催化裂化系统压力对产品分布及能耗的影响

李秋芝，孟凡东，闫鸿飞，孙世源

(中国石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003)

催化裂化系统压力对产品分布及能耗的影响

李秋芝，孟凡东，闫鸿飞，孙世源

(中国石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003)

在中型提升管催化裂化试验装置上，考察了反应压力对产品分布的影响；根据不同压力下的产品分布，基于2015年实际价格体系，计算了催化裂化装置的基准能耗及不考虑一次性投资情况下的综合经济效益，分析反应压力对装置基准能耗及综合经济效益的影响。结果表明：随着反应压力的提高，汽油收率下降、辛烷值降低，基准能耗和综合经济效益均下降；当反应压力从0.125 MPa提高至0.247 MPa时，汽油收率降低2.4百分点，基准能耗下降245 MJ/t，综合经济效益下降147元/t。

催化裂化 反应压力 产品分布 基准能耗

近年来，降低催化裂化装置能耗一直是炼油企业追求的目标[1-3]，能耗指标是催化裂化装置的重要考核指标。因此，为了降低催化裂化装置的能耗，工程设计和生产单位采取了一系列的措施，应用最普遍的措施是提高催化裂化装置系统压力。提高催化裂化系统压力有利于烟机能量回收，降低装置能耗指标，且有利于再生器烧焦[4]。同时，提高催化裂化系统设计压力，反应器、再生器等设备尺寸变小，可节省建设投资。但是，反应压力增加会导致汽油收率下降，焦炭产率增加，并且会强化氢转移反应，导致汽油辛烷值下降。近年来的工业实践证明，在目前多产汽油背景下，催化裂化汽油的实际收率比20年前不升反降。究其原因，除了为满足新的汽油规格指标而采用新工艺、新技术、新催化剂及加工的原料有变化外，不断提高的催化裂化装置系统压力估计也是一个重要因素。因此，本课题通过试验考察催化裂化装置反应压力对产品分布的影响，分析不同压力下的基准能耗及不考虑一次性投资情况下的综合经济效益，以期为催化裂化的工程设计和生产提供参考。

1 反应压力对产品分布的影响

在提升管催化裂化中型试验装置上进行试验，考察反应压力变化对产物分布的影响。该装置为两器高低并列式，常规进料量为1.5 kg/h，催化剂藏量为10 kg。

在催化裂化工业装置中，反应压力虽然是独立操作变量，但由于装置的设计和加工能力的限制、分馏和吸收稳定系统的限制以及气压机的限制，在实际操作中反应压力调节幅度不大。在工业催化裂化装置上，反应压力(绝压)通常为0.15～0.50 MPa。在提升管中试装置上考察反应压力的影响时，试验压力范围主要根据装置工程设计时的反应压力来确定。

1.1 试验原料油及催化剂

中型试验所用原料油性质见表1；所用催化剂为DFC-1工业平衡剂，其性质见表2。

表1 原料油性质

表2 催化剂性质

1.2 反应压力对产品分布和汽油性质的影响

在反应温度515 ℃、剂油质量比7.5、反应时间3.0 s、原料雾化蒸汽比例6%的条件下，反应压力对产品分布的影响见图1。从图1可以看出：在反应压力大于0.12 MPa时，随着反应压力的提高，干气产率略有增加，液化气收率下降；柴油收率随压力提高略有升高；汽油收率随着压力提高呈现降低的变化趋势，当反应压力由0.125 MPa升至0.247 MPa时，汽油收率降低2.4百分点；焦炭产率随压力提高逐渐升高。

图1 反应压力对产品分布的影响■—干气； ●—液化气； ▲—汽油； 柴油；◆—重油； 焦炭

反应压力对汽油辛烷值和烯烃含量的影响见图2。从图2可以看出，随着反应压力的升高，由于氢转移反应增加，汽油的烯烃含量下降，辛烷值下降。

图2 反应压力对汽油辛烷值和烯烃含量的影响■—RON； ●—烯烃含量

2 反应压力对基准能耗的影响

影响催化裂化装置能耗的因素很多，而且它们之间的关系错综复杂。基准能耗作为评价装置用能水平的一种方法，对于挖掘装置节能潜力，提高能量管理水平，具有一定的实用价值。催化裂化装置通用的基准能耗[5]计算的基础条件，是一个接近目前最经济的理想条件，也是通过努力有可能达到的指标。也就是说，基准能耗是在理想的规定条件下计算得到的能耗。基准能耗计算方法不是采用传统的输入与输出能量之差加上消耗的方法计算，而是基于能量平衡原理，由装置用能中不能回收的排弃能量和原料与产品之间的化学焓差之和来确定，其中也包括所用能量在转化过程中的损失。本方法计算的基准能耗包括催化裂化反应器、再生器、分馏系统、吸收稳定系统、主风机和烟气透平、余热锅炉、气压机、余热回收站等装置的能耗，不包括水处理和产品精制部分的能耗。

2.1 基准能耗的计算方法

催化裂化基准能耗(EB)计算式如下：

(1)

式中，E1～E11分别为化学焓差能耗、再生烟气排烟能耗、工艺排弃能耗、主风机能耗、气压机能耗、工艺用蒸汽能耗、泵及其它用电能耗、散热能耗、冷却介质能耗、终止剂或回炼汽油能耗、其它能耗，MJ/t。

(1)化学焓差能耗

(2)

CR=58 066D+957C-6 539

(3)

(4)

(5)

式中：CR为与原料性质有关的系数；C为新鲜原料油的残炭，%；D为新鲜原料油在15.6 ℃时的密度，可由20 ℃密度换算得到，g/cm3；MC为原料的平均相对分子质量，若有该数据按实际数据输入，若无该数据则按式(4)估算；MP为产品的平均相对分子质量，规定(油浆+回炼油)、柴油、汽油、液化气、干气的相对分子质量分别为350，200，100，50，17；yH、yLO、yG、yL、yF分别为油浆及回炼油、轻柴油、汽油、液化气、干气的产率，%；T50为新鲜原料油的恩氏蒸馏50%馏出温度，K。

(2)再生烟气排烟能耗

E2=24.8yC

(6)

式中，yC为焦炭产率，%。

(3)工艺排弃能耗

工艺排弃能耗是指进装置原料与出装置产品之间的物理焓差。

E3=42.97yF+17.66yL+6.42yG+

1.64yLO+0.19yH-91.81

(7)

(4)主风机能耗

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

(8)

Ne=3.6N/W

(9)

式中：P1为主风机出口压力(绝压)，MPa；Ne为增压机能耗，无增压机时，Ne=0，有增压机时，按式(9)由增压机实际耗功计算；N为增压机实际耗功，kW·h；W为装置的实际处理量，t/h。

(5)气压机能耗

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

0.08)](yF+yL)

(10)

式中：P2为气压机出口压力(绝压)，MPa；P3为反应压力(绝压)，MPa。

(6)工艺用蒸汽能耗

E6=279+31.82a(1+R)

(11)

式中：a为原料雾化蒸汽的比例，%；R为回炼比。

(7)泵及其它用电能耗

E7=47

(12)

(8)散热能耗

E8=5.76yC-0.58q+396.9

(13)

式中，q为装置原设计的处理量(新鲜原料进料量)，t/h。

(9)冷却介质能耗

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

0.018yH-16.3

(14)

(10)终止剂或回炼汽油能耗

E10=GR2

(15)

式中：G为常数项，当终止剂介质为粗汽油时，G=953 MJ/t，当终止剂介质为水时，G=2 806 MJ/t；R2为终止剂或回炼汽油的回炼比(对新鲜进料量)。

(11)其它能耗

其它能耗指净化空气、非净化空气和污水等的能耗。

E11=45

(16)

基准能耗计算需要的原始数据包括混合原料性质(如密度、残炭、相对分子质量、恩氏蒸馏50%馏出温度等)、产品收率(如干气、液化气、汽油、轻柴油、回炼油、油浆、焦炭产率)、回炼比、原料雾化蒸汽的比例、主风机出口压力、气压机出口压力、反应压力、装置处理量、终止剂或回炼汽油量等。在实际计算过程中，由于采用中型提升管试验数据，操作模式为单程通过，取R=0；不考虑增压机能耗，即Ne=0；不考虑终止剂的采用和汽油的回炼，即E10=0；给定主风机和气压机出口压力，P1=0.45 MPa，P2=1.2 MPa。

2.2 反应压力对基准能耗的影响

根据以上基准能耗计算方法，并结合反应压力对产品分布影响的研究结果，针对某1 Mt/a催化裂化装置，可得到反应压力对基准能耗的影响，结果如图3所示。由图3可以看出：随着反应压力的提高，基准能耗呈现降低的变化趋势，而降低反应压力会在一定程度上提高装置的基准能耗；当反应压力从0.125 MPa提高至0.247 MPa时，基准能耗下降245 MJ/t。实际上，系统压力对基准能耗的影响包括显性影响项和隐性影响项，显性影响项为气压机能耗，隐性影响项是通过影响焦炭产率而影响与焦炭产率有关的基准能耗项，包括主风机能耗、气压机能耗和再生烟气排烟能耗。当反应压力增加时，气压机能耗、按主风机-烟机-电机三机组配置的主风机能耗减少，虽然再生烟气排烟能耗增加，但总的基准能耗下降。

图3 反应压力对基准能耗的影响

3 反应压力对经济效益的影响

反应压力变化会导致产品分布的变化，而产品分布的变化会引起经济效益的变化。同时，反应压力对装置能耗也有一定的影响，而装置能耗是操作费用中的一项重要内容。反应压力对装置经济效益的影响有双重性，当系统压力降低时，产品分布得到改善，经济效益增加；但也导致能耗增加，使操作费用上升。另外，反应压力对一次性投资、产品性质也有一定的影响，但为简便起见，本课题经济效益的计算中未予考虑。

经济效益计算中的原料和产品价格采用2015年的实际价格体系，如表3所示。中间产品价格按中国石油化工股份有限公司内部价格体系测算或者折算获得，所有原料或产品价格均为不含税价。根据不同反应压力下的产品分布及能耗变化对经济效益进行了计算，结果见图4。由图4可知，随着反应压力的提高，综合经济效益呈下降趋势，而且下降幅度较大，当反应压力由0.125 MPa提高至0.247 MPa时，综合经济效益下降147元/t左右。因此，基于2015年的实际价格体系，采用较低的反应压力有利于提高装置的总体经济效益。工程设计和生产操作的适宜反应压力为0.16 MPa左右。

表3 2015年催化裂化装置产品价格

图4 反应压力对综合经济效益的影响

4 结 论

(1)反应压力提高对提高催化裂化汽油收率有不利影响。随着压力增加，汽油收率下降，并且辛烷值降低。

(2)反应压力提高有利于降低催化裂化装置的能耗。

(3)采用较低的反应压力有利于提高催化裂化装置的总体经济效益，工程设计和生产操作的适宜反应压力为0.16 MPa左右。

[1] 鲁维民.重油催化裂化装置的能耗分析[J].石油炼制与化工，2010，41(12)：61-64

[2] 张苡源，张成，常培廷.2.9 Mt/a蜡油催化裂化装置能耗分析与节能措施[J].石油炼制与化工，2013，44(9)：87-92

[3] 王瑞，张杨，彭国峰，等.重油催化裂化装置节能降耗措施分析与应用[J].石油炼制与化工，2015，46(8)：86-89

[4] 陈俊武.催化裂化工艺与工程[M].2版．北京：中国石化出版社，2005：860-861

[5] 中国石化炼油事业部节能中心.催化裂化装置基准能耗[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，工程师，主要从事石油炼制工艺研究工作，发表文章多篇，申请专利10多项。

孟凡东，E-mail：mengfd.lpec@sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司合同项目(115020)。