輕柴油裂解參數(shù)的考察和研究

劉 劍，孫淑坤，張永軍，萬書寶，費伯成

（1.中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163714；2.中國石油撫順石化公司，遼寧撫順113008）

乙烯、丙烯等低碳烯烴是石油化學工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量標志著一個國家或地區(qū)基本有機化學工業(yè)的發(fā)展水平［1～3］。近年來，隨著我國經(jīng)濟增速明顯放緩及產(chǎn)業(yè)結構調整，成品油消費結構發(fā)生很大變化，表現(xiàn)為柴汽比快速滑落，已由2010 年的 2.18 降至 2017 年的 1.36，預計 2020 年降至1.3，2030 年降至1.1 左右，未來柴油資源過剩加劇［4～6］。因此，根據(jù)市場需求情況，優(yōu)化產(chǎn)品結構，降低柴汽比是煉化企業(yè)合理優(yōu)化資源配置、挖潛增效、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式［7～10］。

降低柴汽比的有效措施之一是降低柴油生產(chǎn)、優(yōu)化利用或消耗過剩的柴油資源，因此，將輕柴油部分替代石腦油用作乙烯原料是降低柴汽比的重要途徑之一。

另外，隨著乙烯產(chǎn)能的增加，乙烯原料短缺的現(xiàn)象日益突出，亟需進一步拓寬乙烯原料［11～15］。因此，文中以輕柴油作為乙烯原料，采用小型蒸汽裂解模擬實驗裝置對輕柴油進行評價，通過裂解模擬實驗數(shù)據(jù)的分析和比較，探討裂解工藝參數(shù)如裂解溫度、稀釋比、裂解深度等對主要產(chǎn)物乙烯、丙烯、丁二烯等三烯收率的影響，以便更好地掌握輕柴油作乙烯原料的工藝參數(shù)，為裝置工業(yè)化生產(chǎn)提供可靠的科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗原料采用來自大慶石化公司煉油廠生產(chǎn)的輕柴油，稀釋劑為去離子水，原料分析執(zhí)行GT/T6536《石油產(chǎn)品餾程測定方法》，GT/T1884《原油和液體石油產(chǎn)品密度實驗室測定方法》，原料分析結果見表1。

1.2 實驗設備及流程

實驗采用MN-Ⅱ型蒸汽裂解模擬實驗裝置，見圖1。該套模擬裝置包括進料、反應、冷卻回收、計量等系統(tǒng)，具有穩(wěn)定運行、精確計量、重復性能好等特點。可以模擬USC、SRT、GK、SC-1、CBL 等多種爐型，適用于乙烷/丙烷、輕烴、碳四、石腦油、重烴、輕柴油、抽余油、加氫尾油等多種乙烯原料的裂解性能評價，實驗進料量為0～3 kg/h。

表1 輕柴油物性數(shù)據(jù)

圖1 蒸汽裂解模擬評價實驗裝置

輕柴油和去離子水經(jīng)計量后進入裂解爐進行高溫蒸汽裂解反應，裂解產(chǎn)物高溫裂解氣依次經(jīng)過急冷、水冷、冰冷等三級冷卻、旋風，分離出液相烴類產(chǎn)物和水，氣相烴類產(chǎn)物經(jīng)過緩沖、增濕后，進行氣相色譜分析；裂解液相產(chǎn)物經(jīng)油水分離后稱重計量，實驗數(shù)據(jù)用本裝置自帶的專用軟件進行計算和處理。蒸汽裂解模擬實驗評價工藝流程見圖2。

圖2 蒸汽裂解模擬實驗評價流程

1.3 實驗步驟

（1）裂解爐管升溫至500 ℃，開啟水泵，向爐管中通入去離子水。

（2）待爐管溫度達到設定值后，穩(wěn)定約2 min后，開啟油泵，進行油進料。

（3）裂解爐管各段溫度和系統(tǒng)壓力均達到設定值時，進行預試驗，同時開啟裂解裝置現(xiàn)場的一冷和二冷凝液去焦油罐的閥門，并檢查爐管各段溫度、壓力和流量是否穩(wěn)定。

（4）預試驗進行200 s 后，放出水冷器和半導體致冷器中的凝液，進入試驗狀態(tài)。

（5）實驗過程中（總時間1 200 s），間隔400 s取一次氣體樣。

（6）實驗完成前2 min，計算機彈出時間提示，現(xiàn)場準備記錄濕式流量計累積讀數(shù)，當三通閥切換后，記錄濕式流量計累積讀數(shù)，并放出半導體制冷器中的冷凝焦油稱量。急冷器中的焦油、水放至分層器中靜置分層一段時間后分別放出稱量。

1.4 分析方法

裂解氣的分析方法見表2。

2 結果與討論

應用小型裂解模擬實驗裝置，考察了裂解溫度、稀釋比、裂解深度等不同條件下，輕柴油原料在USC型裂解爐中的裂解性能。

表2 分析方法

2.1 裂解溫度的影響

在稀釋比0.75，出口壓力0.07 MPa 的條件下，考察裂解溫度對乙烯、丙烯、丁二烯等收率的影響，結果見圖3。

圖3 溫度對主要裂解產(chǎn)物收率的影響

從圖3可以看出，乙烯收率隨著裂解溫度的提高收率逐漸增大，丙烯收率隨著裂解溫度的升高逐漸降低，且下降得的曲線斜率變化不大，丁二烯收率隨著裂解溫度的升高變化比較平穩(wěn)，三烯收率隨著裂解溫度的升高先逐漸升高后逐漸降低，在810 ℃時，三烯收率達到最高點，隨著裂解溫度的進一步升高，三烯收率逐漸下降。

裂解溫度較低時，乙烯收率較低；裂解溫度較高時，增加燃料消耗，增大爐管壁溫，爐管易于結焦?jié)B碳。因此，實驗選擇裂解溫度為810 ℃較為合適。

2.2 稀釋比的影響

在裂解溫度810 ℃，出口壓力0.07 MPa的條件下，考察稀釋比對乙烯、丙烯、丁二烯等收率的影響，結果見圖4。

圖4 稀釋比對主要裂解產(chǎn)物收率的影響

從圖4 可以看出，隨著稀釋比的增大，乙烯逐漸增加，丙烯、丁二烯比較變化比較平緩，三烯收率逐漸增加。在相同裂解條件下，隨著稀釋比增加，三烯收率增大，說明增加稀釋比有利于三烯生成，但是稀釋比過高會影響物耗、能耗，增大乙烯裝置負荷。因此，稀釋比不宜過高，該實驗選擇稀釋比為0.75較為合適。

2.3 裂解深度的影響

裂解深度是裂解反應進行的程度，裂解深度越高，裂解反應進行得越深，原料的轉化率越高，乙烯、丙烯、丁二烯等目的產(chǎn)物收率越高。文中考察了裂解深度對目的產(chǎn)物烯烴收率的影響，結果見圖5。

圖5 稀釋比對主要裂解產(chǎn)物收率的影響

隨著裂解深度的增大，乙烯收率逐漸增大，裂解深度達到2.2 后，收率增加緩慢；而丙烯收率隨著裂解深度增加呈下降趨勢，丁二烯變化比較平緩，三烯收率隨著裂解深度的增加逐漸增大，當裂解深度達到2.2后，三烯收率呈下降趨勢。

因此，綜合考慮裂解深度選擇2.2 較為合適。此時，乙烯收率為30.53%，丙烯收率為13.98%，丁二烯收率為4.97%，三烯收率為49.48%。

3 輕柴油工業(yè)裂解爐標定實驗研究

利用蒸汽裂解實驗裝置模擬輕柴油在USC 型裂解爐中裂解實驗結果表明，為了獲得較高的乙烯+丙烯+丁二烯等三烯收率，適宜的工藝條件：裂解溫度為810 ℃，稀釋比為0.75，裂解深度為2.2。實驗表明輕柴油是較優(yōu)的原料，三烯收率較高，可以部分替代石腦油用作乙烯原料。

在裂解模擬實驗的基礎上，進行了輕柴油工業(yè)裂解爐收率標定的研究，其標定方法是對裂解急冷鍋爐出口產(chǎn)物（主要為裂解產(chǎn)物和水蒸氣混合物）進行側線采出，對采出物進行計量，對采集樣品進行分析，從而獲得裂解產(chǎn)物的全組成分布，這是一種行之有效的方法。裂解爐收率標定現(xiàn)場取樣見圖6。

圖6 乙烯裝置現(xiàn)場取樣示意

工業(yè)爐標定期間，裝置的裂解溫度由原料的807 ℃調整為 810 ℃，稀釋比從 0.8 調整為 0.75。經(jīng)過調整后乙烯裝置運行穩(wěn)定，調整前后的對比見表3。

從表3 可以看出，工藝參數(shù)調整后，乙烯收率提高0.72%，三烯收率提高0.19%。

表3 工業(yè)裂解爐工藝參數(shù)調整前后的產(chǎn)物收率對比

4 結論

（1）降低柴汽比的有效措施之一是降低柴油生產(chǎn)、優(yōu)化利用或消耗過剩的柴油資源，因此，可將輕柴油部分替代石腦油用作乙烯原料是降低柴汽比的重要途徑之一。

（2）由輕柴油的裂解模擬實驗可知，輕柴油在USC 型裂解爐中裂解，為了獲得較高的三烯收率，乙烯裝置的最佳工藝參數(shù)為：裂解溫度810 ℃，稀釋比0.75，裂解深度2.2。此時，乙烯收率為30.53%，丙烯收率為13.98%，丁二烯收率為4.97%，三烯收率為49.48%。

（3）輕柴油工業(yè)裂解爐標定實驗表明，工藝參數(shù)經(jīng)過調整后，乙烯收率提高0.72%，三烯收率提高0.19%，建議石化企業(yè)考慮輕柴油作為乙烯原料，這樣既拓寬了乙烯原料的途徑，又降低了柴汽比，從而有利于提高石化企業(yè)的經(jīng)濟效益。