单溶剂抽提分离FCC油浆影响因素分析

孙昱东 赵小宁 冯祎

摘要：以大庆催化裂化（FCC）油浆为原料，N，N-二甲基甲酰胺（DMF）为抽提溶剂，采用三因素三水平BBD（box-behnken design）正交试验设计，考察分析抽提温度、剂油比和抽提时间对抽提油收率及芳香烃质量分数的影响，得到抽提油收率和芳烃质量分数与影响因素间的多项式回归模型。响应面法分析表明，单溶剂抽提分离FCC，抽提温度和剂油比对抽提结果有明显影响，且两者对芳烃质量分数具有交互作用，而抽提时间对抽提结果的影响不显著。模型分析表明，DMF抽提分离油浆的最优操作条件为抽提温度61.3 ℃、剂油比3.3，抽提时间35 min，模型预测结果与重复性验证试验具有非常好的一致性。

关键词：溶剂抽提； FCC油浆； 响应面法； 抽提油收率； 芳烃质量分数

中图分类号：TE 624.5 文献标志码：A

引用格式：孙昱东，赵小宁，冯祎.单溶剂抽提分离FCC油浆影响因素分析［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（1）：171-176.

SUN Yudong， ZHAO Xiaoning， FENG Yi. Analysis of influence factors on FCC slurry separation by single-solvent extraction［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（1）：171-176.

Analysis of influence factors on FCC slurry separation by

single-solvent extraction

SUN Yudong， ZHAO Xiaoning， FENG Yi

（College of Chemistry and Chemical Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： The influence of extraction temperature， solvent-oil ratio and extraction time on extracted oil yields and aromatics mass fraction were analyzed by three factors and three levels of orthorhombic method with Daqing FCC slurry as feedstock and N，N-dimethylformamide as solvent. The regressive model of extracted oil yields and aromatics mass fraction to temperature， time and solvent-oil ratio were established. The analysis of response surface method shows that temperature and solvent-oil ratio have significant effect on extraction results. And there is interaction between them when FCC slurry separated by single-solvent extraction， but the effect of time is not obvious. The model analysis shows that the optimal conditions for FCC slurry separation by DMF are 61.3 ℃ of temperature， 3.3 of solvent-oil ratio and 35 min of time. The prediction results are in good agreement with the verification test.

Keyword： solvent extraction; FCC slurry; response surface method; extracted oil yield; aromatic mass fraction

催化裂化（FCC）油浆^［1-2］是催化裂化装置的副产物之一，近年来随着FCC原料重质化和劣质化趋势加剧，FCC油浆产率有所增加，约为5%～10%^［3］。FCC油浆主要由2～5环的芳香类化合物及少部分饱和结构组成^［4-6］，具有广泛的工业用途^［7-9］，但由于含有较多的催化剂粉尘，目前主要作为低附加值的燃料油调合组分使用^［10-11］。如能夠对FCC油浆进行深度分离，分别得到高芳香性和饱和烃为主的组分，则可进一步加工成高附加值产品，提高催化裂化装置的经济效益^［12-13］。笔者研究操作条件对单溶剂抽提分离FCC油浆的影响，采用响应面分析法（response surface method，RSM）^［14］考察FCC油浆抽提分离的最优操作条件。

1 试 验

1.1 原 料

选取大庆催化油浆为原料。油浆中含有大量催化剂粉尘，会对抽提和分析产生不利影响。首先采用减压蒸馏对催化油浆进行切尾处理，在操作压力133.3 Pa下切取小于340 ℃的馏分作为抽提原料，收率约为催化油浆的80%。原料及切尾油浆的理化性质见表1。

1.2 试验方法

根据前期研究结果，选取N，N-二甲基甲酰胺（DMF）为抽提溶剂^［15］，按照一定的剂油比将切尾油浆与溶剂置于250 mL三口烧瓶中，电加热套控制温度，使用增力搅拌器提高两者间的扩散传质；抽提一定时间后停止搅拌，将混合液转入分液漏斗并置于恒温箱（设定为抽提温度）中静置30 min；待两相分层后，分别将下层抽出相和上层抽余相转入称重的250 mL圆底烧瓶中，经蒸馏回收溶剂后得到抽出油和抽余油，分析两者组成性质，以抽出油收率和芳烃质量分数评价抽提效果。

其他条件一定的情况下，考察抽提温度、剂油比和抽提时间对抽提过程的影响。

1.3 试验因素水平选取

DMF抽提分离切尾油浆，主要影响因素是抽提温度、剂油比和抽提时间。在考察抽提温度（x₁）、剂油比（x₂，指溶剂与进料的质量比）和抽提时间（x₃）对抽提效果影响的基础上^［15］，根据单因素试验结果，采用三因素三水平的BBD（box-behnken design）法设计正交试验，共17组试验，其中5组为中心试验。试验设计的因素及水平选取见表2。

1.4 抽提率计算

抽出油收率计算公式为y=m/m₀。其中m为抽出油质量，g；m₀为原料油浆加入量，g。

2 结果分析

2.1 正交试验结果

以抽提温度、剂油比及抽提时间为试验因素，分别以抽提率（y）和抽出油芳烃质量分数（w）为响应值进行试验，结果见表3。

2.2 抽提率模型

利用Design-Expert软件对表3中抽提率数据进行回归分析，得到抽提率对抽提温度、剂油比和抽提时间的二次多项式模型：

y=61.25+3.06x₁+1.72x₂+0.07x₃+0.04x₁x₂-0.15 x₁x₃-0.01x₂x₃-0.39x₁₂-0.34x₂2+0.10x₃2. （1）

使用响应面法对各试验点的响应值进行回归分析，得到切尾油浆抽提率多项式模型的方差分析结果见表4，模型多项式系数的显著性见表5。

由表4可知，切尾油浆抽提率模型的P值小于0.0001，此多项式模型非常显著。x₁和x₂的P值均小于0.05，x₃對模型影响不显著，即在影响切尾油浆抽提率的因素中，抽提温度和剂油比对模型的影响较大，抽提时间的影响不明显。失拟误差的P值大于0.05，对模型的影响不显著，说明式（1）拟合中非正常误差所占的比例小。使用Design-Expert得到相关系数R²=0.996 5，R²_adj=0.992 1，均大于0.99，说明模型对试验数据的拟合情况好。综上所述，该模型显著，误差较小，数据拟合程度好，可用于对切尾油浆抽提率的分析。

通过Design-Expert软件分析，得到抽提率的最优工艺条件为抽提温度70 ℃、剂油比3.5、抽提时间27.8 min，预期抽提率为65.2%，此时抽出油芳烃质量分数为71.2%。

2.3 抽出油芳烃质量分数模型

利用Design-Expert软件对表3中芳烃质量分数数据进行回归分析，得到芳烃质量分数对抽提温度、剂油比和抽提时间的二次多项式模型：

w=76.29-3.50x₁+0.71x₂+0.46x₃+0.74x₁x₂-0.01x₁x₃-0.05x₂x₃-0.76x₁₂-2.08x₂2-0.23x₃2.（2）

图1为模型预测值和实际值之间的对应关系，芳烃质量分数的模型预测值和实际值基本在同一条直线上，二者具有比较高的符合度。

芳烃质量分数模型的方差分析见表6，模型多项式系数的显著性如表7所示。

由表6可知，芳烃质量分数模型的P值小于0.0001，多项式模型非常显著。x₁、x₂和x₁x₂的P值均小于0.05，x₃对模型的影响最不显著，即在影响芳烃质量分数的因素中，抽提温度和剂油比对模型影响显著，且抽提温度与剂油比之间存在交互作用，抽提时间影响不明显。失拟误差的P值为0.1958，大于0.05，说明对模型的影响不显著。回归模型的相关系数R²=0.9839，R²_adj=0.9632，均大于0.95，说明模型对试验数据的拟合较好。综合来说，该模型显著，误差较小，数据拟合程度好，可用于对芳烃质量分数的分析。

2.4 抽出油芳烃质量分数响应面

根据回归模型，利用Design-Expert做出芳烃质量分数与各影响因素的响应面图和等高线图，可以直观得到各因素对响应值的影响、因素之间的交互作用及较高芳烃质量分数分布的区域范围。响应值对各因素的响应面图和等高线图如图2～4所示。

图2为抽提时间为30 min时芳烃质量分数对抽提温度和剂油比的响应面。由图2可知，抽提温度升高会降低抽出油芳烃质量分数；芳烃质量分数随剂油比增大先升高，达到一定程度后，芳烃质量分数随之下降。抽提温度和剂油比有一定的交互作用，在较低的抽提温度（如50 ℃）时，剂油比在2.7附近就有较高的芳烃质量分数，随温度上升，达到较高芳烃质量分数所需的剂油比也增加。

图3为剂油比3.0时芳烃质量分数对抽提温度和抽提时间的3D响应面和等高线。由图3可知，抽提时间较短时，芳烃质量分数随抽提时间延长而增大，达到一定时间后，抽提过程基本完成，芳烃质量分数基本不再随时间变化。

图4为是抽提温度为60 ℃时，芳烃质量分数对剂油比和抽提时间的3D响应面图和等高线图。可以看出，抽提时间的影响不显著，且剂油比与抽提时间无交互影响。

2.5 最优抽提条件及其验证

实际生产过程中需要综合考虑抽提率及抽出油芳烃质量分数，使用软件模拟可以得到两者均较优时的操作条件：抽提温度61.3 ℃、剂油比3.3，抽提时间35 min，预期的抽提率为62.6%，芳烃质量分数为75.8%。

为确定响应面分析结果的可靠性，以两个响应面值均较优时的最佳工艺条件进行3组重复验证试验，结果见表8。3组试验的抽提率为（62.6±0.5）%，抽出油芳烃质量分数为（75.8±0.5）%，与预测结果相似，说明响应面分析设计是准确可靠的。

3 结 论

（1）根据BBD设计切尾油浆抽提分离的三因素三水平正交试验方案并进行芳烃抽提试验，对试验数据进行回归拟合，得到抽提率和抽出油芳烃质量分数的多项式模型。

（2）对抽提油芳烃质量分数影响最显著的是抽提温度，抽提时间的影响最不显著，且抽提温度和剂油比之间存在一定的交互作用。

（3）根据抽提率和芳烃质量分数的多项式模型，分析得到两者均较优时的工艺操作条件，此时的抽提率为62.6%，芳烃质量分数为75.8%，与重复性试验验证结果高度相符。

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（编辑 刘为清）