連續重整裝置設計參數研究

馬 愛 增

（中國石化石油化工科學研究院，北京100083）

催化重整是石油煉制與化工的支柱技術之一，其主要產品中的重整生成油是高辛烷值汽油調合組分，在歐美等發達國家的汽油池中，重整生成油的比例已經達到三分之一；重整芳烴是化纖、塑料和橡膠的基礎原料，全球70%以上芳烴來自重整芳烴；重整氫氣是廉價氫源，煉化企業50%以上的用氫由重整裝置提供，因此催化重整關系到國計民生。近十幾年來，我國催化重整加工能力迅速增長，到2012年7月，總加工能力超過50 Mt/a，其中連續重整裝置48套，加工能力達到44.44Mt/a。但與世界發達國家相比，催化重整能力占原油一次加工能力的比例依然偏小。為此，在未來幾年內，我國將新建多套大型連續重整裝置，進一步擴大催化重整的加工能力。

連續重整裝置的設計參數不僅決定裝置的技術經濟性，而且對裝置的安全平穩運轉有直接影響。本研究主要考察連續重整工藝參數的變化對反應結果的影響，對新建連續重整裝置設計參數的選擇進行探討。

1 實 驗

1.1 反應條件的實驗研究

反應條件的實驗研究在自建帶循環壓縮機的重整評價裝置上進行，催化劑采用PS-Ⅵ催化劑［1-4］，中試原料油性質及組成見表1。主要進行恒溫反應和變溫反應對重整過程影響的考察。恒溫反應條件為：壓力0.69MPa，體積空速2h-1，氫油體積比800，反應加權平均入口溫度（WAIT）530℃。變溫反應條件為：壓力0.35MPa，體積空速1.2h-1，氫油體積比1 300。

表1 中試評價原料油性質

1.2 工藝參數的模擬研究

采用自主開發的重整反應工藝模型，結合目前國內連續重整裝置上實際運行數據對工藝參數進行模擬研究。為了考察原料組成的影響，反應部分的進料選取芳烴潛含量（簡稱芳潛）較低的原料A和芳潛較高的原料B，其性質及組成見表2和表3。

表2 原料A和原料B的性質

2 結果與討論

2.1 工藝參數對重整反應的影響

2.1.1 反應壓力 在保持體積空速為1.2h-1、4個反應器裝填PS-Ⅵ催化劑的質量比為15/20/25/40、氫油物質的量比為2.50、C5＋產品研究法辛烷值為105的條件下，考察反應壓力對原料A重整反應性能的影響，結果見圖1～圖3。由圖1～圖3可見，隨著反應壓力的降低，達到相同辛烷值，液體產物中芳烴含量變化不大，C5＋液體收率、芳烴收率、辛烷值收率（辛烷值與收率的乘積）和純氫收率都明顯增加，但催化劑上積炭速率也明顯提高。由此可見，反應壓力的適當降低，有利于提高重整裝置的經濟效益，這與催化重整技術的發展趨勢是一致的；但隨著反應壓力的降低，裝置的再生能力也需要增加，這樣會引起再生部分設備的投資和再生部分能耗的增加。另外，反應壓力降低后，為了保持系統具有較低的壓降，就要適當增大管線直徑，增加循環氫壓縮機和增壓機等設備投資，也導致能耗增加。對于一套汽油型連續重整裝置，壓縮機的能耗一般占總能耗的6%左右［5］。反應壓力從0.35MPa下降到0.25MPa，增壓機能耗增加20%以上，循環氫壓縮機能耗增加80%以上。綜合考慮降低反應壓力的有利及不利因素以及反應物流經過每個設備都會產生壓降等因素，重整反應系統的平均反應壓力目前以控制在0.35MPa左右為宜。今后隨著機泵及設備等方面的技術進步，系統壓降進一步降低，反應壓力應盡可能降低。

圖1 反應壓力對原料A催化重整反應產物收率的影響

圖2 反應壓力對原料A催化重整反應氫氣收率的影響

圖3 反應壓力對原料A催化重整反應催化劑積炭速率的影響

2.1.2 反應溫度 一般采用加權平均入口溫度（WAIT）或加權平均床層溫度（WABT）描述催化重整的反應溫度。WAIT是各反應器催化劑裝填分數與反應器床層入口溫度乘積之和，WABT是各反應器催化劑裝填分數與反應器床層進出口平均溫度之乘積。在體積空速1.2h-1、4個反應器裝填PS-Ⅵ催化劑質量比15/20/25/40、氫油物質的量比2.50、平均反應壓力（表壓）0.35MPa的條件下，反應溫度對原料A重整反應性能的影響見表4。由表4可見：隨著反應溫度的升高，一方面產品辛烷值升高，芳烴收率和純氫收率增加；另一方面，液體收率降低，催化劑的積炭速率明顯增加。從表4還可以看出，隨著產品辛烷值的升高，芳烴收率的增加主要來源于C6和C7芳烴收率的增加，并且C6芳烴增加幅度大于C7芳烴，C8和芳烴收率不僅不再增加，而且呈現略有下降的趨勢。

表4 反應溫度對原料A主要反應結果的影響

針對當前工業裝置重整生成油中烯烴含量不斷升高、白土更換頻繁的實際問題，以表1中所列油品為重整原料，在中試裝置上考察反應溫度與重整產物中烯烴含量的關系，結果見表5。由表5可見，重整產物中的烯烴主要為C6烯烴，隨著反應溫度的升高，重整產物中烯烴含量增加。綜上所述，盡管增加反應溫度有利于芳烴和氫氣收率的增加，但考慮到產物中烯烴含量的增加，實際設計溫度不宜太高。

表5 反應溫度對重整生成油中烯烴含量及分布的影響 w，%

2.1.3 反應苛刻度的選擇

（1）汽油型重整裝置

圖4 C5＋產品辛烷值收率與C5＋產品辛烷值的關系

（2）芳烴型重整裝置

芳烴型連續重整裝置的主要目的是獲得芳烴，但對于不同裝置，生產目的可以劃分為3種情況：第1種是通過重整獲得BTX輕質芳烴；第2種是通過重整直接獲得C8芳烴；第3種是通過重整以及C7與芳烴歧化獲得C8芳烴。對于第1種情況，需要盡可能提高C5＋產品辛烷值，增加C6和C7芳烴收率；對于第2種情況，在保證C8芳烴最大化的同時，盡可能選擇較低的產品辛烷值作為設計值；對于第3種情況，需要考慮C7芳烴和C9＋芳烴的匹配，可以將歧化所需最低C7芳烴收率對應的產品辛烷值作為設計值，既滿足歧化的需要，最大化生產C8芳烴，又降低催化劑的積炭、設備投資和能耗。

2.1.4 氫油物質的量比 在體積空速1.2h-1、4個反應器裝填PS-Ⅵ催化劑的質量比15/20/25/40、平均反應壓力（表壓）0.35MPa、C5＋ 產品 RON為105的條件下，考察氫油物質的量比對原料A重整反應性能的影響，結果見表6。由表6可見，達到相同辛烷值時，隨著氫油物質的量比的增加，作為熱載體的循環氫量增大，反應所需的 WAIT明顯降低。隨著氫油物質的量比的增加，雖然液體收率、純氫收率和芳烴收率略有下降，但變化幅度不大。然而，氫油物質的量比對催化劑相對結焦因子（將氫油物質的量比為3.5時的相對結焦因子作為1.0，其它氫油物質的量比下的相對結焦因子為積炭速率與氫油物質的量比為3.5時的積炭速率之比）的影響卻很大（見圖5）。增大氫油物質的量比可以有效地降低催化劑的相對結焦因子，因而可以減小再生器規模，使再生裝置設備投資和操作能耗下降，但增大了循環氫壓縮機的設備投資和能耗；減小氫油物質的量比，催化劑的相對結焦因子迅速增加，使再生裝置設備投資和操作能耗增加，但循環氫壓縮機的設備投資和能耗降低。

表6 氫油物質的量比對原料A主要反應結果的影響

圖5 氫油物質的量比對催化劑相對結焦因子的影響

氫油物質的量比的選取要綜合考慮再生系統及循環氫壓縮機的設備投資和能耗。氫油物質的量比從2.5增加到4.0時，循環氫壓縮機的能耗增加60%［5］。因此，合適的氫油物質的量比可以使再生器和循環氫壓縮機的設備投資和能耗降到最小。由圖5可見，當氫油物質的量比小于2.0時，隨著氫油物質的量比的進一步下降，催化劑的積炭速率幾乎呈線性增加，因此，氫油物質的量比一般不低于2.0；當氫油物質的量比大于3.0時，隨著氫油物質的量比的進一步增加，催化劑的積炭速率下降幅度明顯變緩，因此氫油物質的量比一般不大于3.0。

2.1.5 催化劑裝填比例 在加權平均入口溫度、反應壓力、氫油物質的量比、體積空速不變的情況下，采用原料A對PS-Ⅵ催化劑在4個反應器裝填比例對反應結果的影響進行研究，結果見表7。由表7可見，催化劑裝填比例的變化對C5＋產品收率、芳烴收率、純氫收率及催化劑積炭速率的影響非常小，但對各反應器溫降的分布有明顯的影響，這就意味著各加熱爐負荷設計與催化劑裝填比例密切相關。

表7 催化劑裝填比例對原料A主要反應結果的影響

2.1.6 催化劑再生循環速率 為了保持連續重整催化劑的高活性和高選擇性，需要對連續重整催化劑連續再生，再生器的能力一般可用催化劑循環速率（kg/h）來表示。催化劑循環速率越大，再生器的燒焦能力越大，催化劑的積炭量越低，催化劑的活性和選擇性越好。催化劑的再生速率是根據催化劑的生焦速率和燒焦工藝特點決定的。當催化劑生焦速率一定時，催化劑循環速率太低，盡管可以降低再生設備的投資和能耗，但催化劑上的積炭量升高，使催化劑的再生困難，容易發生飛溫，造成催化劑和設備損害等；催化劑循環速率過高時，再生設備的投資和能耗增加，且催化劑積炭量過低，再生燒炭操作困難。按照燒焦工藝特點，催化劑的積炭量為3%～5%時能夠滿足設備和工藝要求。

2.1.7 原料性質 當C5＋產品RON達到102時，采用不同原料的反應條件及產物收率見表8。由表8可見，產品RON達到102時，原料A需要的WAIT和WABT分別為521℃和488℃，液體收率為87.43%，芳烴收率為69.48%，氫氣收率為3.85%，催化劑積炭速率為38.0kg/h；然而，原料B需要的WAIT和WABT分別為513℃和483℃，產品液體收率為90.30%，芳烴收率為72.33%，純氫收率為3.59%，催化劑積炭速率為30.7kg/h。由此可見，連續重整裝置的設計參數與原料性質密切相關。

表8 反應原料對主要反應條件及產物收率的影響

2.2 連續重整裝置設計參數的確定

反應溫度、反應苛刻度、壓力、氫油物質的量比、催化劑裝填比例、空速和催化劑循環速率是新建連續重整裝置重要的設計參數，上述的研究結果已經證明，這些參數不僅對于裝置的產物收率有較大影響，而且還與裝置的投資和能耗等密切相關，因此合理地確定這些參數，對于新建連續重整裝置的技術性和經濟性具有十分重要的意義。

現有連續重整裝置的設計往往是根據裝置類型進行的，以生產高辛烷值汽油組分為主要目的的汽油型裝置的產物RON為98～102，而以生產芳烴為主要目的的芳烴型裝置的C5＋產物的RON一般大于105，汽油型裝置的空速一般高于芳烴型裝置，對其它設計參數沒有要求。

對于不同生產目的的連續重整裝置設計參數的確定，首先應該按照目標產物最大化原則進行，同時要考慮裝置的投資和能耗等因素，以此為原則，在表9中列出了新建汽油型和芳烴型連續重整裝置的設計參數或確定原則。由表9可見：建議的反應溫度WAIT一般不大于530℃，反應壓力不大于0.35MPa；在此基礎上設計參數的確定一般是根據生產目的的不同首先確定產物辛烷值，再依次確定空速、氫油物質的量比和催化劑循環速率；由于隨著反應空速的增加，反應溫度升高，為此將WAIT為530℃作為確定空速的上限為原則來確定合適的空速；對于汽油型裝置，由于C5＋產品辛烷值較低，結焦速率較慢，建議氫油物質的量比在2.0～2.5范圍內選擇；對于芳烴型裝置，由于產品辛烷值較高，結焦速率較快，氫油物質的量比可在汽油型裝置的基礎上適當提高，建議在2.0～3.0范圍內選擇；上述設計參數確定后，裝置的結焦速率就是一個固定值，催化劑循環速率按照催化劑積炭量為3%～5%確定即可。

表9 新建連續重整裝置設計參數確定

3 結 論

（1）催化重整反應溫度、反應壓力、氫油物質的量比、催化劑裝填比例、催化劑再生循環速率等工藝參數對連續重整的收率、裝置投資及能耗等均有較大影響。

（3）連續重整裝置設計參數的確定首先要依據“目標芳烴產物和辛烷值收率最大化原則進行芳烴型和汽油型裝置設計”，同時還應兼顧重整生成油的烯烴含量、裝置的投資和能耗等，從而確保新建連續重整裝置具有良好的技術經濟性。

［1］潘錦程，馬愛增，楊森年.PS-Ⅵ型連續重整催化劑的研究和評價［J］.煉油設計，2002，32（7）：53-55

［2］潘茂華，馬愛增.PS-Ⅵ型連續重整催化劑的工業應用試驗［J］.石油煉制與化工，2003，34（7）：5-8

［3］葉曉東，徐武清，馬愛增.PS-Ⅵ催化劑在IFP第一代連續重整裝置上的工業應用［J］.石油煉制與化工，2003，34（5）：1-4

［4］張寶忠，何志敏，馬愛增.PS-Ⅵ重整催化劑的工業應用試驗［J］.化學反應工程與工藝，2007，23（3）：273-278

［5］劉德輝，徐又春，楊寶貴，等.催化重整裝置基準能耗［J］.催化重整通訊，2003（4）：38-42