催化裂化系統壓力對產品分布及能耗的影響

李秋芝，孟凡東，閆鴻飛，孫世源

(中國石化煉化工程集團洛陽技術研發中心，河南 洛陽 471003)

催化裂化系統壓力對產品分布及能耗的影響

李秋芝，孟凡東，閆鴻飛，孫世源

(中國石化煉化工程集團洛陽技術研發中心，河南 洛陽 471003)

在中型提升管催化裂化試驗裝置上，考察了反應壓力對產品分布的影響；根據不同壓力下的產品分布，基于2015年實際價格體系，計算了催化裂化裝置的基準能耗及不考慮一次性投資情況下的綜合經濟效益，分析反應壓力對裝置基準能耗及綜合經濟效益的影響。結果表明：隨著反應壓力的提高，汽油收率下降、辛烷值降低，基準能耗和綜合經濟效益均下降；當反應壓力從0.125 MPa提高至0.247 MPa時，汽油收率降低2.4百分點，基準能耗下降245 MJ/t，綜合經濟效益下降147元/t。

催化裂化 反應壓力 產品分布 基準能耗

近年來，降低催化裂化裝置能耗一直是煉油企業追求的目標[1-3]，能耗指標是催化裂化裝置的重要考核指標。因此，為了降低催化裂化裝置的能耗，工程設計和生產單位采取了一系列的措施，應用最普遍的措施是提高催化裂化裝置系統壓力。提高催化裂化系統壓力有利于煙機能量回收，降低裝置能耗指標，且有利于再生器燒焦[4]。同時，提高催化裂化系統設計壓力，反應器、再生器等設備尺寸變小，可節省建設投資。但是，反應壓力增加會導致汽油收率下降，焦炭產率增加，并且會強化氫轉移反應，導致汽油辛烷值下降。近年來的工業實踐證明，在目前多產汽油背景下，催化裂化汽油的實際收率比20年前不升反降。究其原因，除了為滿足新的汽油規格指標而采用新工藝、新技術、新催化劑及加工的原料有變化外，不斷提高的催化裂化裝置系統壓力估計也是一個重要因素。因此，本課題通過試驗考察催化裂化裝置反應壓力對產品分布的影響，分析不同壓力下的基準能耗及不考慮一次性投資情況下的綜合經濟效益，以期為催化裂化的工程設計和生產提供參考。

1 反應壓力對產品分布的影響

在提升管催化裂化中型試驗裝置上進行試驗，考察反應壓力變化對產物分布的影響。該裝置為兩器高低并列式，常規進料量為1.5 kg/h，催化劑藏量為10 kg。

在催化裂化工業裝置中，反應壓力雖然是獨立操作變量，但由于裝置的設計和加工能力的限制、分餾和吸收穩定系統的限制以及氣壓機的限制，在實際操作中反應壓力調節幅度不大。在工業催化裂化裝置上，反應壓力(絕壓)通常為0.15～0.50 MPa。在提升管中試裝置上考察反應壓力的影響時，試驗壓力范圍主要根據裝置工程設計時的反應壓力來確定。

1.1 試驗原料油及催化劑

中型試驗所用原料油性質見表1；所用催化劑為DFC-1工業平衡劑，其性質見表2。

表1 原料油性質

表2 催化劑性質

1.2 反應壓力對產品分布和汽油性質的影響

在反應溫度515 ℃、劑油質量比7.5、反應時間3.0 s、原料霧化蒸汽比例6%的條件下，反應壓力對產品分布的影響見圖1。從圖1可以看出：在反應壓力大于0.12 MPa時，隨著反應壓力的提高，干氣產率略有增加，液化氣收率下降；柴油收率隨壓力提高略有升高；汽油收率隨著壓力提高呈現降低的變化趨勢，當反應壓力由0.125 MPa升至0.247 MPa時，汽油收率降低2.4百分點；焦炭產率隨壓力提高逐漸升高。

圖1 反應壓力對產品分布的影響■—干氣； ●—液化氣； ▲—汽油； 柴油；◆—重油； 焦炭

反應壓力對汽油辛烷值和烯烴含量的影響見圖2。從圖2可以看出，隨著反應壓力的升高，由于氫轉移反應增加，汽油的烯烴含量下降，辛烷值下降。

圖2 反應壓力對汽油辛烷值和烯烴含量的影響■—RON； ●—烯烴含量

2 反應壓力對基準能耗的影響

影響催化裂化裝置能耗的因素很多，而且它們之間的關系錯綜復雜。基準能耗作為評價裝置用能水平的一種方法，對于挖掘裝置節能潛力，提高能量管理水平，具有一定的實用價值。催化裂化裝置通用的基準能耗[5]計算的基礎條件，是一個接近目前最經濟的理想條件，也是通過努力有可能達到的指標。也就是說，基準能耗是在理想的規定條件下計算得到的能耗。基準能耗計算方法不是采用傳統的輸入與輸出能量之差加上消耗的方法計算，而是基于能量平衡原理，由裝置用能中不能回收的排棄能量和原料與產品之間的化學焓差之和來確定，其中也包括所用能量在轉化過程中的損失。本方法計算的基準能耗包括催化裂化反應器、再生器、分餾系統、吸收穩定系統、主風機和煙氣透平、余熱鍋爐、氣壓機、余熱回收站等裝置的能耗，不包括水處理和產品精制部分的能耗。

2.1 基準能耗的計算方法

催化裂化基準能耗(EB)計算式如下：

(1)

式中，E1～E11分別為化學焓差能耗、再生煙氣排煙能耗、工藝排棄能耗、主風機能耗、氣壓機能耗、工藝用蒸汽能耗、泵及其它用電能耗、散熱能耗、冷卻介質能耗、終止劑或回煉汽油能耗、其它能耗，MJ/t。

(1)化學焓差能耗

(2)

CR=58 066D+957C-6 539

(3)

(4)

(5)

式中：CR為與原料性質有關的系數；C為新鮮原料油的殘炭，%；D為新鮮原料油在15.6 ℃時的密度，可由20 ℃密度換算得到，g/cm3；MC為原料的平均相對分子質量，若有該數據按實際數據輸入，若無該數據則按式(4)估算；MP為產品的平均相對分子質量，規定(油漿+回煉油)、柴油、汽油、液化氣、干氣的相對分子質量分別為350，200，100，50，17；yH、yLO、yG、yL、yF分別為油漿及回煉油、輕柴油、汽油、液化氣、干氣的產率，%；T50為新鮮原料油的恩氏蒸餾50%餾出溫度，K。

(2)再生煙氣排煙能耗

E2=24.8yC

(6)

式中，yC為焦炭產率，%。

(3)工藝排棄能耗

工藝排棄能耗是指進裝置原料與出裝置產品之間的物理焓差。

E3=42.97yF+17.66yL+6.42yG+

1.64yLO+0.19yH-91.81

(7)

(4)主風機能耗

13.03P1) -0.133yC(432P1+11.7)+Ne

(8)

Ne=3.6N/W

(9)

式中：P1為主風機出口壓力(絕壓)，MPa；Ne為增壓機能耗，無增壓機時，Ne=0，有增壓機時，按式(9)由增壓機實際耗功計算；N為增壓機實際耗功，kW·h；W為裝置的實際處理量，t/h。

(5)氣壓機能耗

E5=(2.16P2+3)[2.46-4.55(P3-

0.08)](yF+yL)

(10)

式中：P2為氣壓機出口壓力(絕壓)，MPa；P3為反應壓力(絕壓)，MPa。

(6)工藝用蒸汽能耗

E6=279+31.82a(1+R)

(11)

式中：a為原料霧化蒸汽的比例，%；R為回煉比。

(7)泵及其它用電能耗

E7=47

(12)

(8)散熱能耗

E8=5.76yC-0.58q+396.9

(13)

式中，q為裝置原設計的處理量(新鮮原料進料量)，t/h。

(9)冷卻介質能耗

E9=10.9yF+1.54yL+0.55yG+0.135yLO+

0.018yH-16.3

(14)

(10)終止劑或回煉汽油能耗

E10=GR2

(15)

式中：G為常數項，當終止劑介質為粗汽油時，G=953 MJ/t，當終止劑介質為水時，G=2 806 MJ/t；R2為終止劑或回煉汽油的回煉比(對新鮮進料量)。

(11)其它能耗

其它能耗指凈化空氣、非凈化空氣和污水等的能耗。

E11=45

(16)

基準能耗計算需要的原始數據包括混合原料性質(如密度、殘炭、相對分子質量、恩氏蒸餾50%餾出溫度等)、產品收率(如干氣、液化氣、汽油、輕柴油、回煉油、油漿、焦炭產率)、回煉比、原料霧化蒸汽的比例、主風機出口壓力、氣壓機出口壓力、反應壓力、裝置處理量、終止劑或回煉汽油量等。在實際計算過程中，由于采用中型提升管試驗數據，操作模式為單程通過，取R=0；不考慮增壓機能耗，即Ne=0；不考慮終止劑的采用和汽油的回煉，即E10=0；給定主風機和氣壓機出口壓力，P1=0.45 MPa，P2=1.2 MPa。

2.2 反應壓力對基準能耗的影響

根據以上基準能耗計算方法，并結合反應壓力對產品分布影響的研究結果，針對某1 Mt/a催化裂化裝置，可得到反應壓力對基準能耗的影響，結果如圖3所示。由圖3可以看出：隨著反應壓力的提高，基準能耗呈現降低的變化趨勢，而降低反應壓力會在一定程度上提高裝置的基準能耗；當反應壓力從0.125 MPa提高至0.247 MPa時，基準能耗下降245 MJ/t。實際上，系統壓力對基準能耗的影響包括顯性影響項和隱性影響項，顯性影響項為氣壓機能耗，隱性影響項是通過影響焦炭產率而影響與焦炭產率有關的基準能耗項，包括主風機能耗、氣壓機能耗和再生煙氣排煙能耗。當反應壓力增加時，氣壓機能耗、按主風機-煙機-電機三機組配置的主風機能耗減少，雖然再生煙氣排煙能耗增加，但總的基準能耗下降。

圖3 反應壓力對基準能耗的影響

3 反應壓力對經濟效益的影響

反應壓力變化會導致產品分布的變化，而產品分布的變化會引起經濟效益的變化。同時，反應壓力對裝置能耗也有一定的影響，而裝置能耗是操作費用中的一項重要內容。反應壓力對裝置經濟效益的影響有雙重性，當系統壓力降低時，產品分布得到改善，經濟效益增加；但也導致能耗增加，使操作費用上升。另外，反應壓力對一次性投資、產品性質也有一定的影響，但為簡便起見，本課題經濟效益的計算中未予考慮。

經濟效益計算中的原料和產品價格采用2015年的實際價格體系，如表3所示。中間產品價格按中國石油化工股份有限公司內部價格體系測算或者折算獲得，所有原料或產品價格均為不含稅價。根據不同反應壓力下的產品分布及能耗變化對經濟效益進行了計算，結果見圖4。由圖4可知，隨著反應壓力的提高，綜合經濟效益呈下降趨勢，而且下降幅度較大，當反應壓力由0.125 MPa提高至0.247 MPa時，綜合經濟效益下降147元/t左右。因此，基于2015年的實際價格體系，采用較低的反應壓力有利于提高裝置的總體經濟效益。工程設計和生產操作的適宜反應壓力為0.16 MPa左右。

表3 2015年催化裂化裝置產品價格

圖4 反應壓力對綜合經濟效益的影響

4 結 論

(1)反應壓力提高對提高催化裂化汽油收率有不利影響。隨著壓力增加，汽油收率下降，并且辛烷值降低。

(2)反應壓力提高有利于降低催化裂化裝置的能耗。

(3)采用較低的反應壓力有利于提高催化裂化裝置的總體經濟效益，工程設計和生產操作的適宜反應壓力為0.16 MPa左右。

[1] 魯維民.重油催化裂化裝置的能耗分析[J].石油煉制與化工，2010，41(12)：61-64

[2] 張苡源，張成，常培廷.2.9 Mt/a蠟油催化裂化裝置能耗分析與節能措施[J].石油煉制與化工，2013，44(9)：87-92

[3] 王瑞，張楊，彭國峰，等.重油催化裂化裝置節能降耗措施分析與應用[J].石油煉制與化工，2015，46(8)：86-89

[4] 陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].2版．北京：中國石化出版社，2005：860-861

[5] 中國石化煉油事業部節能中心.催化裂化裝置基準能耗[G].2004

EFFECTOFPRESSUREONPRODUCTDISTRIBUTIONANDENERGYCONSUMPTIONOFFCCUNITS

Li Qiuzhi， Meng Fandong， Yan Hongfei， Sun Shiyuan

(LuoyangR&DCenterofTechnology，SINOPECEngineering(Group)Co.Ltd.，Luoyang，Henan471003)

The effect of pressure on product distribution was investigated in a FCC pilot plant.The base-energy consumption of a FCC unit and the overall economic benefits without one-off investment was calculated based on the product distribution and the actual price system in 2015.It reveals that increasing reaction pressure causes the lower gasoline yield and base-energy consumption and lower octane number.As the pressure increases from 0.125 MPa to 0.247 MPa，the gasoline yield and the base-energy consumption decreases by 2.4 percent points and 245 MJ/t，respectively，and the overall economic benefit falls 147 RMB/t.

FCC； pressure； production distribution； base-energy consumption

2017-03-03；修改稿收到日期：2017-04-11。

李秋芝，工程師，主要從事石油煉制工藝研究工作，發表文章多篇，申請專利10多項。

孟凡東，E-mail：mengfd.lpec@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(115020)。