大型催化裂化裝置系統設計壓力分析與探討

許 日

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

催化裂化裝置系統壓力是裝置運行最重要的關鍵參數之一。自埃克森公司于1942年建設了全球首套流化催化裂化裝置以來，系統壓力呈上升趨勢。催化裂化裝置設計時應首先確定反應器和再生器的壓力，在此基礎上，依據產品分布或專利技術的要求確定反應溫度和反應時間，再進一步確定再生時間及再生器中催化劑藏量。同時根據工藝參數，在設備材質選擇方面需進一步確定反應器和再生器承壓能力、旋風分離器及第三級旋風分離器的規格和數量、主風機的規模和壓力等級、煙機的規模等。反之，因煙機、主風機、氣壓機等設備在大型化時制造能力受限，又影響著催化裂化裝置系統壓力的確定。

催化裂化裝置中反應器和再生器的壓力及壓差因其結構類型不同而不同。設計時首先確定再生器的壓力，進而確定反應器壓力。再生壓力提高在動力學方面有利于燒焦，提高了單位體積再生處理能力，也有利于煙氣壓力能的回收；反應壓力提高，即提高富氣壓縮機入口壓力及負荷，能夠降低能耗；反應-再生系統壓力提高均有利于增加處理能力，節省投資。但提高壓力也有不利的一面，在反應時間和溫度不變時，將提高轉化率，不同程度地增加干氣和焦炭產率，降低油漿產率，總液體收率會稍有降低。因此，在催化裂化裝置系統壓力設計過程中，需要科學地對設計壓力下的反應溫度和時間進行綜合經濟核算。

1 系統壓力對催化裂化工藝過程的影響

1.1 對催化裂化裝置能耗的影響

提高催化裂化裝置系統壓力，基準能耗呈較大幅度降低的趨勢，研究表明，對于大、中規模裝置，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[1]，約占總能耗(1 730 MJ/t)的14%。

1.1.1 對煙機能量回收的影響 煙機是催化裂化裝置能量回收系統的核心設備之一，是煉油廠節能潛力最顯著的大型機組，并直接關系到裝置的整體能耗水平，提高煙機回收功率，對于降低裝置總能耗起著關鍵作用。

大、中型催化裂化裝置均配置煙機，為實現高的煙氣能量回收效率，應采用高的再生壓力。選取某特大型5.0 Mt/a催化裂化裝置為例，其再生器為兩段富氧快速床形式，計算了不同壓力下主風機、煙機的功率[2]，結果見表1。由表1可見：隨著壓力提高，主風機耗功與煙機回收功率的差值增大，即主風機和煙機的總體能耗降低；主風機出口壓力由0.24 MPa增至0.40 MPa時，發電機發電量(按煙機與主風機功率差值計)由3 307 kW增至7 427 kW，節電4 120 kW，能耗降低94.16 MJ/t，占裝置總能耗的5.44%，較大幅度降低了能耗和運行成本。

表1 某5.0 Mt/a催化裂化裝置在不同壓力下的機組功率

注：主風機機械效率取97.5%，傳動效率取95.5%，生焦率按7.5%計，主風-煙氣線路壓降按90 kPa計，煙機排氣壓力按9 kPa計。

選取6套大型或特大型催化裂化裝置的設計、標定數據，比較其系統壓力和煙機功率的關系，結果見表2[3]。由表2中D與F兩套裝置數據可知，燒焦和主風負荷基本一致，且均為兩段貧氧常規再生，但兩套裝置的再生壓力差距較大，分別為0.179 MPa和0.290 MPa，煙機回收額定功率分別為19 MW和31 MW，主風機功耗分別為23.903 MW和28.324 MW，滿負荷運行時電機供電分別為4 903 kW和-2 676 kW，耗電差為7 579 kW，機組能耗差距為173.2 MJ/t，約占裝置總能耗的10%。

對于裝置B，其主風機出口壓力高達0.39 MPa，煙機選用YL33 000A較為合適，但煙機-主風機系統壓降較大，為195 kPa，煙機入口壓力低，造成煙機的能力冗余，與主風機和電機功率不匹配。

與兩段重疊貧氧湍流床常規再生方式的裝置B，D，F相比，裝置A，C，E均為兩段重疊富氧快速床再生，主風-煙氣系統的壓降低，為85～90 kPa，在加工或燒焦負荷和系統壓力相同的情況下，該流程主風-煙機機組的能耗較低。

表2 6套大型或特大型裝置的設計或標定數據

1.1.2 對富氣壓縮機消耗功率的影響 因維持反應器和再生器之間催化劑的正常循環，需保持兩器的壓力平衡，反應壓力和富氣壓縮機入口壓力隨再生壓力同步升高。同時因系統壓力的提高，油氣在系統中的體積減小、流速降低、總壓降減小，從而進一步提高了壓縮機入口壓力，在出口壓力不變的情況下，降低了壓縮比，將會大幅降低富氣壓縮機的動力消耗。某4.8 Mt/a重油催化裂化裝置的富氣壓縮機的功耗隨反應壓力的變化見表3。由表3可見，該裝置反應壓力由0.22 MPa增至0.30 MPa時，富氣壓縮機節電1 148 kW，能耗降低26.24 MJ/t，約占裝置總能耗的1.5%。

表3 某4.8 Mt/a 重油催化裂化裝置在不同反應壓力下的富氣壓縮機功耗

1.1.3 對分餾系統取熱分布的影響 催化裂化系統壓力提高后，達到同樣分離效果時，分餾塔中、上部溫度會小幅上升，取熱位置上移，低溫位取熱負荷增加，不利于取熱分布和節能。若與其他裝置進行熱聯合，合理回收低溫位熱源，提高回收率，則能夠將分餾系統的熱能損失降到很小程度。

1.1.4 對焦炭能耗的影響 反應壓力對干氣、焦炭產率的影響見表4[4]。由表4可見，提高反應壓力使生焦率微弱上升，反應壓力由0.18 MPa提高至0.34 MPa時，焦炭產率增加0.894百分點。

表4 干氣、焦炭產率隨反應壓力的變化趨勢

焦炭是裝置的隱形能耗，表現在反應需熱和燒焦余熱未回收部分。但由于燒焦時溫度高，設計時應考慮高溫位熱回收，如設置外取熱器，產生中、高壓飽和蒸汽，并設置內取熱器以加熱低壓蒸汽，通過煙氣輪機進行煙氣高溫壓力能和高溫顯熱的余熱回收。經高溫熱能和壓力能回收后，煙氣降溫、降壓至160 ℃和10 kPa左右排放所攜帶能量作為燒焦能量消耗。

對于采取完全再生模式的5.0 Mt/a 重油催化裂化裝置，滿負荷主風量為8 550 m3/min，出口壓力為0.365 MPa，主風和排煙溫度分別為250 ℃和160 ℃，主風和煙氣焓值隨溫度和含濕量的升高而加大，空氣、煙氣在各自溫度下的焓值分別為290.75 kJ/kg和232.6 kJ/kg[5]，此時計算得煙氣排放能耗為-0.397 MJ/t，即隨系統壓力提高，生焦率和主風負荷增加及供風溫度提高，排煙溫度不變，燒焦主風至煙氣排放的風-煙線路本身能耗呈減少趨勢，同時煙機組因增大主風量而降低功耗，因而焦炭能耗隨系統壓力的增高而降低。

就現今裝置設計，焦點應關注能量回收系統的科學合理性，生焦率增加本身并未增加能耗，因反應需熱、散熱及排煙能耗是不可避免的，也基本保持不變。因此，隨系統壓力升高，主風溫度、生焦率、主風量及煙機組回收功率均增高，而最終會使能耗降低。

1.2 對裝置加工負荷的影響——再生燒焦速率或強度

根據燒焦動力學，燒焦反應速率為：

dC/dt=kpO2C

(1)

式中：C為碳質量分數，%；t為反應時間，min；k為反應速率常數，kPa-1·min-1；pO2為氧分壓，kPa。其中，pO2是再生壓力與氧濃度的乘積，氧濃度為進、出氧含量的對數平均值且不隨壓力而變化。燒焦速率與氧分壓和再生壓力成正比。

若再生器藏量或燒焦時間不變，提高壓力即提高燒焦速率或強度，可提高裝置加工負荷。提高燒焦速率，在相同燒焦溫度下縮短了燒焦時間，即降低了再生器總藏量，提高了兩器催化劑循環率，減少了催化劑在高溫再生狀態下的時間，可降低失活速率，最終提高了催化劑的利用率——系統內催化劑在使用壽命內的兩器循環頻次，降低裝置運行成本。

對于新建裝置，可一步到位提高系統壓力以提高裝置再生能力和加工規模；對現有裝置可在設計范圍內盡量提高壓力，不同程度地提高裝置加工負荷并降低能耗。

1.3 對反應過程的影響——轉化率與產品收率

在催化裂化反應過程中，提高反應壓力，即提高油氣分壓，有利于吸附，不利于脫附，將加快催化裂化反應速率，在常規反應溫度(505～515 ℃)和時間(2～4 s)下，使得轉化率增高。催化裂化反應是分子數增加的反應，提高反應壓力，導致汽油、液化氣產率降低，汽油辛烷值降低，烯烴含量下降，安定性提高；并強化了雙分子反應機理的氫轉移反應，導致焦炭產率增加[6]。

由表4可見，在其他參數不變的條件下，提高壓力使干氣、焦炭產率增高，輕油收率略有下降，是其不利的一面，但會降低汽油烯烴含量，提高安定性，適合燃油新標準。因轉化率及干氣和焦炭產率受反應壓力、溫度和時間3個主要參數的共同影響，可在已確定的設計壓力下，適當調整反應溫度和時間，維持理想的反應深度和產品分布，保持輕油收率，在工業裝置上是可實現的。

2 設備制造對催化裂化裝置系統壓力的影響

2.1 機械設備制造的限制

提高催化裂化裝置系統壓力，對主風機和煙機制造提出更高的要求，會受到國內外制造能力的限制；而對于富氣壓縮機、蒸汽輪機，可降低其制造規模，不會因提高壓力而受限；機泵受催化裂化裝置系統壓力的影響不大，不存在制造問題；對靜設備，特別是大直徑再生器筒體，現均采用分段組焊，且兩器增壓后兩器容積和直徑相對縮小，不受制造限制。

大型化催化裂化裝置提高再生壓力受限于設備制造的瓶頸是煙機輪盤。全球目前最大單級煙機(FEX-142)的功率為37.3 MW，最大軸流壓縮機(AX3713-7)的流量為9 627 m3/min[7]。5.0 Mt/a催化裂化裝置采用兩段富氧快速床再生，按目前全球最大規模煙機和主風機配置，再生壓力最高可取0.265 MPa。若采用兩段貧氧湍流再生，耗風指標低，在煙機制造限制范圍內，裝置加工規模和再生壓力可更高一些，但該再生形式，煙氣-主風路線壓降大，燒焦強度低、再生藏量大，且有7%左右(動力)壓縮空氣在煙機后部進入CO焚燒爐，只有動力消耗而無回收，均較大地影響煙機的功率回收，鑒于能耗及可操作性等因素的考慮，不建議采用該再生形式擴大規模。

目前國產最大軸流壓縮機(AV100-22)的流量為9 000 m3/min，出口壓力最大可達0.62 MPa[8]，大流量、高壓主風機未受到制造能力的限制。

2.2 機械設備投資的影響

對靜設備，提高壓力會增加反應、再生與分餾系統各設備筒體壁厚和基礎承載力，又因增壓可縮小系統容積，制造費此消彼長，對總體投資影響不大；對動設備主風機和煙機要求提高，投資增大，而壓縮機和汽輪機負荷降低則可減少投資。由此可見，對總體動、靜設備一次性投資影響不太明顯。

3 專利技術對催化裂化裝置系統壓力的要求

專利技術對裝置系統壓力的要求，主要體現在對產品分布的影響上，以達到目標產品收率，如MIP，DCC，MIO等諸多專有技術，因反應壓力已由專利商確定，依據兩器結構形式及兩器標高確定兩器差壓范圍，進而確定再生壓力，因此系統壓力由工藝包專利商確定。

4 兩器設計標高的影響——壓力平衡及反應-再生催化劑循環

在再生(反應)壓力確定的情況下，依據兩器設計標高和壓力平衡而確定反應(再生)壓力，以保證反應-再生催化劑安全正常循環。

根據一般的設計理念及反應深度需求，催化裂化的反應時間基本確定，即提升管反應器容積和流通速度是確定的，在保證催化劑正常輸送及與霧化油氣良好接觸的前提下，反應器的長徑比是可適當調整的，這涉及到提升管的總長度和標高。對于大型裝置，應避免直徑過大而造成的催化劑輸送困難及進料噴嘴射程不足，使油霧與催化劑良好接觸和有效反應。如4.8 Mt/a重油催化裂化裝置，提升管內徑為1 960 mm，預提升段密度在409～603 kg/m3較大范圍波動。同理，在同樣燒焦強度和操作條件下，燒焦時間也已確定，即確定再生密相的燒焦容積，在滿足流態化和過孔氣速(兩段重疊再生)要求的前提下，再生器也存在高徑比的關系，標高在一定范圍內是可以調節的。為了兩器催化劑循環順暢安全和兩器間有合適的差壓，對不同的反應-再生結構形式，其設計標高應有所不同，如兩段重疊貧氧逆流湍流常規再生，設計中應考慮適當縮小提升管直徑，增大再生器直徑，以改善催化劑循環推力不足和再生床層料位高、壓降大的弊端，同時提高反應壓力以減少氣壓機能耗；而兩段重疊富氧順流高效快速床再生形式的循環線路有較大推力，一般大、中以下加工規模的裝置可按照常規反應器與再生器標高設計，特大規模裝置應改善高徑比和兩器標高及兩器差壓，以達到與兩段貧氧再生同樣的效果。

5 不同規模時催化裂化裝置設計壓力選擇

5.1 大、中規模催化裂化裝置設計壓力選擇

對于大、中型催化裂化裝置，不受設備制造能力的限制，兩器可選擇較高設計壓力。以3.50 Mt/a催化裂化裝置為例，不同再生壓力下的煙機功率見表5。由表5可見，采用兩段富氧快速床再生方式，煙機功率取37.3 MW時，再生壓力可取0.42 MPa。因此依據主風機出口壓力和煙機的制造能力，大、中型裝置再生器設計壓力應在0.42～0.56 MPa范圍內選擇。

表5 3.50 Mt/a催化裂化裝置在不同再生壓力下的煙機功率

注：裝置生焦率按7.5%計，耗風指標按11.8計，煙風比按1.03計，主風-煙氣系統壓降按90 kPa計，煙機排氣壓力按9 kPa計。

5.2 特大型催化裂化裝置壓力設計選擇

特大型催化裂化裝置一般指生焦率高于7.5%、加工能力大于3.5 Mt/a的設計規模，該規模裝置應依據再生形式不同而選擇不同的系統壓力，如采取兩段富氧快速床再生方式的5.0 Mt/a催化裂化裝置，主風和煙氣量分別為8 550、8 980 m3/min，因煙機制造受限，再生壓力最大可取0.265 MPa；若采用兩段貧氧湍流常規再生方式，其主風和煙氣量為富氧再生的88%左右，此再生方式可將壓力提高至0.31 MPa。但貧氧再生方案的主風-煙氣線路壓降大，兩器差壓大，總能耗與較低壓力下的兩段富氧再生方案相當。若規模為3.5～5.0 Mt/a之間，應采用兩段重疊富氧快速床再生方案，以求操作簡單、安全可靠和低能耗。

6 結束語

經上述幾方面的因素分析，提高催化裂化裝置系統壓力，將較大幅降低裝置能耗及提高燒焦和加工負荷，但在其他關鍵控制參數不變的情況下會提高轉化率和焦炭、干氣產率，但可以通過適當改變反應溫度和時間，彌補輕油收率降低的問題。

就目前全球機械設備制造能力，提高大、中型裝置系統設計壓力，不會受制造能力的限制，以制造能力的上限選擇設備為原則，再生壓力可確定為0.42～0.56 MPa；特大型裝置依據其規模及再生形式，再生壓力可確定為0.28～0.42 MPa。

因不同規模設計壓力不同，為達到理想的產品分布，需分別核算反應溫度和時間。經理論研究、中小型試驗及模擬計算，得出不同反應壓力、溫度和時間的平衡關系，便于設計中選擇。