催化裂化原料特性因子的計(jì)算

程 從 禮

（中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

特性因數(shù)K常用于劃分石油和石油餾分的化學(xué)組成，在評(píng)價(jià)催化裂化原料的質(zhì)量上被普遍使用。特性因數(shù)K值又稱Watson K值或UOP K值［1］，是油品平均沸點(diǎn)和相對(duì)密度的函數(shù)，其具體的關(guān)系式如下：

式（1）中，Tcub為立方平均沸點(diǎn)，K；為15.6℃時(shí)油品的密度與水的密度的比值。

式（2）中，Tmid為中平均沸點(diǎn)，K；Tmol為分子平均沸點(diǎn)，K。

特性因數(shù)是一種說(shuō)明催化裂化原料中石蠟烴含量的指標(biāo)。K值高，原料的石蠟烴含量高；K值低，原料的石蠟烴含量低。但K值在芳烴和環(huán)烷烴之間則不能被有效區(qū)分。烷烴的K值最大，約為12.7；環(huán)烷烴的K值次之，為11～12；芳烴的K值最小，為10～11。原料特性因數(shù)K值的高低最能說(shuō)明該原料的生焦傾向和裂化性能。原料的K值越高，就越易于進(jìn)行裂化反應(yīng)，而且生焦傾向也越??；反之，原料的K值越低，就越難于進(jìn)行裂化反應(yīng)，而且生焦傾向也越大。所以K值是表征油品化學(xué)組成的重要參數(shù)，?？捎糜陉P(guān)聯(lián)其它物理性質(zhì)。但對(duì)于含有大量烯烴、二烯烴和芳烴的二次加工產(chǎn)物，特性因數(shù)并不能準(zhǔn)確地表征其化學(xué)屬性，使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大的誤差［2－4］。

特性因數(shù)的計(jì)算方法有兩種：一是依據(jù)餾程和密度的分析數(shù)據(jù)，由公式（1）和公式（2）再結(jié)合諾謨圖查圖計(jì)算；二是根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量和密度的數(shù)據(jù)由經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。由于在日常生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)原料通常只進(jìn)行密度、殘?zhí)恳约梆s程等常規(guī)項(xiàng)目的分析，給催化裂化特性因數(shù)K值的計(jì)算帶來(lái)困難。

本課題從催化裂化工業(yè)裝置原料的日常分析數(shù)據(jù)（通常只有密度、殘?zhí)恳约梆s程）出發(fā)，提出催化裂化原料特性因素的計(jì)算式，以便于科研、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)部門(mén)快速準(zhǔn)確地了解裝置所加工原料的性質(zhì)。

1 基于餾程和密度的特性因數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)餾程分析數(shù)據(jù)，按照式（4）計(jì)算體積平均沸點(diǎn)tvol。

式（4）中，t10，t30，t50，t70，t90分別表示餾出體積分?jǐn)?shù)為10%，30%，50%，70%，90% 時(shí) 的 餾 出 溫度，℃。

由式（5）計(jì)算餾程曲線的斜率。

根據(jù)式（4）計(jì)算出體積平均沸點(diǎn)tvol后，采用諾謨圖，由10%～90%餾程直線斜率s10～90查出該斜率所對(duì)應(yīng)的相對(duì)于體積平均沸點(diǎn)的校正值tcal，然后按照式（6）計(jì)算平均沸點(diǎn)。

式（6）中，ti是泛指平均沸點(diǎn)，可以分別表示分子平均沸點(diǎn)、中平均沸點(diǎn)、立方平均沸點(diǎn)或質(zhì)量平均沸點(diǎn)，℃。

由式（1）和式（2）可知，要計(jì)算特性因數(shù) K值，關(guān)鍵是求出平均沸點(diǎn)。雖然由餾程數(shù)據(jù)得到10%～90%餾程直線斜率后可以查閱諾謨圖得到各平均沸點(diǎn)的校正值，但是該方法并不方便，尤其在編制催化裂化計(jì)算模擬軟件時(shí)不利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。為此，根據(jù)諾謨圖中的曲線提出如式（7）所示的計(jì)算體積平均沸點(diǎn)校正值tcal的關(guān)系式。

由式（7）可見(jiàn)，平均沸點(diǎn)的校正值被關(guān)聯(lián)成體積平均沸點(diǎn)和10%～90%餾程直線斜率的函數(shù)。式（7）中a，b，c等參數(shù)表示校正系數(shù)，對(duì)于不同的平均沸點(diǎn)其值不同，其具體數(shù)值可以從諾謨圖中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到，分別列于表1。

表1 平均沸點(diǎn)校正系數(shù)

通過(guò)一個(gè)實(shí)例對(duì)平均沸點(diǎn)的計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，表2為原料餾程，表3為平均沸點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果。由表3可見(jiàn)，式（6）和式（7）的計(jì)算精度較高，相對(duì)誤差小于1.5%。

表2 原料餾程

表3 由式（7）計(jì)算得到的原料平均沸點(diǎn)結(jié)果

根據(jù)原料的餾程數(shù)據(jù)，由式（6）、式（7）可以計(jì)算出平均沸點(diǎn)，對(duì)于UOP K值，選擇立方平均沸點(diǎn)，對(duì)于Watson K值選擇中平均沸點(diǎn)。計(jì)算特性因數(shù)K值時(shí)，除了平均沸點(diǎn)之外，還需要原料的密度。通常煉油廠分析數(shù)據(jù)提供的是20℃的密度，而特性因數(shù)K值需要15.6℃（即60℉）條件下的密度，為此需要將20℃的密度換算成15.6℃的密度。

原料的密度與溫度有著密切的關(guān)系，根據(jù)不同溫度下的原料密度數(shù)據(jù)［5］，關(guān)聯(lián)出原料密度與溫度的變化關(guān)系式：

式（8）中，t表示溫度，℃；dfeed表示原料的密度，g／cm3。

以某MIP裝置的原料性質(zhì)標(biāo)定值為例，利用上述計(jì)算式對(duì)該原料的特性因數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，計(jì)算出的UOP K值為11.74，Watson K值為11.72，二者十分接近。由此可見(jiàn)，該原料油可定性為環(huán)烷基原料油。

表4 某MIP裝置的原料性質(zhì)及特性因數(shù)計(jì)算值

2 基于10%餾出溫度和密度的特性因數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)式（1）或式（2）的特性因子計(jì)算式，已知原料的密度和平均沸點(diǎn)就可以計(jì)算出特性因子。由于催化裂化原料通常密度較大，大多數(shù)情況下并不能得到完整的餾程數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［2］報(bào)道用原料的平均相對(duì)分子質(zhì)量和20℃下的相對(duì)密度對(duì)立方平均沸點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如式（9）所示。

式（9）中，M表示原料的平均相對(duì)分子質(zhì)量。

利用式（9）計(jì)算原料的立方平均沸點(diǎn)時(shí)，需要原料的平均相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)量值，該值在煉油廠催化裂化裝置日常生產(chǎn)分析中幾乎不進(jìn)行測(cè)試，所以式（9）的應(yīng)用受到限制。但是，在煉油廠催化裂化原料的常規(guī)分析項(xiàng)目中，可以得到10%餾出體積時(shí)的溫度。本課題由原料的密度和10%餾出體積下的溫度（t10）回歸出立方平均沸點(diǎn)的計(jì)算式，進(jìn)而根據(jù)式（1）計(jì)算特性因子UOP K值。立方平均沸點(diǎn)的計(jì)算式如式（10）所示。

根據(jù)11套催化裂化裝置的原料數(shù)據(jù)，采用式（7）、式（9）以及式（10）進(jìn)行立方平均沸點(diǎn)計(jì)算并進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5中立方平均沸點(diǎn)的實(shí)測(cè)值指的是利用式（7）計(jì)算得到的結(jié)果，因?yàn)樵撝蹬c諾謨圖查得的值非常接近。如果取相對(duì)誤差的絕對(duì)值，式（10）的平均相對(duì)誤差為1.59%，而式（9）的平均相對(duì)誤差為2.89%。從相對(duì)誤差絕對(duì)值的范圍來(lái)看，式（10）的相對(duì)誤差絕對(duì)值在0.04%～3.56%之間，而式（9）的相對(duì)誤差絕對(duì)值范圍則為0.97%～5.76%。由此可見(jiàn)，在不能得到完整的餾程數(shù)據(jù)時(shí)，本課題提出的計(jì)算式（10）的精度高于式（9）。

表5 不同方法得到的催化裂化原料的立方平均沸點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)諾謨圖的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)出質(zhì)量平均沸點(diǎn)、分子平均沸點(diǎn)、立方平均沸點(diǎn)和中平均沸點(diǎn)的計(jì)算式。計(jì)算結(jié)果與諾謨圖的數(shù)值非常接近，在已知原料完整餾程的條件下，完全可以替代諾謨圖。

（2）根據(jù)原料密度以及10%餾出體積時(shí)的溫度關(guān)聯(lián)出分子平均沸點(diǎn)的關(guān)系式，用于計(jì)算特性因子UOP K值。該關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的相對(duì)誤差小于4%。

（3）提出了原料密度與溫度的關(guān)系式，該關(guān)系式不僅可用于特性因數(shù)的計(jì)算，而且可用于催化裂化工業(yè)裝置標(biāo)定時(shí)原料流量的快速計(jì)算。

［1］US－ASTM.UOP Method 375—2007.Calculation of UOP characterization factor and estimation of molecular weight of petroleum oil［S］.2007：1－14

［2］陳俊武.催化裂化工藝與工程［M］.2版.北京：中國(guó)石化出版社，2005：400－488

［3］曹漢昌，郝希仁，張韓.催化裂化工藝計(jì)算與技術(shù)分析［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000：33－60

［4］林世雄.石油煉制工程［M］.3版.北京：石油工業(yè)出版社，2000：63－107

［5］梁文杰.石油化學(xué)［M］.北京：石油大學(xué)出版社，1995：98－102