工藝條件對催化裂解輕汽油裂化制低碳烯烴反應的影響

朱 根 權

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

工藝條件對催化裂解輕汽油裂化制低碳烯烴反應的影響

朱 根 權

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

在小型固定流化床反應器中考察了催化裂解輕汽油的反應性能。通過改變反應溫度、空速、注水量以及劑油比，探索催化裂解輕汽油高選擇性生成低碳烯烴，同時抑制甲烷生成的適宜操作條件。結果表明，在反應溫度為650 ℃、空速為6 h-1、注水量為30%、劑油質量比為10的優化條件下，對于烯烴質量分數為69.02%的催化裂解輕汽油，乙烯單程產率可達到10.92%，丙烯單程產率可達到27.74%，丁烯單程產率可達到12.97%，(乙烯+丙烯+丁烯)產率可達到51.63%。

催化裂解 輕汽油 低碳烯烴 工藝

由于石油資源日趨匱乏，將催化裂化、甲醇制低碳烯烴(MTO)、蒸汽裂解和焦化等煉油化工過程中產生的低價值烯烴(如C5～C8烯烴)轉化為高價值的丙烯、乙烯越來越受到重視[1-2]。C5～C8烯烴在ZSM-5分子篩上可進一步轉化成丙烯和乙烯，而目標產物的產率和選擇性則與ZSM-5分子篩性能和反應條件等[3]密切相關。王剛等[4]利用小型固定流化床實驗裝置研究了催化裂化(FCC)汽油在專門開發的多產低碳烯烴(C2～C4烯烴)催化劑上的裂解性能。研究表明，反應溫度對原料轉化率、總低碳烯烴產率的影響最大，劑油比和水油比對低碳烯烴的產率影響較小，而隨著空速的增大，總低碳烯烴產率略有降低。于敬川[5]在小型固定流化床上考察了催化裂解汽油窄餾分的裂化性能，結果表明，丙烯最大產率為25.49%，并認為丙烯大部分來自烯烴的裂解，少量的丙烯由正構烷烴、異構烷烴以及芳烴的側鏈裂解得到。沙有鑫等[6]在小型固定流化床(FFB)裝置上考察了反應條件對催化裂化汽油裂化性能的影響。結果表明：降低空速有利于催化劑中擇形分子篩內的催化反應，能夠提高液化氣和丙烯產率及選擇性；而增大劑油比有利于催化劑中Y型分子篩內的催化反應，不僅對液化氣和丙烯產率沒有影響，而且降低了液化氣中丙烯的含量。武學峰[7]考察了中國石化北京燕山分公司FCC汽油中C5窄餾分的催化裂解反應特性，認為對于C5窄餾分，其中的烷烴熱裂解反應轉化率高于烯烴熱裂解反應轉化率；而烯烴的催化裂解反應轉化率高于烷烴的催化裂解反應轉化率，且催化裂解反應的丙烯產率較高。本課題將進一步研究反應條件對催化裂解輕汽油反應的影響，探索將輕汽油組分高選擇性轉化為低碳烯烴的工藝途徑。

1 實 驗

1.1 原 料

試驗原料為催化裂解汽油經過切割得到的輕餾分，餾程范圍為30～85 ℃，其組成見表1。由表1可見，該原料中烯烴質量分數高達69.02%，其它依次為芳烴、異構烷烴、正構烷烴和環烷烴。

表1 催化裂解輕汽油的組成 w，%

1.2 催化劑

采用中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)已工業應用的ZRP分子篩，制備出催化劑LCC-1，在使用之前進行水蒸氣老化預處理，預處理條件為：溫度790 ℃，100%H2O，老化處理14 h。老化催化劑性質見表2。

表2 老化催化劑性質

1.3 試驗方法

試驗裝置為小型固定流化床反應裝置。試驗前先檢查裝置運行是否正常、裝置氣密性。試驗時，將催化劑裝入反應器并加熱至設定溫度，原料油由計量泵注入，經預熱器預熱后進入反應器，與熱的流化狀態的催化劑接觸進行反應。在進料的同時注入霧化蒸汽，進料終止后即注入汽提水進行水蒸氣汽提。反應產物經3級冷凝冷卻，分離成氣體產物和液體產物，經計量和色譜分析，得到干氣、液化氣、汽油、柴油和重油的產率。對裂解汽油進行PONA(族組成)分析。帶炭催化劑通入氧氣進行燒焦再生，并進行在線分析得出焦炭產率。

在數據處理過程中，為了便于比較分析，定義轉化率為原料中C5～C8烯烴的轉化比例。

2 結果與討論

2.1 反應溫度的影響

反應溫度對反應速率、產物分布和產品質量都有較大影響。反應溫度每提高10 ℃，反應速率一般提高10%～20%，較高的反應溫度可以提高低碳烯烴產率。以餾程為30～85 ℃的催化裂解輕汽油為原料，采用LCC-1催化劑，在劑油質量比為10、空速為4 h-1、注水量(占原料)為30%的條件下，不同反應溫度下催化裂解輕汽油的反應結果見表3。

表3 不同反應溫度下催化裂解輕汽油的反應結果

由表3可見：隨著反應溫度升高，乙烯產率不斷上升，丁烯產率不斷下降，丙烯產率和乙烯+丙烯+丁烯(三烯)產率先升高后降低，在650 ℃時，丙烯產率和三烯產率最高，分別達到27.39%和51.01%，選擇性最高為0.569；隨著反應溫度升高，氫氣產率不斷上升，在620 ℃后氫氣產率明顯增加；干氣產率隨著反應溫度升高不斷上升。從上述變化規律可以看出，在輕汽油催化裂解過程中，丙烯和丁烯都是中間產物，且丁烯比丙烯更易轉化。

由于輕汽油組分中的烴分子鏈短，需要較高的反應溫度，而反應溫度升高，對熱反應的促進作用大于催化反應。因此選擇合適的反應溫度非常重要，這樣才能既高選擇性地得到C2～C4烯烴，又抑制甲烷的生成。從表3還可以看出：在620 ℃以下，每增加1個單位的丙烯，增加的甲烷量小于1個單位；而超過620 ℃后，甲烷的增加量明顯高于1個單位。在650 ℃以前，每增加1個單位的乙烯，增加的甲烷量小于1個單位，而超過650 ℃，甲烷的增加量明顯高于1個單位。因此以丙烯為主要目的產物時，反應溫度在620 ℃比較合適。以乙烯+丙烯為主要目的產物時，反應溫度在650 ℃比較合適。

不同反應溫度下產物中C5～C12烴類組成見表4。由表4可見，芳烴產率隨反應溫度變化的程度較??；環烷烴產率、烷烴產率和烯烴產率隨反應溫度升高而下降。與原料相比，烯烴減少量最多，環烷烴其次，而芳烴有所增加。上述結果表明，在催化裂解輕汽油轉化過程中，催化裂解輕汽油中較大分子烯烴不僅向小分子烯烴轉化，同時還通過環化脫氫反應轉化為芳烴。催化裂解輕汽油中的烷烴在試驗條件下可發生部分裂解反應，但同時烯烴又可通過氫轉移反應轉化為烷烴。

表4 不同反應溫度下產物中C5～C12烴類組成(占原料) w，%

不同反應溫度時產物中C2～C11烯烴組成見表5。由表5可見，隨著反應溫度升高，產物中汽油餾分以下烯烴的組成向輕組分方向移動。但在反應溫度高達680 ℃時，雖然重質烯烴的量很少，但呈增加趨勢，表明在輕汽油催化裂解過程中存在聚合現象，這也進一步說明，催化裂解輕汽油在轉化過程中，可以是較大烯烴分子單分子直接裂化，也可以是兩個較小烯烴分子聚合后再進行裂化。對比表1和表5可以得出，不同烯烴轉化率均隨溫度升高而增加，且C7烯烴轉化率>C6烯烴轉化率>C5烯烴轉化率。

表5 不同反應溫度下產物中C2～C11烯烴組成(占原料) w，%

2.2 空速的影響

由于輕汽油組分中烴類分子鏈短，難以裂化，不僅需要高的反應溫度，還需要較高的催化劑密度，因此輕汽油組分的催化裂解需要采用提升管+床層反應器或床層反應器。床層操作主要控制參數為床層空速和油氣空塔線速。根據生產要求，通過調節床層空速，可以改變產品分布。以餾程為30～85 ℃的催化裂解輕汽油為原料，采用LCC-1催化劑，在反應溫度為650 ℃、劑油質量比為10、注水量(占原料)為30%的條件下，不同空速下催化裂解輕汽油的反應結果見表6。從表6可以看出：隨著空速增加，丙烯產率和三烯產率先增加后下降，在空速為6 h-1時，丙烯產率最高(27.74%)，三烯產率最高(51.63%)，這時選擇性也最高；隨著空速增加，乙烯產率、干氣產率下降，氫氣產率開始明顯下降，但在空速為6 h-1以后，隨空速的增大，氫氣產率下降幅度明顯減小；隨著空速降低，丁烯產率有所增加，當空速大于6 h-1時，空速對丁烯產率影響不大。空速的變化不僅引起油氣停留時間發生變化，而且床層的催化劑密度也會發生變化，進而影響油劑的接觸狀態，使得轉化過程發生變化。當空速為2 h-1時，甲烷產率增加劇烈，可見在利用催化裂解輕汽油多產低碳烯烴時，空速不能太低，應維持床層油氣空塔線速在0.6～1.0 ms，在注水量為30%時，空速基本控制在4～6 h-1比較合適。

表6 不同空速下催化裂解輕汽油的反應結果

不同空速下產物中C5～C12烴類組成見表7。由表7可見：芳烴產率受空速變化影響較?。画h烷烴產率和烯烴產率隨空速增大而增大；烷烴產率隨空速增加先下降后有所增加。催化裂解輕汽油中的烷烴在試驗條件下可發生部分裂解反應，但同時由于烯烴可通過氫轉移反應轉化為烷烴，因此，隨著空速的變化，油氣停留時間以及催化劑床層密度的變化，對烷烴裂解以及氫轉移反應產生不同程度的影響，使得汽油產物中烷烴產率呈不同的變化趨勢。

表7 不同空速下產物中C5～C12烴類組成(占原料) w，%

2.3 注水量的影響

以餾程為30～85 ℃的催化裂解輕汽油為原料，采用LCC-1催化劑，在反應溫度為650 ℃、劑油質量比為10、空速為4 h-1的條件下，不同注水量下催化裂解輕汽油的反應結果見表8。由表8可見，隨著注水量增加，丙烯產率有所上升，乙烯產率變化不大，氫氣產率和干氣產率開始顯著下降，但注水量達到30%后，氫氣產率和干氣產率變化不大。

隨著注水量增加，烴分壓下降，油氣停留時間降低，催化劑床層密度也會有所降低。當注水量從10%增加到55%時，油氣空塔線速從0.37 m/s增加到0.82 m/s?？紤]到床層催化劑密度的變化，油氣停留時間從1.3 s降低到0.8 s。當注水量為30%時，油氣空塔線速為0.57 m/s，在這樣的線速度下，催化劑的床層密度比較適合催化裂解輕汽油的轉化。綜合目標產物產率、能耗以及催化劑床層密度等因素，在催化裂解輕汽油催化轉化過程中，注水量選擇在30%左右時比較合適。

表8 不同注水量下催化裂解輕汽油的反應結果

2.4 劑油比的影響

以餾程為30～85 ℃的催化裂解輕汽油為原料，采用LCC-1催化劑，在反應溫度為650 ℃、空速為4 h-1、注水量(占原料)為30%的條件下，不同劑油比下催化裂解輕汽油的反應結果見表9。由表9可見，隨著劑油比增大，丙烯產率下降，乙烯產率變化不大，干氣產率增加，且主要體現為甲烷產率增加。劑油質量比為10時，目標產物低碳烯烴的選擇性較好。

表9 不同劑油比下催化裂解輕汽油的反應結果

3 結 論

(1) 在催化裂解輕汽油轉化過程中，較大分子烯烴不僅向小分子烯烴轉化，同時還通過環化脫氫反應轉化為芳烴。

(2) 適宜的催化裂解輕汽油催化裂解反應條件為：反應溫度650 ℃，空速6 h-1，注水量30%左右，劑油質量比10，在此條件下對于烯烴質量分數為69.02%的催化裂解輕汽油，乙烯單程產率可達到10.92%，丙烯單程產率可達到27.74%，丁烯單程產率可達到12.97%，(乙烯+丙烯+丁烯)產率可達到51.63%。

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EFFECTS OF OPERATING CONDITIONS ON CRACKING REACTION OF DCC LIGHT NAPHTHA FOR PRODUCING LIGHT OLEFINS

Zhu Genquan

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The reaction performance of DCC light naphtha was investigated in a fixed fluidized bed reactor. The operating conditions including reaction temperature， WHSV， wateroil and catalystoil ratio，were investigated to selectively obtain light olefin from DCC light naphtha and meanwhile control the formation of methane. The results show that the suitable operating conditions for DCC light naphtha catalytic cracking are 650 ℃， 6 h-1，wateroil of 0.3 and catalystoil of 10. The ethylene yield is 10.92%， the propylene yield is 27.74%， the butylenes yield is 12.97% and total light olefin yield (ethylene + propylene + butylenes) is 51.63% for the DCC light naphtha containing 69.02% olefin under the optimized conditions.

DCC； light naphtha； light olefin； process

2014-09-23； 修改稿收到日期： 2014-12-30。

朱根權，博士，高級工程師，主要從事催化裂化工藝研發工作。

朱根權，E-mail：zhugq.ripp@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(114003)。