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中国石油大学(华东) 硕士学位论文 焦炭塔给水冷焦过程的研究 姓名:张文钟 申请学位级别:硕士 专业:化学工程 指导教师:肖家治;王兰娟 20090501 摘要 论文从多维非稳态传热微分方程出发,自行推导了圆柱坐标系下的二维非稳态传热 主控方程,建立了内节点全隐式离散方程,由附加源项法得到了边界节点离散方程,选 择交替方向隐式算法a d i 和三对角阵算法t d m a 作为代数方程组求解的方法。 以焦炭塔焦层为研究对象,假定成型焦层为中间孔道结构,运用控制容积法对中间 孔道焦层模型不同放热模式进行了数值计算和分析;以v i s u a lb a s i c 为平台,采用面向 对象编程技术,编制了含焦焦炭塔温度场计算程序;根据焦层降温放热量等于冷焦水吸 热汽化量的事实,结合现场冷凝水实际产生量最大点及流量范围,从三个放热模式中筛 选了相对接近现场实际的考虑了冷焦水在焦层表面汽化传热过程的沸腾给热模式。针对 沸腾给热模式,探讨了网格、焦层物性、沸腾给热系数等对焦层温度场、焦层放热量及 冷焦水汽化量的影响,结果表明:考虑不同空间不同时刻焦层汽化能力差异是必要的, 时间步长、径向和轴向网格特别是径向网格对初期冷焦水汽化量影响明显;焦层物性参 数中,焦炭导热系数对冷焦水汽化量的影响最大,比热容次之,密度影响最小;沸腾给 热系数、流体主体温度对冷焦水汽化量的影响不大;焦炭塔塔径由6 m 增大到8 8 m ,放 空系统能力要提高1 3 左右;如果增大到9 4 m ,放空系统能力要提高1 5 左右。 关键词:延迟焦化,焦炭塔,放空系统,给水冷焦,非稳态传热,中间孔道模型 s t u d i e so nc o k ec o o l i n gp r o c e s si nc o k ed r u m z h a n gw e n z h o n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a oj i a z h i a s s o c i a t ep r o f w a n gl a n j u a n a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h em u l t i d i m e n s i o n a lt r a n s i e n th e a tt r a n s f e rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n , t w o d i m e n s i o n a lt r a n s i e n th e a tt r a n s f e rg o v e r n i n ge q u a t i o ni nt h ec y l i n d r i c a lc o o r d i n a t ew a s d e r i v e d f u l l yi m p l i c i td i s c r e t i o ne q u a t i o no fi n n e rn o d e sa n dd i s c r e t i o ne q u a t i o no fb o u n d a r y n o d e sb ym e a n so fa d d i t i o n a ls o u r c et e r mm e t h o dw e r eb u i l tu p ,t o o t h es o l u t i o no f a l g e b r a i ce q u a t i o n sw a sa l s oa c c o m p l i s h e dw i t ht h eh e l po fa l t e r n a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i ta n d t r i d i a g o n a lm a t r i xm e t h o d t a k i n gc o k e si nc o k ed r u ma st h er e s e a r c ho b j e c t ,as i m p l i f i e dm i d d l e c h a n n e lm o d e l w a sb u i l tu p t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e le s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rw a sn u m e r i c a l l y a n a l y z e du s i n gf i n i t ev o l u m em e t h o d v i s u a lb a s i c6 0w a s u s e dt op r o g r a mt oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ef i e l d so fc o k e si nc o k ed r u m t h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ew a s u s e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h i sp r o g r a m a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h ee x o t h e r m i ca m o u n to f c o k ei s e q u a lt o t h eh e a t a b s o r p t i o na m o u n to fw a t e r ,c o m b i n e d 埘t l lt h em a x i m u m e v a p o r a t i o np o i n ta n dt h ef l u xr a n g eo fc o n d e n s a t e dw a t e r ,t h em o d e lo fb o i l i n gh e a tt r a n s f e r w a ss e l e c t e df r o mt h r e ee x o t h e r m i cm o d e l s t h em o d e lo fb o i l i n gh e a tt r a n s f e rt a k e st h e p r o c e s so fw a t e rv a p o r i z a t i o na n dh e a tt r a n s f e ri n t oc o n s i d e r a t i o n t h ei n f l u e n c eo fg r i d n u m b e r , c o k ep r o p e r t i e sa n db o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to nt h et e m p e r a t u r ef i e l d s , e x o t h e r m i ca m o u n to fc o k e sa n dv a p o r i z a t i o na m o u n to fw a t e rw a sa n a l y z e di nt h em o d e lo f b o i l i n gh e a tt r a n s f e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ti sn e c e s s a r yt ot a k et h ed i s c r e p a n c yo fc o k e v a p o r i z a t i o na b i l i t ya td i f f e r e n ts p a c ea n dt i m ei n t oc o n s i d e r a t i o n t h et i m es t e p ,g r i dn u m b e r i nr a d i c a la n da x i a ld i r e c t i o ne s p e c i a l l yi nr a d i c a ld i r e c t i o nh a v ea na p p a r e n ti n f l u e n c eo nt h e i n i t i a lv a p o r i z a t i o na m o u n to fw a t e r a m o n gt h ep a r a m e t e r so fc o k ep r o p e r t i e s ,t h ei n f l u e n c e o fc o k et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo nt h ev a p o r i z a t i o na m o u n to fw a t e ri sm o r ea p p a r e n tt h a nc o k e h e a tc a p a c i t ya n dd e n s i t y h o w e v e r ,t h ei n f l u e n c eo fb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n d w a t e rb u l kt e m p e r a t u r ei sl i t t l e a d d i t i o n a l l y ,i ft h ed i a m e t e ro fc o k ed r u mi se x t e n d e df r o m 6 mt o8 8 m ,t h ec a p a c i t yo fv e n ts y s t e mw i l lb er a i s e da b o u t13 ;i ft h ed i a m e t e ri se x t e n d e d t o9 4 m ,t h ec a p a c i t yw i l lb er a i s e da b o u t15 k e yw o r d s :d e l a y e dc o k i n g ,c o k ed r u m ,v e n ts y s t e m ,c o k ec o o l i n gp r o c e s s , t r a n s i e n th e a tt r a n s f e r ,m i d d l e - c h a n n e lm o d e l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果,论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知,除文中已经加以标注和致谢外, 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名:三墼埠 日期:锄9 1 年 月皇日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ,使用方式包括但不限于:保留学位论文,按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文,以学术交流为目的赠送和交换学位论文,允许学位论文被查阅、借阅和 复印,将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名:亟塞盟 指导教师签名:望醢圣! s 日期:z 。c f 年月_ t - 日 熙v q | 年6 月如 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 延迟焦化工艺技术进展 第一章前言 延迟焦化是一项用于加工渣油,特别是劣质减压渣油的成熟的炼油工艺技术。延迟 焦化装置的投资低,技术成熟,适应的原料范围广,能加工各种高硫、高沥青质的减压 渣油。延迟焦化装置的产品用途广泛,焦化汽油经过加氢后,是较好的制乙烯原料;焦 化柴油具有较高的十六烷值;焦化干气和富气是制氢的好原料。我国延迟焦化1 9 9 9 年 共加工渣油及劣质原料1 7 6 2 m t ,和催化裂化并列为重要的渣油加工装置。 重油加工,对于低硫石蜡基原油,重油催化仍不失为一条较经济的工艺路线,但需 解决好汽油烯烃含量高的问题;对于含硫或高硫中间基原油,其重油不适合直接作为催 化裂化的掺炼原料;对于硫、沥青质和金属含量很高的劣质渣油,目前,延迟焦化工艺 仍是一种较现实的选择。由于延迟焦化工艺成熟、投资较低、对原料适应性强,可以加 工各种高硫、高沥青质、高金属含量的渣油,因此一直受到各国的青睐。据美国e i a ( e n e r g y i n f o r m a t i o n a g e n c y ) 统计乜1 ,延迟焦化在世界渣油加工中约占1 3 。至2 0 0 0 年 底,全世界共有1 0 1 个炼油厂配有延迟焦化装置,总加工能力达2 1 0m t a ,是目前产能 发展最快的重油加工工艺。据预测,由于世界燃料油的需求减少,汽油和中间馏分油的 需求增加,以及重质原油和超重原油产量增加等原因,今后1 0 年,世界上延迟焦化装 置的加工能力将增加3 0 1 。 1 1 1 国外延迟焦化技术的发展 尽管目前催化裂化单炼和掺炼渣油的能力已占到催化裂化总能力的2 5 以上,但并 不是所有的渣油都能通过催化裂化加工。如果渣油的残炭含量超过1 0 、金属含量超过 1 0 0 1 5 0 p p m ,渣油加氢处理催化裂化组合装置也难以承受越来越高的催化剂费用和越 来越长的停工时。加上轻质油品需求增长、轻质原油和重质高硫原油价差扩大、重质含 硫高硫原油供应的比例扩大,特别是延迟焦化能够加工廉价的重质高硫高金属渣油,焦 化汽油经过加氢还能用作裂解生产乙烯的原料,因而延迟焦化就成了渣油加工最受欢迎 的技术,成了许多炼油厂优选的渣油加工方案。据介绍h ,加工重质高硫原油的炼油厂, 通过延迟焦化加工渣油,不生产重燃料油,炼厂加工每桶原油的利润可提高1 5 4 5 美元。 近1 5 年来,美国炼油厂增加最快的加工装置是延迟焦化。延迟焦化加工能力增加了5 6 , 加氢裂化增加了3 7 ,而催化裂化只增加了1 4 。 第一章前言 自1 9 3 0 年8 月世界上第一套延迟焦化装置在美国w h i t i n g 炼油厂投产以来,延迟 焦化技术已有7 0 余年的发展历史。据美国油气杂志2 0 0 5 年1 月1 日统计瞄1 ,全世界共 有6 7 4 个炼厂,其中1 4 7 个炼厂设有焦化装置,其总加工能力为2 4 4 m t a ,比2 0 0 4 年 增长5 2 6 ,约占世界原油蒸馏总加工能力的5 9 3 。在焦化装置总加工能力中,美国 约为1 2 9 m t a ,约占世界焦化装置总加工能力的5 2 7 0 ,居世界首位;我国焦化装置总 加工能力为1 4 6 3 m t a ,占世界焦化装置总加工能力的5 9 9 ,位居世界第二;其余依 次为印度、墨西哥、委内瑞拉和阿根廷,其加工能力分别为9 3 3 m t a ,8 5 3 m t a ,7 9 7 m t a 和5 8 6 m t a ,分别占世界焦化装置总加工能力的3 8 2 ,3 4 9 ,3 2 6 和2 4 0 。 据美国s r i 报告3 ,世界焦化能力在过去的1 5 年内增长了7 0 以上,今后仍将以 年增长率为7 的速率增加。世界炼油厂中约1 7 有焦化装置,美国炼厂中约3 5 有焦 化装置n 1 ,2 0 0 3 年,美国的1 4 1 个炼油厂中有5 6 个拥有5 8 套焦化装置,其中5 2 套是 延迟焦化装置,4 套流化焦化装置和2 套灵活焦化装置。美国e x x o nm o b i l 公司的德克 萨斯州的贝汤炼油厂( b a y t o w n ) 有2 3 1 m t a 的延迟焦化装置和2 3 1 m t a 的灵活焦化装 置。美国s h e l l 公司加利福尼亚州的马丁内兹炼油厂( m a r t i n e z ) 有1 4 3 m t a 的延迟焦 化装置和1 2 4 m t a 的灵活焦化装置。美国1 0 大炼油公司拥有的4 1 套延迟焦化装置, 占全美石油焦生产总量的7 8 。 1 1 2 我国延迟焦化现状 我国生产的原油一般偏重睛1 。产量最大的大庆原油中,3 5 0 以下的馏分仅占2 6 , 5 0 0 以上的减压渣油几乎占1 2 ;产量居次的胜利原油则比大庆原油更重。总体上说, 目前国产原油中的减压渣油约占1 2 ,而进口原油中的减压渣油约占3 0 聆1 ,二者合计, 每年得到的减压渣油有近亿吨之多。 2 0 世纪9 0 年代中期以来,随着我国含硫原油加工量的迅速增加和对制乙烯原料需 求量的增大,焦化装置在我国重油加工中的地位越显突出。特别是近年来,由于环境保 护的要求、催化裂化汽油烯烃含量的限制和催化裂化装置再生烟气硫化物排放量的限 制,使催化裂化装置的渣油掺炼量受到一定的制约。相对于渣油加氢处理工艺而言,由 于延迟焦化装置的投资低,在生产清洁燃料需要大幅增加投入的情况下,采用延迟焦化 具有一定的优势。 ( 1 ) 延迟焦化在我国发展迅速 随着我国轻质油品市场快速增长和炼油企业提高经济效益的需要,进入2 l 世纪以 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 后,进口高硫、高金属原油增多,燃料清洁化步伐加快,特别是汽油中的烯烃、硫含量 与国际标准进一步靠拢,延迟焦化作为重油加工的首选工艺,其发展速度明显加快。 从2 0 世纪6 0 年代开始建设延迟焦化装置以来,我国延迟焦化技术和装置建设得到 了较快的发展,成为了世界上延迟焦化加工能力第二的国家。特别是9 0 年代以来,延 迟焦化更是得到了飞速的发展。在1 9 9 6 年到2 0 0 4 年的8 年间,延迟焦化加工能力净增 了1 7 4 7 m t a ,使我国延迟焦化加工能力占原油加工能力的比例达到了1 0 以上n 们。 据2 0 0 2 年底统计,中国石油化工集团公司共有延迟焦化装置2 0 套( 全国为2 9 套) , 分布在1 8 家炼油厂中,装置总加工能力为1 3 2 5 m t a 。其中1 0 余套装置是在2 0 世纪 9 0 年代新建或扩建的,新增生产能力约8 4 1 m t a n 。 ( 2 ) 存在的主要问题和差距 我国原油中减压渣油的含量较高,一般为4 0 5 0 ,在稠油中有的高达6 0 n 朝, 因此,如何利用好这部分渣油资源,是我国炼油工业面临的突出问题。 近几年国内投产的延迟焦化装置,技术水平已经接近国外的先进水平,装置在大型 化、自动控制水平、环境污染控制、降低操作消耗、提高经济效益等方面取得了长足的 发展。但是,早期投产的延迟焦化装置受当时技术水平的限制,还存在着诸多不足之处。 从2 0 世纪6 0 年代开始至今,我国建设了一大批延迟焦化装置,这些装置大多数规模较 小,能耗较高,除焦技术落后,污染比较严重,应该尽快在这些装置上推广近年来已经 取得进展的技术。 中国石化集团公司现有2 0 套延迟焦化生产装置,但目前有2 3 的装置没有充分发 挥作用,没有达到设计负荷:焦炭塔空高国外一般只有3 m 左右,我国高达5 4 m ;焦炭 塔容积利用率国外一般可达8 6 ,我国只有5 5 - 7 0 ;国外生焦周期一般为1 6 h ,我 国大多为2 4 h ,有的高达3 0 h 以上;国外加热炉热效率一般在9 1 0 9 2 ,我国为 8 6 - 一8 8 ,造成了我国焦化装置综合能耗偏高。 目前,中国石化集团公司延迟焦化装置的总加工能力1 3 4 5 m t a 。根据炼油事业部 统计n3 i ,2 0 0 0 年l 8 月实际加工重油8 0 3 m t ,负荷率仅为8 9 6 ,说明还有1 0 的能 力没有发挥作用。负荷率偏低的主要原因有:富气压缩机能力不足;分馏塔小,换热面 积和冷却能力不足;焦炭塔油气速度过高,焦粉夹带严重,分馏塔底循环系统、辐射泵 入口堵塞:加热炉炉膛超温或加热炉炉管结焦;原料泵、高压给水泵不配套;设备和管 线腐蚀;焦化气、柴油精制能力不配套,限制了加工能力的提高等。这些问题制约了装 置负荷率的提高,影响了装置的长周期运行。当前,沿海、沿江企业原油加工量提高以 3 第一章前言 后,许多炼油厂重油无法平衡,影响了轻质油收率和经济效益的提高。因此,消除现有 装置的缺陷,抓紧完善配套工程,提高延迟焦化装置j n i 负荷率是必须解决的问题。 1 1 3 我国延迟焦化技术新进展 我国炼油企业延迟焦化工艺有较大的发展空间,需进一步发挥延迟焦化在我国重油 加工中的作用。为了进一步发展我国的延迟焦化技术,需要在装置的大型化、生产技术 的高效化、装置环境的清洁化以及石油焦的有效利用等方面继续努力n 4 1 。 ( 1 ) 装置规模的大型化 装置规模的大型化是提高劳动生产率、降低成本及增加效益的重要手段。2 0 世纪 8 0 年代初期,世界上最大的延迟焦化装置是美国c h e v r o n 公司的p a s c a g o u l a 炼油厂的 装置,加工能力为3 0 1 m t a ,采用“三炉六塔”流程。该时期内,委内瑞拉l a g o v e n 炼 油厂的延迟焦化装置加工能力为5 3 9 m t a ,也是当时的大型化装置之一n 钔。最近, l u m m u s 公司承担一设计项目,经第一阶段工作后,装置处理能力为6 8 2 m t a ,据介绍, 该装置可处理接近9 9 0 m t a 的新鲜原料n 引。 装置规模大型化的基础是设备的大型化,就延迟焦化而言,其重点是焦炭塔和焦化 加热炉的大型化。我国目前最大焦炭塔的直径为9 4 m ,基本上达到了国际水准。为了 能使原料油快速升温而又尽量减少炉管管壁的结焦,延迟焦化加热炉的设计应满足特殊 的要求。实践证明,就大型焦化装置而言,双面辐射加热炉的效果远优于单面辐射加热 炉,有利于提高加热炉效率、节省炉管金属用量,可使加热炉的运转周期延长很多。 ( 2 ) 操作条件的灵活性 延迟焦化工艺继续发展的重点是优化操作条件,在增加产能的同时追求最大可能的 液体收率并尽可能地处理劣质原料。近几年,随着大型化装置的发展,焦化工艺技术得 到了相应的提升,同时设计科研部门及各企业在焦化技术创新上也取得了很多成果。其 中,洛阳石油化工工程公司改进了传统的渣油分两路进分馏塔方式,提出可灵活调节循 环比技术,实现了超低循环比或零循环比操作。 可调循环比的工艺流程提高了延迟焦化装置操作的灵活性,f o s t e rw h e e l e r 公司开 发的s y d e c s m ( s e l e c t i v ey i e l dd e l a y e dc o k i n g ) 技术n 7 1 ,就是在超低循环比条件下运行 的,现场可根据原料性质、产品要求及处理量,选择合适的循环比和操作条件,使装置 生产最优化;而且,采用可调循环比的工艺流程可改善分馏塔、加热炉的操作条件,降 低焦炭产率,最大限度地获取液体产物。 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 生产技术的高效化 李家栋等n 胡比较了延迟焦化与催化裂化的经济性,发现延迟焦化无论在经济效益还 是工艺的可行性方面,仍起着催化裂化不可替代的作用。根据我国炼油厂现有装置构成, 通过和其他加工工艺组合,充分发挥延迟焦化装置作用,可以使企业获得最大经济效益。 结合各企业具体情况,提出了有针对性的组合工艺技术n 9 1 : 中国石化广州石化总厂采用催化裂化一延迟焦化组合工艺汹1 ,将油浆部分或全部 甩出,焦化装置掺炼油浆,焦化蜡油送催化装置回炼;中国石化石家庄炼油厂采用r f c c 一延迟焦化组合工艺乜,能够改善产品分布,提高轻质油收率。 中国石化茂名石油化工公司炼油厂采用减粘一延迟焦化组合工艺担别,把减压渣油 经减粘裂化后用作延迟焦化原料,有效地改善了焦化装置的操作条件; 中国石化洛阳石化工程公司炼制所和中国石油辽阳石油化纤公司炼油厂共同开 发的延迟焦化溶剂精制一加氢裂化组合工艺乜3 1 ,以溶剂精制技术为纽带,将延迟焦化 和加氢裂化优化组合; 中国石油锦西炼化股份公司延迟焦化一溶剂精制一催化裂化组合工艺瞳利,焦化蜡 油经拔头处理后得到的轻馏分作为柴油调和组分,拔头油经溶剂精制后作为催化裂化装 置的掺兑原料,具有较好的经济效益。 中国石化镇海炼油化工股份有限公司利用加氢裂化装置扩能改造时新增的一个 反应器,对经过过滤的劣质焦化蜡油和高硫直馏蜡油进行高压加氢精制,作为催化裂化 装置原料,催化裂化油浆则掺入焦化原料中,形成延迟焦化一加氢精制一催化裂化组合 工艺瞳引。该技术改善了产品分布和产品质量,提高了炼油厂含硫油深度加工能力。 提高加热炉效率,采取节能措施也是生产高效化的内容之一。陈清林、华贲等人在 焦化装置的用能分析和改进方面做了大量的理论与应用研究开发工作,提出了“三环节” 模型乜制:能量转换环节,能量利用环节,能量回收环节。在“三环节”模型的基础上,通 过节能改造,采取降低加热炉排烟温度、减小过剩空气系数等措施,提高装置的能量回 收与利用效率,增加经济效益和社会效益。 ( 4 ) 装置环境的清洁化 延迟焦化装置是炼油厂中唯一处理大量固体产物的场所,其环境往往不够整洁,如 何使延迟焦化装置做到环境良好,最大限度地减少废水、废气排放物,实现清洁生产, 是延迟焦化装置发展中的一个重要课题。 近年来国内已在采用塔式二段密闭放空系统,回收焦炭塔吹汽冷焦时所产生的蒸 5 第一章前言 汽、油气;采用浸泡式冷焦工艺,缓和结焦和减少冷焦水油含量,减轻隔油池的环境污 染等方面取得了进展,但石油焦的储存、装车和运输系统目前尚存在焦粉、粉尘污染等 问题,国外已采用密闭的石油焦破碎、筛分、皮带运输和焦仓贮存设施,尽可能压缩敞 开式的焦池,从而有效地控制了焦粉污染问题,向清洁生产迈进了一步。 综上所述:延迟焦化在炼油工业中发挥了巨大作用,是目前第一位的原油深度加工 工艺,但目前我国焦化技术与国外发达国家相比,仍有很大差距。发展焦化技术不只限 于本身的工艺问题,还要和其他工艺组合,发挥联合优势,因此,只有对情况进行全面 了解和分析,抓住重点,分工协作,努力开发,才能取得焦化技术的突破和提高,开创 出具有中国特色的新型焦化技术来。 1 2 焦炭塔冷焦降温过程 1 2 1 焦炭塔结构 焦炭塔正向大型化发展,焦炭塔的直径和高度主要取决于装置的处理量、原料性质、 温度压力、生焦周期和循环比。目前世界上最大的焦炭塔在加拿大s u m c o r 油砂加工厂, 直径为1 2 2 m ,高3 0 m 。美国焦炭塔直径一般都在8 m 左右,c h e v r o n 公司的帕斯卡戈 拉炼油厂的焦炭塔为美国最大的一个焦炭塔,直径为8 3 m ,高3 3 5 m 瞳7 1 。目前国内最大 的焦炭塔直径是9 4 m ,高4 1 m 。 ( 1 ) 焦炭塔的整体结构 焦炭塔实际上是一个大的反应器,里面没有什么内部构件,整个塔体有锅炉钢板拼 凑焊接而成。根据各段生产条件不同,自上而下分别由2 4 、2 8 、3 0 m m 三种厚度钢板 组成。在上封头开有除焦口、油出口、放空口及泡沫小塔口:下部3 0 。斜度的锥体, 锥体下端设有底盖。底盖用3 5 c r m o 钢铸造后,应经过热处理以满足热应力要求,用螺 栓固定在锥体法兰上,进料口短管在底盖的中心垂直向上,塔侧简体上在不同高度装有 钴6 0 放射性料位计及为循环预热用的瓦斯进口。 美国石油学会在1 9 6 8 年和1 9 8 0 年两次调查中的报告表明乜铂,制造焦炭塔的材质主要 有三种:碳钢、碳钼钢和铬钼钢。 用碳钢制造焦炭塔的优点是制造容易,对于小直径的塔,价格便宜,投资省。缺 点是耐热强度低,易变形,焊缝易开裂,维修费用高。 用碳钼钢的优点是耐热强度稍高,但制造较复杂,需要整体热处理。 用铬钼钢,耐热强度更高,抗腐蚀性好,尽管制造也有一定难度,需要热处理等, 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 但性能好、整体价格便宜。 在齐鲁石化炼油厂延迟焦化装置改造中,对焦炭塔的材质及结构设计做了重大修 改,同时对一些关键的制造技术进行了攻关改进啪】。泡沫层以上选用了复合钢板 1 5 c r m o r + 4 1 0 s ,提高耐蚀性能。为了克服下锥体与裙座连接焊缝因应力集中易造成开 裂问题,该连接部位改为整体锻制的过渡段结构。这些材料和结构上的改进,大大提高 了设备在长期承受冷热交替疲劳载荷状态下运行的安全性和可靠性。 ( 2 ) 焦炭塔的新型保温 焦炭塔是一种低周热疲劳容器,操作温度高达4 2 0 “ 4 9 0 ,呈周期性变化,引起 塔体热胀冷缩的周期性变化。焦炭塔保温结构和保温效果的好坏对焦化装置的液体收率 影响很大,据资料介绍,焦炭塔内介质温度每降低5 6 。c ,液体收率将下降1 1 蜊驯。 造成焦炭塔保温损坏的原因主要有以下几点口: 保温材料用保温钉固定在塔体上,保温材料的膨胀性能不好,膨胀量与塔体膨胀 量不一致,在焦炭塔冷热变化频繁的情况下,容易被拉裂而出现裂缝。雨水和除焦水沿 裂缝灌到保温内部,将保温材料泡坏。 镀锌铁丝网强度不够,易腐蚀和产生屈服疲劳,造成断裂。 保温层与塔顶除焦口周围始终有间隙,雨水和除焦水容易沿此间隙灌到保温层内 部,将保温材料泡坏。 由中国石化工程建设公司和淄博北岳设备防护工程公司联合研制开发的“大型铬钼 钢塔器背带式保温结构”技术,已于2 0 0 1 年获得国家专利技术证书羽。所谓背带式保温 结构,就是在塔体上披挂多条扁钢,将保温材料固定在背带上,使保温材料与塔体分离。 新型保温主要由支承背带、内网架、保温材料、外网架、防水涂层、外背带、外表金属 板等几部分组成,结构示意图参见图1 1 、1 - 2 。 背带式保温具有以下优点: 实现了保温结构与塔体的分离,犹如给焦炭塔穿上了一件棉衣,彻底解决了塔体 膨胀造成的保温拉裂损坏; 避免在塔体上焊保温钉,减少局部应力; 保温结构自成一体,表面平整美观; 保温采用三层硅酸盐板材粘结组合,齐层之间接缝错开,保温效果加强; 采用内外两层网架固定,避免“搓团”现象; 外层金属板采用背带连接,杜绝了因膨胀造成的脱落和损坏,整体安全可靠。 7 第一章前言 图1 1内外背带式结构示意图图l - 2 新型背带式保温结构示意图 f i g l - 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo fi n s i d e f i g l - 2 i n s u l a t e ds t r u c t u r ed i a g r a mo f a n do u t s i d eb e l t sn e wb e l tt y p e 1 2 2 焦炭塔操作 焦炭塔是焦化装置的核心设备,焦化的裂解和缩合生焦反应在焦炭塔内进行。通常 一台加热炉对应两个焦炭塔,一台在生焦操作,另一台在除焦操作,一般1 8 以4 小时切 换一次。 焦炭塔整个生产周期分为三大阶段:升温阶段、生焦阶段和降温阶段。升温阶段包 括蒸汽预热和油气预热;生焦阶段指进油生焦;降温阶段包括蒸汽冷却、进水冷焦、放 水和除焦。文献口钔介绍了一个典型操作过程: 蒸气预热。2 5 0 的蒸气从塔底锥体进入焦炭塔,密闭试压至0 2 3 m p a ,此时塔 壁温度约2 0 0 ,时间为2 小时。 油气预热。4 3 0 的油气进入塔内,油气上升至塔顶经挥发线进入分馏塔,冷凝 下来的油经甩油线进甩油罐,时间约为6 小时。 进油。当预热温度达到3 2 0 。c 时,高温油气停止进塔,4 9 0 的高温原料油从塔 底进入塔中生焦,生焦时间一般为2 4 小时。 小量吹气。在四通阀切换后立即吹入蒸气,质量流量1 5 t h ,气提蒸气及油气去 分馏塔,吹气时间l 2 小时或塔顶油气出口温度达到4 1 0 。c 以下,主要目的是汽提焦炭 塔和焦炭中的油气,降低焦炭塔和焦炭温度。 大量吹气。吹入2 4 0 。c 的过热蒸气,吹气量8 2 0 t h ,气提蒸气及油气去放空塔, 冷凝冷却回收污油和水,吹气时间1 2 小时或塔顶油气出口温度达到3 8 0 。c 以下。主要 目的是进一步将焦炭中的残余油气吹入放空系统,同时把焦炭塔内的温度降至3 3 0 , 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 起到冷焦的作用。 小给水冷焦。将小量冷焦水引入塔底,给水量2 0 , - , 5 0 t m ,水汽化产生的蒸汽及少 量油气去放空塔,冷凝冷却回收污油和水,给水时间1 - 2 小时或塔顶油气出口温度达到 2 5 0 以下,主要目的是慢慢冷却焦炭塔和焦炭以降低温度。 大给水冷焦。待焦炭塔顶温度压力降低后,再缓慢加大水量,一般2 0 0 , - - , 4 0 0 t h , 直到冷焦水装满,塔内冷焦水不再汽化,给水时间3 5 小时或塔顶溢流水出口温度达到 1 0 0 以下,停泵进入泡焦阶段。 放水。在除焦前1 5 小时打开塔顶挥发线上的呼吸阀,开始向沉降池放水。 除焦。水放完后,卸掉塔顶、底盖,启动高压泵除焦,时间为2 小时。除焦后, 上好顶、底盖,试压后进入下一生产周期。 1 2 3 焦炭塔放空系统 焦炭塔停止生焦以后,未反应的渣油和反应生成的部分油气停留在焦炭塔内,若不 去除将影响焦炭的质量,增加冷焦水中的油含量阻5 l 。通常先少量吹入蒸气,从焦炭塔焦 层汽提轻质油品至焦化分馏塔,小吹气后,焦炭塔内仍然存在许多重质污油,应该用大 量蒸气进行气提,此时如果再进分馏塔,将影响分馏塔的操作,因此在焦化装置设置放 空系统,专门处理焦炭塔大吹气时吹出的油气和给水冷焦时产生的含油蒸气。目前国内 的放空系统一般设计为密闭的油吸收式放空系统,该系统是用蜡油吸收油气中的污油, 用空冷器或水冷器冷凝未被吸收的蒸汽及轻质油气。该系统不仅减少了环境污染,而且 回收了大量的污油和污水。 ( 1 ) 放空系统流程 大吹气过程中的气提蒸气及油气、小给水全过程和大给水部分过程中的汽化蒸气及 少量油气均去放空系统。放空系统主要由放空塔、塔顶冷却器( 空冷、水冷) 、塔底冷 却器及油水分离器组成。 整个放空系统流程简图参见图1 3 :自焦炭塔顶部放空的蒸气和油气进放空塔,与 顶循油接触冷却,大部分油气和少量蒸气冷却至塔底,待液面到一定高度时甩油出装置; 少量油气和大部分蒸气从塔顶出来,经空冷器、水冷器冷却,到油水分离器分层,上层 污油外甩出装置,下层是含硫污水。 9 第一章前言 ( 2 ) 放空塔 图1 - 3 放空系统流程简图 f i g l - 3 f l o wd i a g r a mo ft h ev e n ts y s t e m 放空系统的核心设备是放空塔,一般是板式塔,也叫接触冷却塔。某炼油厂放空塔 的结构形式及设计参数参见图1 4 :设备尺寸由2 8 0 0 1 5 8 5 4 1 2 m m ,主体材质2 0 r , 保温厚度1 2 0 r a m ,容积8 2 3 m 3 ;塔板型式是人字型挡板,塔板间距8 0 0 m m ,塔板数8 ; 塔顶设计操作温度19 0 ,塔底3 0 0 ,塔顶设计操作表压0 0 8 m p a 。 放空系统其他主要设备的型号及设计参数如下:塔顶空冷器型号g p 3 4 1 3 0 2 5 s 2 3 4 g j i i a ;塔顶水冷器型号f l b 8 0 0 1 6 5 1 6 4 ;塔底油冷却器型号7 8 0 0 4 1 0 0 2 3 0 0 ,管束8 5 4 0 8 0 1 ;油水分离器,设备尺寸由2 0 0 0 6 9 1 2 1 4 r a m ,卧式, 容积2 0 6 m 3 ,设计操作温度4 0 ,设计操作表压0 0 8 m p a 。 放空塔的设计和产生的蒸气流量有关口5 j :最大空塔气速以吸收油品不被蒸气夹带为 原则;放空塔塔径根据蒸气及油气流量和允许空塔气速确定;吸收及换热挡板根据入口 蒸气中油含量和换热量确定。国内外一般采用挡板作为吸收换热板,挡板数量8 1 6 层。 在确定焦炭塔直径的同时应考虑放空塔直径和放空系统冷凝器的设计。大直径的焦炭塔 和短的生焦时间,需要的蒸气量大,配套的放空塔及冷凝器也应该加大。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 4 某炼厂放空塔结构简图 f i 9 1 - 4s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h ev e n tt o w e r 1 2 4 焦炭塔放空系统研究现状 延迟焦化装置焦炭塔由两塔轮流切换操作,在焦炭塔切换后,老塔处理过程中每个 环节的工作,都可能对焦炭塔下一次的切换造成影响,尤其是在老塔处理的给水冷焦过 程中,如果操作不当,会产生粘油回流、塌焦、水击等不良现象,直接影响装置的正常 生产和设备使用寿命的降低。 焦炭塔放空过程中产生的蒸汽流量直接影响放空塔及配套冷却器的负荷,随着装置 的不断大型化,现有放空系统还能否满足扩能要求成为关注的内容。但国内外有关这方 面的单独研究鲜有报道:张书忠m 1 介绍了沧州炼油厂焦炭塔冷焦水给不进去的事故及原 因,并提出了预防措施;郭崇志等在传统的焦炭塔蒸气大吹汽工艺基础上,提出了以 水代蒸气的节能降耗新工艺及其新的工艺步骤;李向国陋8 3 将“以气带水”冷焦改为分程给 水冷焦操作,很好地解决了粘油回堵问题;陈孙艺呻3 通过动态坐标法模拟了恒速上升的 液体介质界面在焦炭塔内沿塔壁爬升的动态边界工况,认为冷焦水流量的控制应是区间 控制,并指出合理的操作应该是先小流量再大流量;很多学者还研究了焦炭塔壁的温度 场和应力场,但均没有涉及放空系统及冷焦过程。 第一章 前言 1 3 课题的提出及工作思路 给水冷焦的水量逐渐由小增大,塔内产生的蒸气量也会由小变大,随着水量的增加 和焦炭温度的降低,产生的蒸气量又会逐渐减少。为提高冷焦速度,放空塔及配套冷却 器的设计应充分考虑最大汽化量:装置大型化时,焦炭塔直径越大,径向焦层厚度增加, 塔壁处焦炭不易被冷却,另外焦炭塔体积增大,充满焦炭塔需要的冷却水量增加,因而 冷焦水的给水量增加或冷却时间应适当延长;现有装置提高生产能力要求缩短生焦周 期,生焦时间缩短,要求焦炭塔吹气、给水的时间都要缩短,如果达到同样的冷却效果, 必然要提高冷却速度。 为了满足装置大型化和在役装置消除瓶颈制约的需求,本文在不考虑焦炭塔散热损 失的条件下,假定焦炭层降温放出热量全部传递给冷焦水用于升温汽化:忽略冷焦水在 焦层微孔内部的汽化,假定冷焦水在一带有中间孔道结构的规则焦层表面上沸腾汽化; 忽略不同部位焦层性质的差异,假定焦层降温是一个二维轴对称非稳态过程;从基本能 量守恒方程出发,得到不同时刻不同部位焦层温度场、焦层放热量及冷焦水汽化量的数 值解,找到冷焦水汽化量的影响因素及冷焦水汽化量的变化规律,为焦化装置大型化和 缩短生焦周期提供技术支撑。 1 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第二章二维非稳态传热方程的推导及数值解 焦炭塔降温过程中壁温是可测的,但整个焦层的降温曲线未知。给水冷焦过程中, 焦层冷却放出热量传递给蒸汽和水,属于多维非稳态传热过程。推导适合焦炭塔和塔内 焦层的多维非稳态传热方程及稳定数值解成为建立中间孔道焦层模型的基础。 本章从多维非稳态传热微分方程出发,推导了适合焦炭塔和塔内焦层的圆柱坐标系 下的二维非稳态传热主控方程,建立了内节点全隐式离散方程,并通过附加源项法建立 了边界节点离散方程,选择交替方向隐式方法a d i 和三对角阵算法t d m a 作为代数方 程组的求解方法。 2 1 有限容积法基本理论 数值传热学求解问题的基本思想是n 0 1 :把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的 场,用一系列有限个离散点上的值的集合来代替,通过一定的原则建立起这些离散点上 变量值之间关系的代数方程,求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。 上述基本思想可以用图2 1 来表示。 线 性 问 题 图2 - 1 物理问题数值求解的基本过程 f i 9 2 1 p r o c e s so fn u m e r i c a lc o m p u t i n ga b o u tp h y s i c a lq u e s t i o n 1 3 第- 二章二维非稳态传热方程的推导及数值解 数值传热学中常用的数值方法有:有限差分法,有限容积法,有限元法和有限分析 法。论文采用有限容积法,在有限容积法中将所计算的区域划分成一系列控制容积,每 个控制容积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积作积分来导出离 散方程。在导出过程中,需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成作出假定, 这种构成的方法就是有限容积法中的离散格式。用有限容积法导出的离散方程可以保证 具有守恒特性,而且离散方程系数的物理意义明确,是目前流动与传热问题的数值计算 中应用最广的一种方法。 2 1 1 空间区域的离散化m 1 ( 1 ) 区域离散化的实质与内容 所谓区域离散化实质上就是用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间。一般的 实施过程是:把所计算的区域划分成许多个互不重迭的子区域,确定每个子区域中的节 点位置及该节点所代表的控制容积。区域离散化过程结束后,可以得到以下四种几何要 素: 节点,需要求解的未知物理量的几何位置; 控制容积,应用控制方程或守恒定律的最小几何单位; 界面,规定了与各节点相对应的控制容积的分界面位置; 网格线,沿坐标轴方向联结相邻两节点而形成的曲线簇。 我们把节点看成是控制容积的代表,控制容积与子区域并不总是重合的。在区域离 散化过程开始时,由一系列与坐标轴相应的直线或曲线簇所划分出来的小区域称为子区 域。视节点在子区域中位置的不同,可以把区域离散化方法分成两大类:外节点法与内 节点法。 ( 2 ) 两类设置节点的方法 外节点法。节点位于子区域的角顶上,划分子区域的曲线簇就是网格线,但子区 域不是控制容积。为了确定各节点的控制容积,需要在相邻两节点的中间位
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