催化裂化油漿柔性脫固技術(RSFF)研究

邵志才，牛傳峰，方 強，田鵬程，胡志海，韓 勇

(1.中國石化石油化工科學研究院，北京 100083；2.上海上陽流體分離科技有限公司)

催化裂化是重油輕質化生產汽柴油的重要工藝技術，是目前煉油領域最重要且應用最廣的技術之一。然而，催化裂化加工過程中會副產油漿，尤其是當催化裂化加工原料為加氫渣油或摻煉渣油的蠟油時，油漿的產率較高，為5%左右，最高甚至達到8%。催化裂化油漿(以下簡稱油漿)中含有1～6 g/L的催化裂化催化劑顆粒，嚴重影響油漿中其他組分(多環芳烴等)的加工處理，降低了油漿的利用價值。因此，為提高油漿附加值，必須先脫除油漿中的固體顆粒物(以下簡稱脫固)。

油漿脫固的方法有很多，如過濾、沉降、絮凝、離心等[1-2]，但這些方法的脫固效率較低，均難以獲得令人滿意的效果，且均難以長周期運行。其中，在傳統油漿過濾技術中，用剛性材料作為過濾材料，其自身與油漿組分分子間存在較強的范德華力。這導致油漿的一些組分，特別是瀝青質，會在過濾材料上形成凝膠層，很難脫附，使固相雜質難以從材料表面脫附[3]；而且，粘附的凝膠層在高溫環境下易結焦[4]，從而造成過濾材料堵塞。近年來，以陶瓷膜為過濾材料的技術被開發并進行工業應用[5-6]，該技術使用的過濾材料也為剛性材料，因而其對高黏度、高固含量原料的適應性還需進一步驗證。

借鑒傳統過濾技術優缺點，中國石化石油化工科學研究院在對油漿理化性質進行深入剖析的基礎上，開發了一種利用新型柔性過濾材料的油漿脫固技術(RSFF)。本研究以催化裂化油漿為原料，利用自主開發的不同代別的柔性濾材對油漿進行脫固處理，考察過濾溫度、進料速率對油漿脫固效果的影響，以及柔性濾材性能的穩定性及其對不同原料的適應性。

1 實 驗

1.1 原 料

試驗原料為采自不同煉油廠的6種催化裂化油漿A～F，其主要性質見表1。由表1可知，所采集油漿的密度(20 ℃)均高于1.0 g/cm3，黏度(100 ℃)為16.37～56.31 mm2/s，硫質量分數為0.691%～1.260%，芳烴和膠質含量較高，固體顆粒物質量分數為0.14%～0.49%。研究表明[8]，油漿中的固體顆粒物以催化裂化催化劑為主，其主要成分為Al2O3和SiO2，粒度主要集中在0.5～40.0 μm。由表1可以看出，采集的油漿中Al質量分數為319～840 μg/g，Si質量分數為300～623 μg/g。

表1 油漿的主要性質

1.2 技術方法

過濾材料對于雜質的捕捉有兩種典型機制：表面過濾和深層過濾[7]，如圖1所示。其中，以纖維型過濾材料和剛性燒結過濾材料進行的過濾屬于深層過濾。過濾時，硬顆粒會進入到過濾材料的不規則間隙中，通過反洗或反吹難以將其從過濾材料上脫除，因而造成過濾材料性能下降。

圖1 過濾材料結構模型

針對油漿傳統過濾方法中出現的濾材堵塞問題，提出使用柔性過濾材料對油漿進行脫固處理的全新技術思路。主要解決技術問題包括：①開發可以適用于油漿體系的柔性基礎材料，降低過濾材料與油漿之間的范德華力，使得油漿在過濾材料上不粘附、易脫落，且在較低的溫度下即可操作，避免高溫結焦；②使用表面過濾方法，結合濾餅過濾理論，確保過濾材料將雜質截留在過濾材料表面，便于雜質脫附，易于再生。

1.3 油漿脫固裝置

油漿脫固試驗裝置的工藝流程示意如圖2所示。由圖2可知：過濾器由底部進料，從頂部出料；過濾器的壓差達到限定值時，可通過氮氣反吹等操作對柔性過濾材料進行再生處理。

圖2 油漿脫固裝置工藝流程示意

2 結果與討論

2.1 不同柔性濾材性能

2.1.1 過濾器壓降為了彌補剛性材料的不足，開發柔性濾材對油漿進行脫固，并根據試驗結果對柔性濾材進行優化升級，先后共開發了3代柔性濾材。常規過濾操作中，過濾器壓降是重要的工藝參數，當過濾器壓降達到一定值后，需對濾材進行再生后才能再次投入運行。因此，分別使用第一代柔性濾材對油漿A進行脫固，使用第二代和第三代濾材對固體顆粒物含量稍高的油漿B進行脫固，用3種濾材達到相同過濾器壓降的時間考察不同柔性濾材的性能。使用3種濾材進行油漿過濾脫固的工況條件見表2，過濾器壓降隨時間的變化趨勢如圖3所示。

表2 使用3種柔性濾材進行油漿脫固試驗的工況條件

圖3 不同柔性材料過濾器壓降隨時間的變化趨勢

由表2可知：使用第一代、第二代柔性濾材時的過濾工況相同，但第二代柔性濾材過濾油漿B的固含量(Al、Si及固體顆粒物)高于第一代濾材過濾油漿A；第二代、第三代柔性濾材過濾的油漿相同，而第三代柔性濾材的過濾工況更苛刻，進料速率提高一倍，過濾溫度下降10 ℃。由圖3可知：使用第一代、第二代和第三代柔性濾材過濾時，過濾器壓降達到設定壓降0.10 MPa的時間分別約為49，38，24 h；其中，由于油漿B中固含量較油漿A高，當過濾器壓降相同時，使用第二代柔性濾材的過濾時間較第一代濾材更短，說明二者性能相近；使用第三代柔性濾材，因進料速率更大，濾材上積存的固體物增速快，且過濾溫度較低，因而過濾器達到相同壓降0.10 MPa的時間更短。因此，單從達到相同過濾器壓降的時間上，無法明顯區分一代、二代和三代柔性濾材間的性能差異。

2.1.2 Al+Si脫除率鑒于單從達到相同過濾器壓降的時間上難以區分3種柔性濾材的過濾性能，因而主要通過分析脫固油漿中的Al、Si及固體顆粒物的含量(質量分數，下同)來考察油漿脫固效果。使用3種柔性濾材進行油漿過濾脫固，油漿中Al和Si(Al+Si)的脫除率隨時間的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同柔性材料Al+Si脫除率隨時間的變化趨勢

由圖4可知：盡管油漿B中固體顆粒物含量較油漿A高，但在相同時間內，使用第二代濾材時，油漿中Al+Si的脫除率總體上比使用第一代濾材時更高；而使用第三代濾材時，油漿中Al+Si的脫除率最高。此外，使用第一代濾材，在過濾13 h后油漿中Al+Si的脫除率達到穩定；使用第二代濾材，在過濾5 h后油漿中Al+Si的脫除率達到穩定；使用第三代濾材，過濾開始后油漿中Al+Si的脫除率即達到穩定。由于第一代、第二代柔性濾材制備方法上的限制，過濾初始階段二者Al+Si的脫除率均較低；而在用第三代濾材過濾油漿的全過程中，脫固油漿中Al和Si質量分數均小于10 μg/g，固體顆粒物的質量分數均小于50 μg/g，Al+Si脫除率超過98%，說明第三代柔性濾材彌補了前兩代濾材的不足，過濾初始階段Al+Si脫除率很高，能夠保證整個過濾周期的產品質量。因此，從Al+Si脫除效果看，第三代濾材的性能優于第一代、第二代濾材。

2.2 工藝條件對油漿脫固效果的影響

2.2.1 過濾溫度的影響以油漿C為原料，在進料速率為1 000 g/h、過濾溫度分別為120 ℃和130 ℃時，使用第三代柔性濾材，考察不同過濾溫度下油漿脫固的效果，結果見表3。由表3可知，不同溫度下，脫固油漿中Al和Si的質量分數均小于10 μg/g，固體顆粒物的質量分數均小于50 μg/g，Al+Si脫除率超過98%。分析表3數據，并結合2.1.2節第三代柔性濾材在110 ℃下的脫固試驗可知，在不同過濾溫度下，第三代柔性濾材均能將油漿中的固體顆粒物過濾脫除，具有較好的脫固性能。另一方面，由于隨著過濾溫度降低，油漿的黏度不斷增大，因而該試驗結果也說明第三代柔性濾材對不同黏度的油漿均有較好的脫固性能，適應性良好。

表3 不同過濾溫度下油漿脫固的效果

圖5為不同溫度下過濾器壓降隨過濾時間的變化趨勢。由圖5可見：在過濾溫度為120 ℃的條件下，過濾器在運行31.5 h后壓降達到0.250 MPa；在過濾溫度為130 ℃的條件下，過濾器運行51 h后壓降達到0.253 MPa。這說明隨著過濾溫度的升高過濾器壓降增加的速率變小，原因在于隨著過濾溫度升高，油漿的黏度相應降低，油漿中的膠質和瀝青質可以更容易穿過柔性濾材，從而降低過濾器壓降增加的速率。

圖5 不同過濾溫度下過濾器壓降隨時間的變化趨勢

2.2.2 進料速率以油漿C為原料，使用第三代柔性濾材在過濾溫度為120 ℃、進料速率分別為1 000 g/h和1 200 g/h的條件下進行油漿過濾脫固試驗，考察不同進料速率下油漿脫固的效果，結果見表4。由表4可知，在不同進料速率下，脫固油漿的Al和Si質量分數均小于10 μg/g，油漿中Al+Si的脫除率均超過98%。這說明在不同進料速率下，第三代柔性濾材均能將油漿中的固體顆粒物攔截下來，因而在試驗范圍內進料速率不影響第三代柔性濾材的脫固性能。對于表面過濾而言，濾材性能主要取決于濾材本身的攔截能力及濾餅的形成情況，第三代柔性濾材本身具有較好的固體顆粒物攔截功能，因而進料速率在一定范圍內變化對其脫固性能無明顯影響。

表4 進料速率對油漿脫固效果的影響

不同進料速率下過濾器壓降隨時間的變化趨勢如圖6所示。由圖6可見，進料速率越大，過濾器壓降上升速率越快，達到相同的過濾器壓降時的運行時間越短。這是由于壓降和流速呈正相關關系，在相同過濾面積及相同濾餅情況下，液體線速度越大，過濾器壓降越大；此外，對于同一物料，進料速率越大，油漿中的顆粒物累積形成濾餅越快，過濾器壓降上升速率越高，過濾運行周期則越短。

圖6 不同進料速率下過濾器壓降隨時間的變化趨勢

2.3 原料適應性

為了考察第三代柔性濾材的原料適應性，分別以3種典型油漿(油漿C、油漿D和油漿E)為原料，在過濾溫度為130 ℃、進料速率為1 000 g/h的條件下進行油漿脫固試驗，結果如表5所示。由表5可知，在3種油漿脫固試驗全過程中，脫固油漿中Al和Si質量分數均小于10 μg/g，Al+Si脫除率均超過98%。由于3種油漿的黏度不同、固體顆粒物含量也不同，原料適應性試驗結果說明第三代柔性濾材對不同性質的油漿均有較好的脫固性能。

表5 原料適應性試驗結果

對于3種油漿過濾過程，過濾器壓降隨時間的變化趨勢見圖7。由圖7可見：從過濾器壓降上升速率看，油漿E脫固過程中過濾器壓降上升最快，油漿D脫固過程次之，油漿C脫固過程最慢；達到相同過濾器壓降時，油漿C脫固過程運行時間最長，油漿D次之，油漿E最短。原因在于油漿E的100 ℃黏度最大，達56.31 mm2/s，其固體顆粒物質量分數也最高，為0.49%。此外，過濾器壓降上升的時間表明，催化裂化油漿柔性脫固技術對黏度大、固體顆粒物含量高的油漿具有較好的適應性。

圖7 3種油漿脫固過濾器壓降隨時間的變化趨勢

2.4 柔性濾材的穩定性

為了考察第三代柔性濾材性能的穩定性及其再生效果，分別以油漿B為原料，以過濾器壓降達到0.20 MPa為終點，在進料速率為1 500 g/h、過濾溫度為110 ℃下進行了12次油漿脫固和柔性濾材再生試驗；以油漿F為原料，以過濾器壓降達到0.15 MPa為終點，在進料速率為1 000 g/h、過濾溫度為110 ℃下進行了5次油漿脫固和柔性濾材再生試驗。柔性濾材再生采用熱氮氣反吹方法，再生過程共反吹3次。該方法以過濾器初始壓降來表征柔性濾材的再生性能，過程簡單、實施方便。

柔性濾材穩定性試驗的工況和試驗結果見表6。由表6可知：對于油漿B的脫固試驗，經過12次油漿脫固和濾材再生試驗后，脫固油漿的Al和Si質量分數均小于10 μg/g，Al+Si脫除率超過97%；對于油漿F的脫固試驗，經過5次油漿脫固和濾材再生試驗后，脫固油漿的Al和Si質量分數均小于10 μg/g，Al+Si脫除率超過96%。這說明第三代柔性濾材的過濾性能和再生性能均具有優良的穩定性，而且說明采用熱氮氣反吹的再生方法可行且可靠。

表6 柔性濾材穩定性研究工況和試驗結果

在對油漿B和油漿F的多次脫固試驗中，過濾器壓降隨時間的變化趨勢分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可見：柔性濾材再生后，多次油漿脫固試驗的過程曲線趨勢一致，重合性較好，說明柔性濾材脫固性能的穩定性優良，且柔性濾材的再生效果良好；每輪油漿脫固試驗開始時過濾器初始壓降基本相同，表明通過氮氣反吹再生后濾材表面通透性恢復良好，成功實現了柔性濾材的再生，而且濾材再生質量可靠。這是由于第三代柔性濾材的開發過程中深入考慮了濾材與油漿的相容性，使油漿在柔性材料表面不粘附，因而柔性濾材表面與形成的濾渣濾餅間的作用力較弱；同時，采用熱氮氣反吹方法，易使固體濾餅從濾材上脫落，因而該柔性材料具有較好的再生性能。

圖8 油漿B脫固過濾器壓降隨時間的變化趨勢

圖9 油漿F脫固過濾器壓降隨時間的變化趨勢

3 結 論

對催化裂化油漿柔性脫固技術研究結果表明：基于第三代柔性材料的RSFF技術可以在較低的溫度下對油漿進行脫固，Al+Si脫除率可達98%以上；該技術對高黏度、高固體顆粒物含量的油漿有較好的適應性；第三代柔性材料具有良好的性能穩定性和再生性能。

在過濾面積相同的情況下，過濾器溫度、進料速率對過濾器運行周期有較大影響，過濾溫度越高、進料速率越低，過濾器運行周期越長。