单装置产品质量及数量与产品碳氢比的相互校验

徐宝平

(中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210033)

为了追求更高的生产效率，炼油技术管理水平也需要日臻完善。计量统计得到的生产装置的物料平衡(即产品收率)数据是炼油厂进行效益分析、市场测算和引导炼厂发展方向的重要依据。除了计量校验之外，炼油厂在长年累月的生产中，还采用日平衡、月平衡的方法对计量数据加以验证。但是，不可否认的是，炼油厂物料品种多，品种差异大，计量器具型号种类纷繁复杂，因此建立可信的单装置和炼厂全流程的物料平衡是一项艰巨的系统性工作。部分物料如催化裂化的烧焦量、延迟焦化的焦炭产量，都是用反推法进行估算的，是炼油行业长期存在的计量管理薄弱环节，也是技术管理中久攻未克的难题。

在现有以标准器具校验计量仪表的基础上，用油品的碳、氢数量加以校验，是对现有计量统计校验的重要补充，更是进行炼油过程深度精算的重要手段。

1 分馏塔侧线产品的规律

烃分子的主要成分是碳、氢，相对分子质量是烃类物质各原子量的总和。石油及石油炼制过程中的各物料，都是以碳原子为骨架的复杂烃类混合物，常用平均相对分子质量来表征其组分的轻重。

石化产品中，平均相对分子质量由小到大的烃类组分有干气、液化气、石脑油、汽油、柴油、蜡油和渣油。相对分子质量最小的组分为常压下的气体类烃，如甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯。理想的汽油组分是以7～10个碳原子为骨架的异构烃类混合物；而理想的柴油则是以14～20个烷烃类碳原子为骨架的烷烃类混合物。蜡油、渣油的碳原子数则依次逐步增加，烃类组成也愈加复杂。

在炼油生产过程中，分馏塔是最为普遍采用的分离设备。分馏塔的原理是依据进料中各组分沸点的不同，在分馏塔自上而下的侧线中，分别得到相对分子质量由小到大的不同组分。如在0.12 MPa、120 ℃的分馏塔塔顶，可以得到炼厂气、液化气和汽油组分；在0.13 MPa、240～340 ℃的分馏侧线，可以得到柴油组分；在0.005 MPa、240 ℃的分馏塔中部可以得到蜡油组分；剩余的相对分子质量最大、组分最重的渣油组分从分馏塔塔底抽出。常减压蒸馏装置的流程和产品如图1所示。

图1 炼油厂常减压蒸馏装置分馏塔侧线产品示意

各装置分馏塔侧线产品具有如下规律。

(1)单分馏塔侧线相对分子质量、碳原子数和碳氢比变化的规律

依据分馏原理，分馏塔自上而下，碳原子数、相对分子质量和碳氢比逐步增加，且受分馏塔操作压力和操作温度限制，相对分子质量、碳原子数和碳氢比都有限制值。

(2)常减压蒸馏、延迟焦化和催化裂化分馏塔侧线产品碳氢比的变化规律

常减压干气、液化气中多是饱和烃，氢含量高；延迟焦化干气、液化气中富含烷烃和烯烃，氢含量居中;催化干气、液化气中富含烯烃，氢含量低。

常减压直馏汽油中直链烷烃多，氢含量高；而延迟焦化汽油中直链烷烃和烯烃含量居中氢含量居中；催化汽油中异构辛烷烃含量高，氢含量低。

常减压直馏柴油中直链烷烃多，氢含量高；而延迟焦化柴油也是直链烷烃多，少含烯烃，氢含量居中；催化柴油中异构烷烃、芳烃含量高，柴油密度大，氢含量低。

上述规律是在进行碳氢比调整和物料平衡调整时必须严格遵从的重要规律。

2 由装置产品收率测算石油产品碳氢比的方法

依据物料平衡计算产品碳氢比的逻辑关系如图2所示，其中虚线部分为从收率测算产品碳氢比的逻辑关系，虚线外部为从碳氢比计算非典型工况物料平衡的逻辑关系。

图2 测算逻辑关系

其测算原理是依据

“分馏塔侧线产品物性规律”，即分馏塔自上而下的侧线产品的相对分子质量、碳原子数、氢原子数逐渐增加。先起草一个初步的原料和产品的碳氢比数据表。然后再核算原料和产品的碳、氢是否平衡，如不平衡，则需要在“分馏塔侧线产品物性规律”的基础上，调整原料和产品的碳氢比数据。这种调整是极其细致的，不是个别数据的单独调整，而是系列数据的整体的非线性调整。

关于非线性调整方法，因涉及复杂的计算公式，几种调整方法如图3所示，图3中横坐标为分馏塔塔顶、侧和底部产品按照10等份的分布；纵坐标为分馏塔塔顶、侧和底部产品的数量百分比。

(a)组分小幅向轻组分调整 (b)组分小幅向轻、重两边调整 (c)组分小幅向重组分调整

调整中不断观察原料与产品碳、氢平衡的差值是否越来越小，如果不是则需要改变调整的方向。具体的调整方法如表1所示。

表1 原料与产品碳、氢不平衡原因分析

选择上述不同的调整方法的原则是：物料平衡表中碳、氢平衡的差异越小，则表示调整方向是正确的,最终将得到最接近正确的碳氢比。

表2为基于某石化公司催化裂化装置年度累计的物料平衡及计算所得的碳、氢、硫平衡计算。

依据表2催化裂化物料平衡及碳、氢平衡数据测算的产品物性数据如表3所示，其中液态烃的碳氢比比较接近金惠芸等对石脑油进行测量的碳氢比[1]。

表2 催化裂化装置物料平衡及碳、氢平衡 %

表3 催化裂化装置分馏塔侧线产品相对分子质量及碳氢比

3 由产品碳氢比校验产品收率的方法

3.1 典型工况

从某一产品收率数据表测算产品碳氢比的过程中，若出现产品碳氢比严重不符合分馏塔上下产品的物性规律或不同装置间类似物性规律的时候，就可以判断该产品收率数据存在错误。通过调整各产品的收率数据，可以得到更可信的产品收率数据。

面临修正相对分子质量、碳氢比和收率的选择时，若分馏塔侧线产品的相对分子质量、碳氢比与上下游、分馏塔上下侧线产品的相对分子质量、碳氢比一致，则收率也是可信的，不需要修改。若相对分子质量和碳氢比与上下游、分馏塔上下侧线产品的相对分子质量、碳氢比严重不符时，则修正收率是唯一选择。表4是催化裂化烧焦率调整后，才能达到碳、氢平衡的示例。

表4 催化裂化装置物料平衡调整 %

3.2 非典型工况

在生产工艺和产品质量不变的前提下，遵循上述分馏塔自上而下侧线产品的物性规律，用可靠的产品碳氢比，可以测算出装置非典型工况的产品收率。如催化裂化100%渣油条件下的生焦率可以达到28%；100%催化油浆条件下，延迟焦化的焦炭产率可以达到50%。这些都是装置非典型工况，难以用装置的运行数据标定，但是用碳、氢平衡的方法可以得到比较可信的测算结果，是进行深入技术分析的重要参考依据。

4 结论

用产品特定的、较固定的碳氢比对计量统计的物料平衡进行校核，是从原有的单因素校验到三因素校验的重大进步，具有深远的积极意义。

(1)从可靠的单装置物料平衡数据表可以测算出可靠的单装置产品碳氢比数据。

(2)从可靠的多装置物料平衡数据表可以测算出可靠的多装置产品碳氢比数据。

(3)多装置之间的物性差异能显示出工艺原理差异和产品性能的差异。

(4)从可靠的单装置产品碳氢比数据可以测算出非典型工况的单装置物料平衡数据。

(5)单装置碳、氢平衡法可以作为石化工艺模拟软件的核心工具。