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催化裂化工艺计算与技术分析例4-1 已知某催化裂化装置操作条件、产品分布等数据（见表4-6），求提升管油气停留时间。表4-6 某催化裂化装置原始数据项目加工量 t/h分子量原料油组成 新鲜原料136.2360 回炼油31350 回炼油浆5380产品分布%t/h 气体损失14.119.242 汽油43.158.7100 柴油30.141200 油浆4.76.4380 焦炭810.9操作条件 反应温度， 493 提升管汽化段温度，520 提升管蒸汽量，t/h8 反应压力,kpa（表）116 提升管底部压力,kpa（表）140 提升管内径,m1.2 提升管反应段长度,m25 催化剂循环量,t/h823 带入反应的烟气量，t/h1.829解： （1）计算提升管入口油气流率，如表4-7所示。表4-7 提升管汽化段各物料流率项目重量流率，kg/h分子量摩尔流率，kmol/h新鲜原料136200360378回炼油3100035089回炼油浆500038013蒸汽800018444烟气18002962合计182000986 = 26887m3/h = 7.5 m3/s（2） 计算提升管出口处油气流率，如表4-8所示。表4-8 提升管出口处各物料流率项目重量流率，kg/h分子量摩尔流率，kmol/h气体+损失1920042457烟气18002962汽油58700100587柴油41000200205回炼油3100035089油浆1140038030蒸汽800018444合计1711001874 = 54821m3/h = 15.2m3/s （3）计算油气线速 提升管横截面积： f = 0.25 d2 = 0.253.141.22 = 1.13 m2计算入口油气流速： ui = vi/f = 7.5/1.13 = 6.6 m/s计算出口油气流速： uo =vo/f = 15.2/1.13 = 13.5 m/s提升管内油气平均流速 = 9.6 m/s （4） 计算油气平均停留时间 t = l / um = 25 / 9.6 = 2.6 s ycdckrc(1+rf) （ 4-3）式中： dck催化剂的焦炭差，（重）； rf回炼比。流量计有多种，应根据不同的流量计要求，进行校正。（1）质量流量计是目前为许多炼厂所采用的先进的流量计，这种流量计不受检测点条件变化的影响，可以直接取得总通过量，前后数据相减即可。（2）差压式流量计是利用流体流经节流装置时所产生的压力差实现流量测量的。应用最广泛的节流装置是孔板，其次是喷嘴。使用差压式流量计时，液体体积流量可用下式表示： v实= c （5-1）式中： v实流体体积流量， m3/h; p孔板前后压差，pa； 操作条件下流体的密度，m3/kg； c常数。流体质量流量可表示为： （5-2） g实液体质量流量，t/h 。使用仪表时，通常给出指示流量，设仪表指示流量为： v 设= c （5-3）式中：v设设计条件下的液体流量， m3/h; 设设计条件下的流体密度，kg/m3。则实际流量和指示流量的关系可由上面两式求出： （5-4）同理，对于质量流量有下面关系： （5-5）式中：g设设计条件下的流体质量流量， t/h。例5-2 回炼油流量仪表指示值为150m3/h, 设计密度为0.63g/cm3。 现在操作温度为360，=0.85g/cm3,问在操作条件下的体积流量是多少？解：由密度换算曲线得。由5-4式，在操作条件下的体积流量为： v实= 若采用仪表指示值，则相对误差为： （三）干气计算1 混合干气体积流量校正 混合干气一般用差压式流量计，其节流装置多为孔板。由于混合干气是可以被压缩的，因此，混合干气的体积流量应按下式校正： v实 = （5-6）其中：p实、t实、实分别为实际操作条件下气体绝对压力 kpa、温度 k、标准条件下密度 kg/m3；p设、t设、设分别为设计条件下气体绝对压力 kpa、温度 k、标准条件下密度 kg/m3； v设 、v实校正前后混合干气的标准条件下体积流量，m3n/h。2 除去非烃 混合干气中一般还含有非烃气体，如n2、co2、o2、co等。在计算干气量时，应将这部分非烃扣除。非烃质量流量 g非= (5-7)式中： vi、mi 分别为非烃组分占混合干气的体积分率和分子量。3 细物料的计算 由于混合干气中或多或少带有c3、c4组分，为正确地给出产品分布，应将产品分为h2c2、c3c4，为此，应求出干气中各组分的质量流量。例5-4 某干气表的设计条件：压力0.8mpa（绝）、温度40、标准条件下密度1.036kg/m3；实际条件：压力0.7mpa（绝）、温度56、标准条件下密度1.165 kg/m3。干气表读数为5500m3n/h。混合干气组成见下表：混 合 干 气 组 成组 分 %（体）h224.0n2+o213.19ch411.89c2h66.65c2h47.19c3h83.20c3h616.31i-c4h102.19n-c4h100.31n-c4=0.63i- c4=0.70t c4=0.72c c4=0.43i-c5h120.53h2s5.87co23.73co2.46求干气量。解： （1）混合干气体积流量校正 （2）扣除非烃 非烃质量流量g非= = （3）混合干气质量流量g混 g混=47311.165=5512kg/h （4）干气质量流量g干 混合干气除去非烃后的干气质量流量=5512-1300=4212kg/h （5）计算细物料结果见下表：组 分vi (%)mimivimivi/mivi %(重）质量流量(kg/h)h224.02482.4101n2+o213.1929 ch411.8916190.249.6404c2h66.6530199.510.0422c2h47.1928201.3210.1425c3h83.2044140.87.1299c3h616.3142685.0234.61457i-c4h102.1958127.026.4270n-c4h100.315817.980.938n- c4=0.635635.281.874i- c4=0.705639.201.982反-2- c4=0.725640.322.084顺-2- c4=0.435624.081.251i-c5h120.537238.161.980h2s5.8734199.5810.1425co23.7344 co2.4628合 计100.001986.5100.04212二 计算与假设（一）焦炭焦炭是反应当中的缩合产物，在再生器中燃烧放热后以烟气的形式离开装置。在做物料平衡时，无法直接获得焦炭量，但是可以通过烟气主风量平衡计算获得。1 主风量校正主风量一般用差压式流量计测量，其节流装置多为文丘里管。其体积流量va按下式校正： （5-8）2 焦炭量计算进入再生器的干空气量： （5-9）式中： v1干空气量，m3n/h; va湿空气量即仪表所测校正后进入再生器的主风量，m3n/h。再生器烧焦量： (5-10)焦炭氢碳比：h/c= (5-11)式中： co2、co、o2、n2干烟气组成%（体）；n2=100-co2-co-o2； 空气分子湿度，由表5-1查得； k焦炭量， kg/h。 3 焦炭量查图计算法 图51为再生器燃烧计算图，按=0作出，如果大气中水蒸汽含量较高，应加以校正（校正值查表5-1）。表5-1 空气分子湿度表 干 球 温 度 （）相对湿度（%）-30-20-10010203040100.004250.00733200.004640.008440.01478300.003550.006970.012720.02233400.002420.004870.009320.017020.02999500.001280.003020.006000.011680.021380.03778600.000610.001540.003630.007120.014050.025760.045671000.000380.001020.002570.006060.018260.023620.043700.07850注：=水蒸汽/干空气 (体)，基准大气压=0.1013mpa图5-1 再生器燃烧计算图（=0）图5-1中各符号如下：co2+co+o2 ，%；3（co2+co）+0.5co, %;co co ，%；va/k耗风指标， m3n/kg ;vf/a 烟风比；gk焦炭，kg焦炭/10000m3n干空气。4 烟风比、耗风指标及总湿烟气量 烟风比 vf/a =（2+ - （5-12） 耗风指标 va/k= （5-13） 总湿烟气量vf= （2+ - （5-14）例5-5 已知某催化裂化装置的标定、分析数据如下： 标定分析烟道气5个样品的数据为：%（体）coo2co210.07255.93812.62920.13645.34712.66530.08715.72411.81140.07586.76311.68250.07016.10912.029平均值0.088385.976212.1632 两器的松动风量经孔板核算约为25m3n/min 主风入口流量刻度：71% 全量程1465 m3n/min ，文丘里管按标准状态设计，干球温度：22 大气压力： 0.105mpa水蒸汽与干空气的分子比 j=0.012，试计算总烧焦量。解：湿空气量 va=1465 =1025 m3n/min则烧焦的干空气量： v1= =62253 m3n/h总烧焦量： = 4321 kg/h =103.7 t/d总焦炭的 h/c为h/c = = =0.098应用上述公式时，最主要的是烟气分析要准确可靠。从实际经验看，co2%比较容易分析准确，co%、o2%的分析误差则往往较大。因此要重视奥氏分析吸收液的配制，及时更换吸收液，加大仪器的吸收表面积，在分析和操作时严格按操作规程进行，才能得到较好准确的结果。有的厂使用色谱分析烟气组成，也是一种较好的方法。（二）损失任何炼油加工装置的产品或多或少都会有损失。液体产品的泄漏、挥发，气体产物的外溢，随着装置排弃物如污水的流失等，都应该计入损失。然而损失无法计量，也无法从计算得出，因此，只能取一个大家都能接受的合理数据，也就是假设。在做装置的物料平衡时，一般而言，应尽可能采用计算而不用假设的方法求出各物料量（包括干气、不凝气等），如果此时损失太大，首先应检查各物料的计量、计算是否有误；其次，在判断得出其他计量、计算没有问题时，再考虑是否是干气计量带来的问题，而且应尽可能采用计算、分析的方法加以量化，以尽量排除假设带来的影响。在实际标定过程中，液体油品和液化石油气可以通过油罐检尺计量，干气则只能通过流量计计量，又有装置排不凝气，火炬阀泄漏等干扰。所以，通常是把干气和损失一起估测，然后分别损失水平高低取值在0.2%1.0%范围。三 装置物料平衡及收率根据前面所述的计量、计算和假设方法，可以得出各个物料的流率和产品收率，借此做出装置的物料平衡。表5-2给出了某催化裂化装置的物料平衡及收率。表5-2 催化裂化装置的物料平衡及收率项 目收 率 %（重）流 量 t/d原馏分油75.451912dao24.55622料合计1002534干 气3.6091.2损 失0.4010.3产液化气13.71347.4汽油54.091370.6轻柴油24.09610.4品焦炭4.11104.1合 计1002534在反应器中，催化剂的颗粒之间和颗粒的孔隙内充满着油气，这部分油气对催化剂的重量百分率可按下式计算： （5-15）式中： wg 催化剂夹带的油气占催化剂的重量分率，kg/1000kg催化剂； s催化剂的骨架密度， kg/m3； b 汽提段催化剂的床层密度，kg/m3； mg提升管出口油气的平均分子量； t 汽提段入口温度 ； p 汽提段入口压力，mpa (绝）。汽提的目的就是用水蒸汽把这些油气置换出来。这些油气中约75%是催化剂颗粒之间的空隙所夹带的油气，约25%是颗粒内部的孔隙所夹带的油气。在一般操作条件下，当汽提段床层密度b为500kg/m3，c1约为1%左右。如果颗粒与颗粒之间的空隙内的油气被置换出来，而颗粒孔隙内部的油气未置换，则c1约为0.25%，数量仍相当可观。由于汽提不完全所增加的焦炭占新鲜原料的产率和汽提效率之间有如下的关系： （5-16）式中： cs 由于汽提不完全所增加的焦炭产率，%（重）； rf 回炼比； rc；剂油比； es汽提效率，%。cs 可根据装置的热平衡情况决定。如果焦炭产率不能满足装置热平衡的需要，则可适当减少汽提蒸汽量，使cs保持一定的数值。对于装置热平衡能够满足需要，再生器的烧焦能力已成为限制装置处理能力提高的控制因素时，则应该增加汽提蒸汽量，提高汽提效率，尽量减少cs。要使cs在1%以内，一般需要es在90%以上。例5-8已知某催化裂化装置的干气、液化气和汽油分析数据如下表：项 目干 气液化石油气稳定汽油%（体）%（体）油中气%（重）h221.08air19.97co21.550.04ch429.0c2h69.311.46c2h417.85c3h80.0910.23c3h60.4740.28i-c4h100.1120.080.27n-c4h104.450.44n- c4=5.580.47i- c4=6.90t c4=6.120.69c c4=4.570.67c50.400.29h2s0.17(0.75)平均分子量19.9749.17合计1001002.54流率 kg/h1880896019040试校正干气和液化石油气互相夹带情况。解： 先扣除两物流中的非烃组分，即空气和co2，然后将体积组成换算成质量组成，如下表：干 气液化石油气项 目%（体）%（重）扣除非烃组分后%（重）%（体）%（重）扣除非烃组分后%（重）h221.082.113.12air19.9729.0co21.553.420.040.04ch429.023.2234.36c2h69.3113.9820.691.460.880.88c2h417.8525.0337.04c3h80.090.200.3010.239.089.09c3h60.470.991.4640.2834.1534.16i-c4h100.110.320.4720.0823.5123.52n-c4h104.455.215.21n- c4=5.586.316.31i- c4=6.907.807.81t c4=6.126.916.91c c4=4.575.175.17c50.401.442.130.290.420.42h2s0.170.290.430.750.520.52平均分子量19.9749.17合计100100100100100100 干气夹带非烃组分：1880(29.0%+3.42%)=609 kg/h 干气夹带c3、c4组分：1880（0.20%+0.99%+0.32%)=28kg/h 干气夹带c5组分： 18801.44% =27 kg/h 液化石油气夹带非烃组分：89600.04%= 4 kg/h 液化石油气夹带干气组分： 89600.88%=79 kg/h 液化石油气夹带c5组分： 89600.42%=38 kg/h 汽油中夹带c3、c4组分： 190402.52% =484 kg/h 干气、液化石油气、汽油三股物流中， 干气总量：1880 -（609+28+27)+79=1295 kg/h 液化石油气总量：8960 -（4+79+38)+28+484=9351 kg/h 汽油总量：19040-484+27+38=18621 kg/h五 外甩油浆夹带轻组分催化裂化原料重质化使生焦和再生的矛盾日益突出，为减少生焦而采取的最为有效的措施就是外甩油浆。外甩油浆会夹带轻柴油组分，夹带多少可以大致通过分析油浆密度判断，油浆密度（d420）以1为准，低于1较多时说明夹带轻组分多。例5-9 已知某催化裂化装置外甩油浆的分析数据及实沸点馏程如下：密度（d420）：0.9713馏程： 初馏点 30010%46730%51650%55270%587外甩油浆流量3042kg/h,试求其夹带轻组分量。解：油浆密度0.9713221轻柴油952221.05油浆17303.82焦炭30706.79损失2100.46合计45240100原料中含氢量为13.07%（重），试计算氢平衡。解： 含氢量的计算：a、 汽油：由式5-18， hw=1.86k-0.0012t-8.33k特性因数，k=11.76t中平均沸点，t=367.5khw=13.01%分析值为：13.07%b、 柴油：由式5-19， hw=2.52k-0.005t-15.3k=11.49，t=554.3k，hw=10.88%分析值为：11.07%c、焦炭中含氢量：计算值为8.59%d、油浆中含氢量：分析值为10.96% 氢平衡：项 目含氢量%(重)氢流量kg/h氢分布%（重）原料油13.075912.87100产品：h2s5.923.24h210058.66ch425.13162.33c2h620.1194.08c2h414.37100.06h2c2小计21.75418.377.08c3h818.29150c3h614.37443.77ic4c1017.34375.87nc4h1017.3495.47nc4h814.3787.67ic4h814.37106.99tc4h814.37107.89cc4h814.3784.90c3c4小计15.581452.5624.57c5221汽油13.01253242.81221柴油10.88103617.52油浆10.96189.613.21焦炭8.59263.714.46损失15.5832.720.55合计5924.97100.20氢平衡精度(出方-入方)/入方 %0.200.20表5-18给出了国内几种不同原料催化裂化反应的氢平衡数据。表5-18 催化裂化反应氢平衡 （单位：%（重）原料大庆馏分油大庆常压重油管输油掺渣油催化剂及工艺特点3a分子筛沸石催化剂取热沸石催化剂掺减压渣油23.22%，不取热沸石催化剂掺减压渣油32.44%，取热项目总物料氢总物料氢总物料氢总物料氢总物料氢原料油10013.3210013.3210012.910012.50100.012.60干气1.800.401.400.282.540.643.360.833.010.86液化石油气17.102.6412.671.9910.851.7010.651.659.941.50汽油47.506.5944.156.1246.616.3844.825.8448.176.29轻柴油25.202.9536.284.4229.53.3916.631.7827.633.14重柴油7.210.81油浆8.370.85焦炭7.600.765.50.5510.50.667.240.4810.210.70损失0.800.1600001.720.261.040.16合计100.0013.5010013.3610012.7710012.5010012.6591.4494.0788.9174.1686.7471.6279.1375.7460.9674.84二 硫平衡从催化裂化装置的硫平衡可以了解硫的去向和量的多少，从而对设备防腐和产品质量控制以及环境治理采取更为有效的措施。硫含量数据主要是通过仪器分析或化学分析得到。由于我国原油多数属于低硫原油，过去馏分油催化裂化原料硫对产品质量和环保造成的影响并不严重。随着催化裂化加工渣油及进口油数量的增长，原料硫含量增加，硫分布问题越来越引起人们重视。催化裂化原料中的硫经过裂化反应过程转移至产品和再生烟气当中，产品中的硫主要以硫化氢和硫醇的形式存在，烧焦过程中生成的硫氧化物随再生烟气排入大气。表5-19给出了某催化裂化装置的硫平衡数据。表5-19 催化裂化装置硫平衡数据项 目物流流率kg/h硫含量%（重）硫分布%（重）大庆vgo原料1500000.09100烟气200(mg/m3)12.4污水104009.2干气42000.082.4液化气180000.338.7汽油780000.0116.2轻柴油345000.0717.3重柴油64500.313.8合计100.00例5-12某催化裂化装置标定的物料数据及硫分析数据如下：流率硫含量（重） 原料：dao馏分油622t/d1912t/d0.14%0.15% 污水：分馏塔顶罐稳定塔顶罐5.5t/h0.85t/h761.6mg/l619.2mg/l 产品：干气液化气汽油轻柴油347.4t/d1370.6t/d610.4t/dh2s 6.08kg/h4650ppm0.034%0.12%试计算其硫平衡。解： 以各物流的流率和硫含量的数据可以求得各物流中硫元素的重量流率，烟气的数据以原料硫与污水硫和产品硫之差获得，所得硫平衡数据如下表：项 目硫量kg/h比例%（重）入方dao馏分油合计36.28119.5155.7823.2976.71100出方烟气污水干气液化气汽油轻柴油合计28.074.725.7367.3219.4230.52155.7818.023.033.6843.2112.4719.59100分析上表数据，对照以往经验即发现这样做出的硫平衡数据与实际情况有偏离，这其中有分析数据不准和假设不合理两方面的原因，尤其通过焦炭进入烟气中的硫，如果以差值获得，必将吸纳所有的过程偏差而使数值失真，如表中的烟气含硫占整个原料硫的18.02%（重），可能包含较大误差。只能掌握大致的硫分布规律，要做出令人满意的硫平衡在现有的分析条件下是困难的。硫平衡过程可以采用列大表的形式完成，优点是直观明了。例5-13 硫平衡列表计算过程举例硫平衡项 目物流流量kg/h 物流含硫量%（重）硫或硫化物携带量kg/h折合成单质硫量kg/h硫分布%（重）入方馏分油333700.137645.9245.92减压渣油118700.218925.9825.98混合原料油452400.182782.6582.65100出方产品带出干气18800.438.087.69.20液态烃89600.5246.5943.8553.06汽油190400.02364.494.495.43柴油103500.158316.3816.3819.82油浆17300.25464.404.405.32焦炭30708.278.2710.0损失2100.430.900.851.03小计4524085.84103.86生产排放含硫污水7000659.6mg/l4.62(h2s)4.35工业污水2000018.94mg/l0.380.15汽油碱洗1904030mg/kg0.570.54汽油脱硫醇1904025mg/kg0.480.20小计5.246.34方合计91