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1/56常减压-催化裂化综合生产实训装置1、设计原理石油的流向改变着世界政治经济的格局，如果没有一种新的燃料能取代石油，国际间石油的争夺就不会停止。不可否认，上个世纪海湾地区爆发的几次战争，石油是其背后的重要动因。随着我国经济与世界市场联系的日益紧密，我国对石油的敏感度越来越高。石油是最重要的经济资源，通过对石油的炼制可得到汽油、煤油、柴油等燃料以及各种机器的润滑剂、气态烃等。通过化工过程，可制得合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、化肥、医药、油漆、合成洗涤剂等。因此，石油被广泛运用于交通运输、石化等各行各业，被称为经济乃至整个社会的“黑色黄金”、“经济血液”。炼油厂通过复杂的物理和化学变化过程将石油转换为可利用的产品，绝大部分炼厂都将生产燃料和生产化工产品结合起来，依靠化工产品增加企业的经济效益，因此，综合型的炼油厂一般都具有以下装置：常减压蒸馏、催化裂化、加氢裂化、催化重整、烷基化、延迟焦化、尿素脱蜡等。随着经济的发展，社会对轻质燃料油的需求量越来越大，仅仅依靠常减压蒸馏装置从原油中分离出来的轻组分远远不能满足需求，而催化裂化装置是把原油中重组分裂解成轻质化的反应，因此，一般常减压蒸馏装置及催化裂化装置是炼厂中必不可少的装置。本装置有以下几个部分：原油电脱盐（预处理）、常减压蒸馏、催化裂化、裂化产品分离、裂化产品稳定。下面介绍下各部分的基本原理：1.1电脱盐原理原油中的环烷酸、胶质、沥青质是天然的乳化剂，随着原油的过度开采及采油技术越来越多的依靠油层注水和使用驱油剂（一种乳化剂），此外，原油从油田经过长途运输和多次泵的加压传送最后送到常减压装置，其中的水被均匀的分散到油中，水和油滴过度混合形成牢固的乳化液。乳化液的状态分为油包水型和水包油型两种。其中，95%原油属于稳定的油包水型。2/56简单地说，原油电脱盐就是在电场、破乳剂、温度、注水、混合强度等因素综合作用下，破坏原油乳化状态、实现油水分离的过程。由于原油中大多数盐溶于水，这样的盐类就会随水一起脱掉。1.2常减压蒸馏原理1.2.1常压蒸馏原理原油之所以能够利用分馏的方法进行分离，其根本原因在于原油内部的各组分的沸点不同。同时，分馏需要经过汽化和冷凝过程。1、平衡汽化过程：平衡汽化过程其特点是加热后所生成的汽相和液相始终保持紧密的接触，直至最后才分离。如果接触足够充分的话，两相分离时即达到相平衡状态，则这种汽化过程称为平衡汽化过程。2、平衡冷凝过程：平衡冷凝过程是平衡汽化的相反过程。若将过热的气体进行分离则需采用冷凝的方法。冷凝过程中所生成的凝液若与蒸汽保持紧密的接触，分离时达到相平衡，则这种冷凝称为平衡冷凝过程。3、常压分馏工艺原理：原油加工过程中，把原油加热到360～370℃左右进入常压分馏塔，在汽化段进行部分汽化，其中汽油、煤油、轻柴油、重柴油这些较低沸点的馏分优先汽化成为气体，而蜡油、渣油仍为液体。含有汽油、煤油、轻柴油、重柴油的气体混合物离开汽化段进入塔的上部（称为分馏段），在塔盘上与液体回流相接触，被冷却而部分冷凝，则沸点较高的重柴油首先冷凝，而沸点较低的汽油、煤油、轻柴油仍为气体，该气体再继续上升而部分冷凝，则又有沸点较高的轻柴油冷凝为液体。如此进行汽液相的多次部分汽化、冷凝，煤油、轻柴油、重柴油在其各自蒸汽分压下的泡点温度从塔侧抽出。最后剩余的气体即沸点最低的汽油在其蒸汽分压下的露点温度从塔顶馏出。常压分馏精确度不高，从塔侧抽出的产品，必然含有低沸点产品，这些低沸点产品，则需从辅助汽提塔用水蒸汽汽提返回常压分馏塔，从而得到合格的侧线产品。汽化的常压重油，也就是蜡油和渣油，从汽化段下流至塔的下部分，称为提馏段，经水蒸汽汽提后从塔底抽出。1.2.2减压蒸馏原理在汽液平衡状态下，物质的蒸汽压随温度而变化，温度愈高，蒸汽压就愈大，3/56HR:C+HR，R:C+R*温度愈低蒸汽压愈小。液体沸腾的必要条件是蒸汽压必须等于外界压力，因此，降低外界压力就相当于降低液体沸腾时所需要的蒸汽压，也就是降低了液体的沸点，压力愈小，沸点降的愈低。如果使蒸馏过程在压力低于大气压以下进行，就可以使操作温度降低，这种过程称为减压蒸馏。要从常压重油中分割出沸点高达510℃甚至550℃的馏分来作为二次加工原料，若加热到这样的温度，油品早已发生裂解，使馏分品质变坏，为了防止馏分的分解，重油蒸馏一般都在低于410℃以下进行，为此采用在塔顶抽真空的减压蒸馏方法。减压程度的大小用真空度来衡量，所谓真空度是指设备内的残压与大气压的差值，真空度越高，残压越低，减压塔的抽真空系统由冷凝器和蒸汽喷射抽空器所组成。1.3催化裂化反应原理催化裂化反应可以用正碳离子反应机理解释，所谓正碳离子，是指表面缺少一对价电子的碳原子形成的烃离子，其形式如（1）这些正碳离子不能自由存在，它只能吸附在催化表面进行反应。正碳离子是催化剂与烯烃分子作用形成的，在酸性催化剂存在的情况下，生成正碳离子所需的能量比热裂解生成自由基要小得多（而在无催化剂条件，热裂解过程是气相热反应，此时生成正碳离子所需能量比裂解成自由基又大得多，其结果是烃分子均匀断裂成自由基，遵循自由基反应机理），此时催化剂活性中心给出质子，使烯烃质子化生成正碳离子，正碳离子开始形成必须具备两个条件，一、要有烯烃（来源于原料或热裂解产物），二、要有给出质子的酸性催化剂。正碳离子形成后，其发生一连串平行-顺序反应，反应过程复杂，反应类型多样。1.催化裂化的化学反应种类催化裂化过程中的化学反应并不是单一烃类裂化反应，而是多种化学反应同时进行。在催化裂化条件下，各种化学反应的快慢、多少和难易程度都不同。主要化学反应如下：（1）裂化反应裂化反应是催化裂化主要反应，它的反应速度比较快，同类烃分子量越大，反应速度越快；烯烃比烷烃更易裂化；环烷烃裂化时，既能脱掉侧链，也能开环4/56生成烯烃；芳烃环很稳定，单环芳烃不能脱甲基，只有三个碳以上侧链才容易脱掉。（2）异构化反应异构化反应是催化裂化的重要反应，它是在分子量大小不变的情况下，烃类分子发生结构和空间位置的变化。异构化反应可使催化裂化产品含有较多的异构烃，汽油异构烃含量高，辛烷值高。（3）氢转移反应氢转移反应即某一烃分子上的氢脱下来，加到另一个烯烃分子上，使这一烯烃分子得到饱和的反应。氢转移是催化裂化独有的反应，反应速度比较快，带侧链的环烷烃是氢的主要来源。氢转移不同于一般的氢分子参加的脱氢和加氢反应，它是活泼的氢原子从一个烃分子转移到另一个烃分子上去，使烯烃饱和，二烯烃变成单烯烃或饱和烃，环烷烃变成环烯烃进而变成芳烃，使产品安定性变好。氢转移的反应结果是一方面某些烯烃转换成烷烃，另一方面给出氢的化合物转化为芳烃和缩合成更大的分子甚至结焦，使生焦率提高。氢转移反应是放热反应，需要高活性催化剂和低反应温度来获得较高反应速度。（4）芳构化反应芳构化反应是烷烃、烯烃环化生成环烷烃及环烯烃，然后进一步进行氢转移反应，放出氢原子，最后生成芳烃的反应过程。芳构化是催化裂化的重要反应之一，由于芳构化反应，催化汽油、柴油含芳烃量较多，也是催化汽油辛烷值较热裂解汽油辛烷值高的一个重要原因。（5）叠合反应叠合反应是在烯烃与烯烃之间进行的，其反应结果是生成大分子烯烃。（6）烷基化反应烯烃与芳烃的加合反应叫烷基化反应。叠合反应和烷基化反应，在正常催化裂化操作条件下（500℃，常压），这两个反应所占总反应的比例不大。2.各类单体烃的催化裂化反应规律（1）烷烃5/56主要是发生裂化反应，分解成较小分子的烷烃和烯烃，生成的烷烃可以继续分解成更小的分子。烷烃裂化时多从中间的C-C键处断裂，而且分子越大越易断裂、异构烷烃的反应速度又比正构烷烃快。（2）烯烃①分解反应裂化反应分解为两个较小分子的烯烃，烯烃的裂化反应速度比烷烃的大的多，大分子烯烃的裂化反应速度比小分子快，异构烯烃的裂化速度比正常烯烃快；②异构化反应烯烃的异构化反应有两种：一种是分子骨架结构的改变，正构烯烃变成异构烯烃；另一种是分子的双键向中间位置转移。③氢转移反应环烷烃或环烷-芳香烃放出氢，使烯烃饱和而自身逐渐变成稠环芳烃，或烯烃之间发生氢转移，这类反应的结果是：一方面某些烯烃转化为烷烃，另一方面给出氢的化合物转化为芳烃或综合成更大的分子。氢转移反应速度较低，需要活性较高的催化亮晶晶上，反应温度高对氢转移不利。④芳构化反应烯烃环化并进一步脱氢成为芳香烃。（3）环烷烃环烷烃的环可断裂生成烯烃，烯烃再继续进行上述各项反应。（4）芳烃多环芳烃的裂化反应速度很低，他们的主要反应是缩合稠环芳烃，甚至生成焦炭，同时放出氢使烯烃饱和。1.4裂化产品分馏原理催化裂化反应油气的分离是在分馏塔内完成的，反应油气进入分馏塔的脱过热段，与人字挡板上向下流动循环油浆逆流接触，脱除洗涤油气中夹带的催化剂粉尘，并使反应油气进行部分冷凝。先被冷凝的是沸点较高的油浆，上升的油气混合物在塔内上升过程中温度逐渐降低，又出现部分冷凝，冷凝液为回炼油。再降低温度使其逐渐部分冷凝为柴油，最后不能冷凝的是汽油、蒸气及富气。此6/56时，在分馏塔底得到的是最高沸点馏分（油浆），塔侧自下而上可取得回炼油、柴油馏分，自塔顶在油气分离罐底可取得汽油馏分，在分离罐顶得到富气组分。气相混合物在精馏段逐渐降温冷凝，气体降温冷凝为液体要放出冷凝潜热，这部分热量要通过塔顶和中段回流取走，并使回流中所含的轻组分加热汽化为气相，同时，中段回流还提供了分离过程所需要的内回流。1.5裂化产品稳定原理催化裂化压缩富气吸收过程是在填料塔内进行，解吸分离是在板式塔内进行。其目的是把干气和液化气分开，分离的关键组分是C2和C3。要求吸收后的干气中尽量少含C3，解吸后的脱乙烷汽油中尽可能不含C2，从而使其按C2和C3这两种关键组分分开。在吸收塔内，贫吸收油自塔顶入进入，与由塔下部进塔的烃类混合气体在塔板上进行多次气、液逆向接触，完成吸收过程。关键组分C3在随气体上升过程中，也逐渐被吸收油溶解而由气相转入液相之中。它们在塔板上达到平衡时，C3在气液两相中的浓度是按C3平衡常数K值分配的。就其操作条件来说，整个吸收过程基本处于相同的操作压力和操作温度下，可看作是等温吸收过程。因此在平衡时，C3的平衡常数K值基本不变，只是C3组分在塔的各层塔板上气、液两相中的浓度有所不同。吸收塔顶部蒸汽还有少量的C3及更重组分，为此，吸收塔顶部贫气需要进入再吸收塔下部与新鲜贫吸收油逆向接触，在达到平衡时，C3平衡常数K值仍然不变，因而溶解于吸收油中的C3组分浓度很低，再吸收塔顶部贫气中剩余的C3组分含量进一步较少，从而使C3吸收率达到其分离要求。在充分地吸收C3及更重的C4、C5等组分的同时，由于相平衡关系，富吸收油中势必也吸收了相当数量的C2组分。在解吸塔内，要将富吸收油中C2组分解脱出来，再回到吸收贫气中去。在解吸时，为了把C2组分脱净，由于相平衡关系，其中一部分C3、C4组分也必然要随之被解吸出来，所以解吸气要送回吸收塔再进行吸收。这样，通过吸收、再吸收与解吸操作，使吸收塔顶得到基本不含C3组分的气体（再吸收塔顶为干气）；在解吸塔底得到基本不含C2的脱乙烷汽油。从而按7/56C2、C3这两种关键组分将其分离开来。将液化气（C3、C4）从脱乙烷汽油中分离出来的操作过程是在稳定塔中进行的。稳定塔操作是在压力下精馏分离液态烃和汽油的过程。2、常减压-催化裂化实训装置设计方案与特点2.1设计方案装置设计是以工业上生产能力为350万吨/年的现代化石油催化裂化生产装置为原型，按10:1左右比例缩小而制成。在设计时应充分考虑了装置的安全性、实用性、经济性。具体设计方案为：2.1.1数字高真仿真：系统以工厂真实装置为背景，采用开放性的工艺参数设计和先进的软件平台。要求工艺参数高真仿真，实现工厂运行数据的真实再现，体现工厂现场的真实状态。2.1.2工厂化对象背景：以常减压蒸馏、催化裂化、产品分馏、产品稳定成四个车间作为对象背景，以主物料工艺流程为基础，可整体或单元运行。并结合职业教育的教学大纲要求，设计一定量的可解剖设备，以便设备解剖、认识掌握设备内部结构，部分替代物料，增强现场实物感，避免一线生