脫氫反應、五元環烷烴脫氫異構化反應以及烷烴脫氫環化反應，這3類反應均為強吸熱反應，且反應熱值相近，如環己烷脫氫生成苯的反應熱為221kJ/mol，正己烷脫氫環化生成苯的反應熱為266kJ/mol［6］。因此，原則上來說，重整原料中芳烴含量越少，產品達到相同辛烷值所需的反應熱越多、裝置能耗越大。同時，由于部分烷烴會發生異構化、少量烷烴會發生氫解和加氫裂化等放熱反應，對于芳烴含量相近而環烷烴含量相差較大的重整原料，裝置能耗仍然會有一定的差別。因此重整裝置能耗主要受到原料中芳烴含量的影響，同時也因環烷烴（或鏈烷烴）含量不同而有所變化。

考慮到環烷烴、鏈烷烴中發生芳構化反應的主要組分為C6～C10組分，本研究針對C6～C10范圍內芳烴、環烷烴、鏈烷烴含量進行了多種形式組合，建立了不同的原料評價指標，并通過回歸分析各評價指標與裝置能耗數據之間的關系，篩選獲得了可以較好地關聯原料性質與裝置能耗的新的重整原料表征指標（R），即：式中：A為原料中芳烴的質量分數；N和P分別為C6～C10環烷烴和鏈烷烴的質量分數。

原料指標R與裝置能耗的回歸關系見圖3。從圖3可以看出，指標R與裝置能耗之間有明顯的線性相關性，采用線性回歸獲得二者的關系式為：y＝－kx＋b，決定系數為0.970 2，擬合精度較高，可以有效關聯原料性質對裝置能耗的影響。

圖3 指標R與裝置能耗的關系

進一步從物理意義上分析，A/（N＋P）為原料中芳烴和C6～C10非芳烴的相對含量，A/（N＋P）越大，說明原料中芳烴相對含量越高，達到同樣辛烷值所需發生的反應越少，因而能耗越低。在數學處理上，指標采用比值形式可以更好地體現芳烴和主要非芳烴含量不同對能耗的影響。

以原料的R值為自變量，分別考察不同產品辛烷值要求下該指標與裝置能耗的關系，結果見圖4。由圖4可見，在不同的產品辛烷值要求下，本研究提出的原料性質表征指標R均與裝置能耗呈現較好的關聯性，可以作為表征原料性質對裝置能耗影響的參數。

圖4 不同產品辛烷值要求下重整裝置能耗與原料指標R的關系產品RON：◆—95；■—97；▲—99；▲—101；●—102

建議在開展連續重整裝置能效對標時，首先計算裝置的原料R值，進而在與本裝置原料R值、產品辛烷值均較為相近的裝置中選擇先進的能耗指標作為對標標準，這樣獲得的對標結果能夠更加客觀地反映裝置的用能水平，可為裝置用能水平差距分析和企業節能管理提供更有效的指導。

3 結束語

常用的原料評價指標（芳潛和芳構化指數）不能有效地關聯原料性質與裝置能耗間的關系。基于重整反應過程分析和數學回歸方法提出的原料評價指標R（A/（N＋P）），可以有效反映不同原料性質對裝置能耗的影響；在相同產品辛烷值要求下，可以作為不同連續重整裝置之間能效對標的基礎評價參數。

［1］ 國家發展和改革委員會資源節約和環境保護司.重點耗能行業能效對標指南［M］.北京：中國環境科學出版社，2009：3－5

［2］ 張方方.連續重整裝置的能耗淺析［J］.石油煉制與化工，2008，39（5）：67－70

［3］ 李成棟.催化重整裝置技術問答［M］.北京：中國石化出版社，2010：9－12

［4］ 林世雄.石油煉制工程［M］.北京：石油工業出版社，2000：469－485

［5］ 鮑偉.連續重整裝置設計參數的選擇［J］.石油化工，2006，35（3）：182－186

［6］ 徐承恩.催化重整工藝與工程［M］.北京：中國石化出版社，2006：96－103