催化裂化汽提技术的研究

催化裂化汽提技术的研究摘要催化装置是石油炼化企业的核心，催化装置能否提高轻质油收率，降低焦炭产率，对炼油企业提高经济利润意义重大。而随着原油性质劣化的现象越来越严重，汽提技术的高效性、先进性也被越来越多的工程技术人员关注。作者综合了各类在用的汽提设备技术，并分析了国内外最先进的新型气体设备。并分析出汽提工艺参数的优化对汽提效率的影响。关键词原油；催化裂化；汽提；环形挡板；填料流化床；参数优化；催化裂化（FCC）作为石油炼制企业的主要生产装置，在石油加工中占有重要地位，是实现原油深度加工、提高轻质油收率、品质、和经济效益的有效途径，是液化石油气、汽油、柴油的主要生产手段，在炼油中占有举足轻重的地位。汽提器是反应和再生之间的中间环节，是催化裂化装置的关键设备。而许多工业装置的焦炭含氢量（按烟气分析计算）常常在8%以上，说明焦炭中的可汽提碳较多，老结构形式已不能满足要求，因此汽提段的改进很有必要。1汽提设备的研究1．1环形挡板的改造根据多年的研究开发和设计应用，目前国内外催化装置汽提器设计中最常采用的是环形挡板【2】。环形挡板具有结构简单、容易制造和施工、操作安全稳定等优点。因此，人们对环形挡板做了许多改进，并产生了许多专利。国外对汽提器研究最多的是MobilOilCorporation和UOP2家公司，前者早在20世纪90年代就提出了在挡板上开孔的方法【3】。基于“在挡板上开孔”的思想，着眼于提高汽固接触空间，洛阳石油化工工程公司张振千在内外挡板上增设大孔结构，提高汽提器内固相催化剂的填充率，并配合2段汽提工艺，在提高汽提效率上取得了不错的效果【4】。UOP公司发明了一种在挡板上具有完全分布开孔的方法，并获得专利。该方法在挡板上采用了完全分布且孔径大小不一的开孔，使得催化剂在汽提段内横向分布更加均匀，提高了汽固之间的活性接触，同时也使得汽提段的操作弹性加大，而这主要归功于小孔产生的小射流所带来的最有效的汽提【5】。类似的还有UOP的汽提器挡板上不均匀分布开孔技术，于2004年获得美国专利【6】。在改变挡板的倾角上，UOP公司对此也作了研究，其开发了具有基本上水平的挡板的汽提器【7】。而目前普遍采用倾角都是与水平面成45。角。倾斜的挡板具有一定的高度，因而限制了给定高度的汽提段所能安装的塔板数。汽提段挡板数目越多，汽提效果越好。且倾斜挡板高低端有一定的压差，流体力学上处于不均匀状态，导致高端腐蚀比低端严重，影响催化剂分布。采用倾角更小甚至水平的挡板，则催化剂容易积聚，需要提高档板上的流化，而这需要提高汽提介质的流速。文献[5]也对不同挡板倾角的气体效率作了考察，考虑到催化剂流动的修止角和内摩擦角的影响，允许的该夹角范围为30—60°，结果发现采用其专利技术在倾角30°的情况下有着更好汽提效果和处理能力【8】。此外，许多环形挡板都采用裙板，对提高汽提效果也起到了一定作用。1．2新型环流汽提器国外对环流汽提器的研究比较深入，目前这方面的专利技术很多。比如，VanKleeck和DavidA等人提出了一种具有多个同心环形套筒结构的汽提器结构【9】，采用多个不同直径的环形挡板将汽提器分隔成多个环形空间，在底部多个分布器管的作用下，催化剂依次从内向外经过各个环形空间，最终离开汽提器，这相当于多个汽提器串联。再如，RandyJ和Zinke等人提出了一种具有多层隔栅结构的汽提器【10】，其主要目的是加强气固之间的逆向接触，而且这种结构也比较紧凑，相对处理量也比较大。石油大学(北京)将气液环流的原理应用于气固体系，开发出了一种新型的催化裂化环流汽提器，该结构通过颗粒的环流实现气固之间的高效接触，达到了对催化剂进行多次汽提，并分别引出油气的目的。相比环形挡板汽提器，该环流汽提器具有更高的汽提效率，更好的操作弹性，而且结构也相对比较简单，是一种值得工业推广的新型汽提结构【11】。该成果已申请专利，并已应用于山东广饶石化总厂催化裂化装置的再生剂烟气汽提器上，取得了很好的效果【12】。1．3新型填料流化床汽提器该技术目前在国内尚无前人做任何研究工作，国外早在1997年Koth—Glitsh公司开始了KFBE规整填料型汽提器的研究【13】。如图l，KFBE型规整填料由相互交错连接的板条组成，板条与汽提段轴向呈一定的角度。研究人员通过试验比较了环形挡板和几种KFBE填料作内构件的汽提器的性能，发现后者在当量高度的汽提效率、活动空问、约束区乳化相速度等方面比前者有更大的优势；并且认为，KFBE通过采用相互交错的板条，消除了催化剂死区和气体阻滞区，汽提段内的活动空间增加了15％～60％，提高了催化剂的停留时间，降低了汽提段的催化剂流速和密度，避免了油气返混。据报道，这一技术于2000年6月在TotalFi-naElfAntwerp炼油厂的第二套FCC装置改造中采用，在保持汽提段直径和长度不变的情况下，汽提段的自由流通截面积从5.2m2提高到7.3m2，催化剂循环量从2.3kt／h提高到3.1kt／h，每吨催化剂的预汽提蒸汽量从1.2kg减少到0.7kg，主汽提蒸汽量从2.0kg降到1.5kg，掺渣比从40％提高到40％～60％，氢碳质量比从7％降到6％。Senegas等人发明了一种流化床催化填料式汽提器【14】。其填料是一种波浪式的板，按照一定的要求进行排列，分成几层放在汽提器中，气固2相流体在填料中的通道进行流动和接触。在工业装置中应用结果表明，该汽提器有效提高了汽固接触，操作弹性也得到了改善。可见，较为复杂的填料型汽提器有着更高的汽提效率。但其相对于简单挡板的复杂结构，抑制了其在工业上的大规模应用。催化裂化装置中汽提段内催化剂密度大，流量大，对内构件冲刷磨损严重，对于填料型汽提器的应用更加不利。因此，对于填料型汽提器，材料的耐磨性是个不得不考虑的关键因素。以上所述均为规整填料，采用散装填料的汽提器目前尚未出现。散装填料因其位置的随意性，容易产生死角区域，对催化剂的流态化不利，且催化剂流量大，可能导致堆积堵死的现象。近年来，国外推出一种用于填料流化床的EUROMATIC填料【15】，为塑料椭球形空心薄壁填料，它的开发为我们提供了将其应用于汽提器的新思路。2汽提工艺的研究2．1参数的优化随着汽提段结构的不断更新，汽提工艺的不断改进也成为提高汽提效率的重要手段。优良的汽提工艺能提高汽提效果，汽提段的效率与汽提时间、水蒸气用量、汽提温度以及汽提压力有关【l8】。提高汽提温度，有利于待生催化剂的汽提，汽提效果明显改善。汽提段内存在一些反应，高温可以使得反应更加完全。吸附在催化剂表面和催化剂空隙内的难于汽提的油或软质焦炭，可进一步裂化、脱氢、缩合，这样就使在常规汽提条件下不能有效汽提的液焦部分地裂化成小分子的轻烃，以达到降低待生催化剂上的焦炭，尤其是降低焦炭中氢含量的目的。延长汽提时间对待生催化剂的汽提是十分有利的。延长汽提时间可以通过延长催化剂在汽提段内路径和降低催化剂流速来实现。当超过一定时间后，进一步延长时间对汽提效果的改善并不十分显著，在高温下汽提时，达到较好汽提效果的时间相对要短一些。随着汽提水蒸汽量的增加，汽提效果有一定的改善；同时因水蒸汽的流速提高，还改善了催化剂与蒸汽的接触，综合效果是更有利于吸附油的脱吸，提高了汽提效率。汽提水蒸汽超过一定量后，汽提效果的改善不明显。催化剂的结构性质对待生催化剂上焦炭的可汽提性也有较大的影响。比表面积大的待生催化剂可汽提焦炭相对较多，孔体积大待生催化剂可汽提性较好。2．2预汽提和多段汽提技术催化剂所携带的油气约75％为催化剂颗粒间所夹带，25％存在于催化剂空隙。多段汽提就是根据催化剂携带油气的情况所提出来的。多段汽提就是在汽提段的不同位置分别设置汽提蒸汽分布管，使同样的汽提蒸汽量能够起到更好的汽提效果。一般蒸汽分布管设置2层或3层。第一层都设置在汽提段上部，称之为预汽提。预汽提的主要作用是利用其动力吹扫催化剂间夹带的油气，而不是置换催化剂空隙内的油气。未设预汽提的汽提器，蒸汽到了汽提器上部后动力已经大量损耗，对催化剂间油气不能进行有效吹扫。第二层或者三层蒸汽则主要起到置换的作用，因此需要与催化剂的长时间大面积的接触，设在汽提器底部。研究还认为，汽提蒸汽进入汽提器后只有向上流动才起作用，向下流动的蒸汽对油气置换没有贡献【16】。目前多数的关于汽提器所申请的专利都采用了预汽提和多段汽提技术。工业上成功应用的例子也有很多，比如中石化洛阳分公司炼油厂对催化裂化装置的改造【17】。3结语新型汽提器仍然是高效汽提技术的主要研究方向。其发展方向呈结构复杂化，其目的都是为了使催化剂流态化更加均匀，避免偏流、集束和汽泡的产生。但具有复杂的结构的新型汽提器对材质、制造、安装等方面提出了较为苛刻的要求，并制约着它的推广应用。改善汽提段的工艺参数、采用预汽提和多段汽提技术是在原有汽提器结构上进一步提高汽提效率的有效手段。