催化裂化增產(chǎn)丙烯的優(yōu)化調(diào)整探析

閆麗瑩 霍彥斌

摘 要 為了研究化工生產(chǎn)領(lǐng)域催化裂化增產(chǎn)丙烯的優(yōu)化調(diào)整技術(shù)，本文基于筆者中國石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司煉油化工總廠催化車間多年一線工作經(jīng)驗，在理論結(jié)合實際的前提下對我國催化裂化反應(yīng)丙烯生成機理和反應(yīng)過程進行闡述。為同行提供生產(chǎn)現(xiàn)場一線操作建議。

關(guān)鍵詞 催化裂化 反應(yīng) 丙烯 調(diào)整

中圖分類號：TQ03 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）08-0027-02

1 前言

當代中國的騰飛離不開重工業(yè)的發(fā)展，而化工作為國民經(jīng)濟之源有著舉足輕重的地位。其中以化工產(chǎn)業(yè)龍頭丙烯生產(chǎn)為市場主供方向的化學機理、增產(chǎn)工藝以及配套設(shè)備的研究最為活躍。其中經(jīng)歷了多倫次工藝包革新后最終確立了重油催化裂化增產(chǎn)丙烯技術(shù)的科學性和經(jīng)濟性。該技術(shù)于我國中國石化石油化工科學院20世紀自形開發(fā)，其主要原料為價格低廉且隨意可獲得的重油，主要反應(yīng)設(shè)備為以密相流化床為代表的提升管組合成串聯(lián)反應(yīng)器綜合反應(yīng)裝置[1]。本文基于環(huán)保和化工生產(chǎn)優(yōu)化的角度進行丙烯選擇性生產(chǎn)的全面提升優(yōu)化研究，而未來最具代表性和可行性的研究方向有RIPP催化裂解技術(shù)、DCC改進型技術(shù)已經(jīng)函數(shù)化的選擇性丙烯生產(chǎn)技術(shù)。當前已經(jīng)取得較大進展的有DCC-plus技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，而相關(guān)配套裝置的生產(chǎn)運行效率也相對較高，生產(chǎn)平穩(wěn)率和經(jīng)濟性較為可觀。

2 催化裂化反應(yīng)丙烯生成機理

高溫高壓下的催化裂化反應(yīng)能促進原料物質(zhì)中含有β位的正碳離子鍵斷裂，析出小分子C3、C4烯烴，并進一步擊碎其他長鏈中間產(chǎn)物。而促使β位發(fā)生斷裂至不能繼續(xù)分散型裂化為止，所以高含量的低碳烯烴能源源不斷的進行分離，以存在于反應(yīng)產(chǎn)物中。不過當正碳離子鍵短鏈分解至一定程度后會影響反應(yīng)活性。此時汽油組分能充分溶解一定量的C5-C12烯烴，反應(yīng)裝置中就能充分獲取最高生產(chǎn)率的烯烴了[2]。根據(jù)化工基礎(chǔ)所述的經(jīng)典正碳離子反應(yīng)機理構(gòu)型，當反應(yīng)充分時，每次的裂化都會得到一個烯烴，所以核算反應(yīng)產(chǎn)物中的烯烴與烷烴之比標準值應(yīng)該為2∶1，不過真實生產(chǎn)環(huán)境下的熱量及原材料都會有所損耗。而反應(yīng)器的效率和能耗是反應(yīng)環(huán)境的綜合表征。只有日常進行設(shè)備維護并優(yōu)化管反應(yīng)器的生產(chǎn)率才能將生產(chǎn)率達到最優(yōu)。需要注意烯烴的不飽和特性需要對安全反應(yīng)特點進行考量，而供氫體又是受氫體的反應(yīng)環(huán)境細節(jié)極易發(fā)生氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)而影響生產(chǎn)效率。所以只有弱化并處理最終產(chǎn)物中的烯烴含量，才能弱化多重產(chǎn)物構(gòu)型中的相對分子質(zhì)量分布特征。而生產(chǎn)出合格的低碳烯烴從而更好的進行丙烯構(gòu)型。所以增產(chǎn)的關(guān)鍵因素是運用多重手段合理進行氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)的有效控制，確保裂化反應(yīng)生成造成烯烴飽和合規(guī)，同時在安全的前提下抑制氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)造成低碳烯烴含量[3]。

3 催化裂化反應(yīng)進程對丙烯選擇性的影響

3.1 引發(fā)反應(yīng)

分子模擬實驗可以證實，重稠油中含有大量類似于烷烴的大分子烴，同時催化裂化鏈會發(fā)生反應(yīng)，具有很大的多樣性。其中，粗烴分子是由正碳負離子引發(fā)的鏈式反應(yīng)，為單分子裂解反應(yīng)。另外，鏈上會發(fā)生反應(yīng)，路線不同，反應(yīng)的特點也不同。裂解單個分子將觸發(fā)反應(yīng)。最重要的特性是干氣成分，雙分子裂解反應(yīng)是丙烯和丁烯。同時，在催化裂化反應(yīng)過程中，要注意雙分子裂化反應(yīng)，提高丙烯產(chǎn)率，減少干氣再生，提高丙烯選擇性。

3.2 傳遞反應(yīng)

在鏈轉(zhuǎn)移過程中，丙烯在生產(chǎn)過程中會發(fā)生碳負離子異構(gòu)化反應(yīng)。通過分子模擬可以看出，以粗烴分子為催化劑時，會出現(xiàn)碳負離子，在位發(fā)生裂解生成丙烯，丙烯收率達到75%。為此，在鏈轉(zhuǎn)移過程中，反應(yīng)路徑不一致，丙烯收率會有很大差異。在催化裂化反應(yīng)中，會發(fā)生碳負離子的骨架異構(gòu)化反應(yīng)，導致C4大量異構(gòu)化[4]。因此，要進行碳負離子異構(gòu)化反應(yīng)，必須大大提高丙烯的選擇性。根據(jù)正碳離子鏈反應(yīng)結(jié)果：在提升管裂解反應(yīng)過程中，存在丙烯轉(zhuǎn)化過程的形成過程，反應(yīng)的目的主要是從上述丙烯甚至最大的丙烯前驅(qū)體發(fā)展而來。為此，初級裂化反應(yīng)的環(huán)境和工藝不同，包括：催化劑在提升管中的流動方式，油的初始接觸溫度和油量，以及出口處的溫度。

3.3 催化裂解過程丙烯選擇性的影響

當前，人們對裂解二次反應(yīng)途徑的認識還存在較大差距。首先，DCC? 技術(shù)主要包括將丙烯前體團聚，然后生成烯烴并分解丙烯。為此，DCC的副反應(yīng)是使用一系列密相流化床反應(yīng)器。這種類型的反應(yīng)器是其次，其他生產(chǎn)更多丙烯的催化裂化技術(shù)的副反應(yīng)是具有平行主提升管的反應(yīng)器，其中丙烯前驅(qū)體可以直接將丙烯裂解。表1顯示了烯烴催化裂化中不同反應(yīng)的速率常數(shù)。因此，C4 和C5 都是催化烯烴裂解為丙烯的反應(yīng)。還有C4和C5裂解，此時丙烯選擇性會很低。 DCC主要使用流化床和提升管繼電器進行初級和次級催化裂化反應(yīng)。

4 催化裂化增產(chǎn)丙烯的優(yōu)化調(diào)整措施

4.1 保證加工負荷

丙烯增產(chǎn)應(yīng)以一定的加工量為基礎(chǔ)，同時在對其他產(chǎn)品性能不產(chǎn)生較大影響的情況下，最大限度地提高催化加工量，實現(xiàn)丙烯產(chǎn)量的最大增幅。海南煉化催化裂化裝置的再生器類型為兩段疊加再生，采用貧氧和部分CO燃燒，富氧再生和CO完全燃燒。在風量控制和抗回火穩(wěn)定、蓄熱室不過熱的情況下，保持對外界熱量的排熱在最大負荷，適當增加重復風量，保持最大燃燒負荷，控制二次密相溫度不應(yīng)超過690℃。以保證產(chǎn)品的合理分布[5]。

4.2 控制適宜的催化劑活性

催化劑的平衡活性越高，轉(zhuǎn)化率越高，氫轉(zhuǎn)移增加，產(chǎn)物中烯烴含量減少，烷烴含量增加。通過分析懸浮液的密度和物料平衡中異丁烷與異丁烯的比例，計算氫轉(zhuǎn)移指數(shù)，了解催化裂化反應(yīng)，及時分析平衡器的活性，增加或減少用量新鮮代理。根據(jù)科技和信息化管理部的計算，平衡劑活性的最優(yōu)控制為58-60。目前新鮮藥劑灌裝量為8t/d，平衡劑活性為59。

4.3 提高反應(yīng)溫度

一旦汽油性能達到最大值，反應(yīng)溫度的升高會導致汽油和輕循環(huán)油餾分過度裂解，從而提高LPG性能和烯烴等級。控制合適的反應(yīng)溫度有利于提高反應(yīng)的劇烈程度，提高原油轉(zhuǎn)化率，使產(chǎn)品分布更加合理，提高輕液收率。同時，由于氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)是放熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度會相對抑制氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而增加液化氣的烯烴含量。由于催化原料的性質(zhì)變化較大，過高的反應(yīng)溫度會增加焦炭產(chǎn)生量，導致再生器嚴重過載和再生器過熱。同時，二次致密相溫度過高也會使產(chǎn)品分布變差，增加熱裂。通過對原料性能的分析和對操作條件的緩慢探索，反應(yīng)溫度從502%提高到目前的503%。

4.4 提高劑油比

催化劑油比是催化劑的循環(huán)體積與進料總體積的比值。增加催化劑與油的比例相當于增加與一噸油接觸的催化劑量。同時，由于催化劑循環(huán)次數(shù)增加，廢劑與再生劑之間的碳差減小，催化劑的有效活性中心相應(yīng)增加，反應(yīng)轉(zhuǎn)化深度增加。增加冷卻水注入量，降低原料預熱溫度，可以提高催化劑油比。由于冷卻水氨氮含量較高，若將大量冷卻水帶入分餾塔內(nèi)，會造成分餾塔頂部形成鹽分，容易造成裝置波動，故運行中的冷卻水量沒有大的調(diào)整。預熱后將原料油粘度控制在5cst，在保證霧化效果的基礎(chǔ)上降低預熱溫度，從而增加催化劑的循環(huán)。目前原料預熱溫度已降至193℃，冷卻水注水量仍為8t/h。

5 結(jié)語

綜上所述，丙烯生產(chǎn)環(huán)節(jié)由于不同工藝包和不同設(shè)備負荷、生產(chǎn)加工能力、調(diào)控方式方法的不同，其催化裂解過程所得的結(jié)果會有所變化。其中理論導向上丙烯選擇性影響歸根究底是由正碳離子鏈的引發(fā)、傳遞和終止反應(yīng)進行調(diào)控指引的。基于催化裂解的機理，在過程中丙烯前身物的二次裂化以及重油一次裂化的反應(yīng)需要進行預處理，以保證完備性，但本質(zhì)上兩者差異性較大。方法導向上，多維導向下的DCC-plus技術(shù)已經(jīng)進行全面優(yōu)化，在彈性操作下證明裝置操作性安全可行。

參考文獻：

[1] 許友好，張久順，馬建國，等.生產(chǎn)清潔汽油組分并增產(chǎn)丙烯的催化裂化工藝[J].石油煉制與化工，2004，35（09）：1-4.

[2] 段秀華，山紅紅，李春義，等.催化裂化C4烴組合回煉催化裂解增產(chǎn)丙烯研究[J].石油煉制與化工，2008， 39（09）：5-8.

[3] 王曉蘭.催化裂化增產(chǎn)丙烯助劑經(jīng)濟效益分析[J].煉油技術(shù)與工程，2005，35（06）：34-35.

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[5] 顧道斌.增產(chǎn)丙烯的催化裂化工藝進展[J].精細石油化工進展，2012（03）：49-54.