（化学工程与技术专业论文）延迟焦化主分馏塔的模拟与设计.pdf

s i m u l a t i o na n d d e s i g no fm a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m n i nd e l a y e d c o k i n gu n i t at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h uy o u y u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f s u nl a n y i c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 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作出了明确的说明。 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：兰盛盔垂日期：f 。年占月7 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、缩印或其它复制手段 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：害皆畜缸 指导教师签名：b 匕受，u 日期：沙f o 年 日期：1 归牌 ， 日日 7 f 、 月月 ，p 6 用。 本文针对现有焦化主分馏塔存在的问题，利用模拟计算得到的水力学数据对该主分 馏塔进行了水力学核算，找出了导致其出现非正常操作的根源，提出了经济并切实可行 的改造方案，成功将双层固阀塔板应用于该主分馏塔的改造设计。 关键词：延迟焦化，主分馏塔，流程模拟，流体力学性能，水力学校核，设计 s i m u l a t i o na n dd e s i g no fm a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m n i nd e l a y e dc o k i n gu n i t h uy o u y u a n ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g & t e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f s u nl a n y i a b s t r a c t w i t ht h et e n d e n c yo fc r u d eo i lg e t t i n gh e a v i e ra n dp o o r e rw o r l d w i d e ，t h ed e l a y e dc o k i n g p r o c e s sw h i c hb e c o m e saw e l l - d e v e l o p e dh e a v yo i lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sd r a w nm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nr e c e n t l yo w i n gt ol o w e q u i p m e n tc o s t ，s i m p l ep r o c e s s ，o p e r m i n gf l e x i b i l i t y a n dah i g l lr a t i oo fd i e s e lo i lt og a s o l i n e i nad e l a y e dc o k i n gu n i t , t h em a i nf r a c t i o n a t i o n c o l u m ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r tf o rt h e p r o d u c t ss e p a r a t i n g t h eo p t i m i z a t i o na n dr e f o r mo f t h em a i nf r a c t i o n a t o rh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sa r t i c l e ，t h es t r u c t u r eo ft h em a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m nw a s d i s c u s s e d t h es t r a t e g y t os i m u l a t et h ef r a c t i o n a t o rs e g m e n t a l l yw a sd e t e r m i n e da n dt h em o d e lw a s e s t a b l i s h e d t h e n ， t h et h e r m o d y n a m i c sm e t h o da n dt h en u m b e ro ft h et h e o r e t i c a l p l a t ew e r ec h o s e n t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h em a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m nw h i c hw e r es i m u l a t e db ya s p e np l u sa n d p r o i is o f t w a r er e s p e c t i v e l yw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h eo n s i t eo p e r a t i o n a ld a t a i t i n d i c a t e d t h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sb ys o f t w a r ew a sa v a i l a b l ea n dc o r r e c t t h es i m u l a t e dr e s u l t sc o u l d b eu s e df o rt h et h ei n t e r n a ld e s i g no ft h em a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m n t h eb i l a y e rf i x e dv a l v ew a ss t u d i e di nt h i sa r t i c l e t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h i sp l a t ew a si n v e s t i g a t e dw i t ha i r - w a t e rs y s t e mi nas t a i n l e s ss t e e lc o l u m no f12 0 0m m i n t e r n a ld i a m e t e r , a n dc a r r i e do nt h ec o m p a r i s o nw i t ht h ef1f l o a tv a l v e ，a n dt h ec o r r e l a t i o n s o f p l a t ep r e s s u r ed r o p ，w e e p i n ga n de n t r a i n m e n tw i t hw e i rh e i g h t ，l i q u i dl o a d i n gi n t e n s i t ya n d k i n e t i ce n e r g yf a c t o rb a s e do nv a l v eh o l e sw e r eo b m i n e d i tc o u l db eu s e dc o n v e n i e n t l yi n i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h em a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m no ft h ed e l a y e d c o k i n gu n i t , t h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o nw a s m a d eb yu s i n gt h es i m u l a t e dr e s u l t s t h ep r o b l e m s w h i c hl e dt oa b n o r m a lo p e r a t i o ni nt h em a i nf r a c t i o n a t i o nc o l u m nw e r e f o u n do u t a n e c o n o m i ca n dr e a s o n a b l ed e s i g ns c h e m ew a s p u tf o r w a r d t h eb i l a y e rf i x e dv a l v ew a sa p p l i e d t ot h er e f o r m i n gd e s i g ns u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：d e l a y e dc o k i n g ，t h em a i nf r a c t i o n a t i o n c o l u m n ，p r o c e s ss i m u l a t i o n ， h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，h y d r a u l i c sc a l c u l a t i o n ，d e s i g n 二、 目录 第一章绪论。l 1 1 前言。l 1 2 延迟焦化概述2 1 2 1 延迟焦化工艺的技术进展2 1 2 2 延迟焦化的反应机理4 1 2 3 延迟焦化工艺流程6 1 2 4 延迟焦化产品性质及收率1 0 1 2 5 延迟焦化的影响因素1 1 1 3 板式塔概述l2 1 3 1 浮阀塔板1 2 1 3 2 固定阀塔板及其他1 4 1 4 本文的研究目的及主要工作l4 1 4 1 本文的研究目的l4 1 4 2 本文的主要工作l5 第二章延迟焦化主分馏塔的模拟16 2 1 弓i 言l6 2 2 流程描述及条件16 2 2 1 装置介绍16 2 2 2 流程描述17 2 2 3 模拟条件l8 2 3 延迟焦化主分馏塔的结构特点及模拟策略2 0 2 3 1延迟焦化主分馏塔的结构特点2 0 2 3 2 模拟策略2 l 2 4 延迟焦化主分馏塔的a s p e np l u s 模拟2 2 2 4 1组分的切割及反应油气的合成2 3 2 4 2 a s p e np l u s 模拟流程的建立2 3 2 4 3 热力学方法的选择2 5 2 4 4 理论塔板数的选取2 5 2 4 5 模拟结果分析与讨论2 6 2 5 延迟焦化主分馏塔的p r o i i 模拟2 8 2 6 结果分析与比较。3 0 4 3 塔板的水力学校核6 1 4 3 1 焦化分馏塔的塔盘结构参数6 l 4 3 2 水力学校核与分析6 2 4 3 3 改造方案及校核6 5 4 4 本章小结6 7 结论6 8 总结6 8 问题与展望6 9 参考文献。7 0 作者攻读硕士学位期间发表论文和科研情况说明7 3 致谢7 4 v 降液管截面积 塔截面积 降液管面积比 雾沫夹带率 孔动能因子 空塔动能因子 干板压降 湿板压降 塔板板间距 出口堰高 液流强度 理论塔板数 漏液率 塔板开孔率 符号说明 1 m m k g ( 1 ) k g ( g ) k g o 5 m - 0 5 f l k g o 5 m - o5 s 。l m m 液柱 m m 液柱 m m n l m m 3 ( m h ) 无因次 k g ( 1 ) k g ( i ) 无因次 山肿助 印乃凡b胁所k g i e i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 石油是一种宝贵的不可再生资源，充分利用石油资源具有很大的现实意义，其中重 油的二次加工显得尤为重要。世界上石油的储量是一定的，据有关部门预测【l 】，在今后 的2 0 年内，世界范围内石油的需求量将以每年2 的幅度逐步增长，也就是说在不久的 将来，石油资源会越来越少直至枯竭。 当今世界，原油中的金属、硫含量、残炭、酸值在原油中的比例逐步增加，变重、 变劣是世界原油的主要变化趋势；重质原料油在现代工业中的需求量在不断地减少，目 前炼厂的首要任务是将原油最大限度的转化为轻质交通运输燃料和石化化工原料【2 】。因 此，充分挖掘石油深度加工的潜力，采用更加先进的手段对重油进行处理，重油及渣油 的轻质化显得越来越重要。 目前，渣油的深度加工主要通过加氢与脱碳两个途径来实现【3 1 ，加氢具有产品质量 好、灵活性高等优点，但其操作费用高、对设备及催化剂要求苛刻。在我国炼厂，脱碳 技术因其投资及操作费用比较低而得到了广泛的应用。如今，我国的脱碳技术比较成熟， 延迟焦化工艺是主要的脱碳手段之一。 延迟焦化工艺可用于加工高硫、高沥青质的重质渣油，能够深度脱硫脱碳，技术成 熟，对原料的适应性强，能够处理包括原料a p i 指数在2 0 - 2 0 、康氏残炭在3 8 m - 4 5 m 的直馏渣油、减粘渣油、煤焦油、裂解焦油等多种劣质重质原料。因其具有操作弹性大、 原料灵活性好，柴汽比高等特点【4 】，在国内外受到广泛的应用。据预测【5 1 ，世界上延迟 焦化装置的加工能力在今后1 0 年内将增长3 0 。 我国的延迟焦化能力与世界发达国家相比还有一定的差距，目前主要有两种途径来 提高延迟焦化的加工能力【6 】：一是实现延迟焦化装置的规模化、大型化，采用国内外的 先进技术；二是对现有延迟焦化装置进行优化比较，找出制约装置加工能力的瓶颈，通 过技术手段对延迟焦化装置进行扩能改造。 延迟焦化主分馏塔作为分馏系统的主要设备之一，分馏塔的操作正常与否直接影响 焦化产品的质量：作为塔的重要内构件之一，塔板的设计也尤为重要。目前，焦化主分 馏塔主要存在底部结焦、顶部结盐等问题。因此，开发一种传质性能优良、抗堵塞效果 好且适用于焦化主分馏塔的塔板显得尤为重要。 第一章绪论 1 2 延迟焦化概述 延迟焦化【刀是一种利用渣油在5 0 0 5 5 0 的高温下进行深度热裂化和缩合反应的一 种热加工过程。延迟焦化过程的产品主要有：焦化富气、焦化汽油、焦化柴油、焦化蜡 油及焦炭。 目前，针对含硫含碳及金属含量高的劣质重质渣油，延迟焦化作为种应用广泛的 原油深加工手段，越来越受到炼厂的重视【8 l 。据统计【9 】，世界渣油加工的三分之一用于 延迟焦化，延迟焦化是目前重油加工发展最快的工艺技术。 1 2 1 延迟焦化工艺的技术进展 1 2 1 1 国外延迟焦化的进展 自上世纪三十年代第一套延迟焦化装置开始投产运行以来，延迟焦化技术取得了长 足的发展，现已成为渣油加工的主要工艺。据统计【1 0 1 ，1 9 9 1 年全世界范围内延迟加工总 能力为1 7 2m 池，1 9 9 9 年加工能力增加到2 2 7m t a ，上世纪9 0 年代延迟焦化焦化能力增长 了5 4 8 7m 讹。 截止n 2 0 0 5 年初，据美国“o g j ”杂志统计f l l 】，全世界1 4 7 个炼厂延迟焦化总加工能 力达2 4 4 m t a ，与2 0 0 4 年同期相比增长了5 2 6 个百分点。2 0 0 4 年世界延迟焦化装置加工能 力排名前十位的国家如表1 1 所示。 表1 - 12 0 0 4 年世界延迟焦化装置加工能力，m 柏 t a b l e l 一1 t h er e f i n i n gc a p a c i t yo f d e l a y e dc o k i n gu n i ti n2 0 0 4 ，m t ，a 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 据s r i 报告显示【1 2 1 ，全世界所有炼厂中有17 的炼厂建有延迟焦化装置，过去l5 年内世界延迟焦化装置生产能力增长了7 0 以上。近年来，国外延迟焦化技术的发展趋 势主要体现了以下几个方面： 1 生焦周期变短。生焦周期最短可以达1 2 小时。 2 降低焦炭塔反应压力。操作压力的降低使总液收增加，但导致焦炭和气体的产 率下降、设备费用增加。目前，焦化塔的设计压力普遍偏低，典型的低压为0 2 0 5 m p a t l3 1 。 3 循环比降低，提高总液收。 4 焦炭塔大型化，焦炭塔直径增加，直径大于9 m 1 , 1 4 , 1 5 的焦炭塔已在国外有应用。 5 水力除焦和多点注汽及在线清焦技术。 6 自动化水平高，减小污染物的排放。 7 应用计算机软件进行控制。 1 2 1 2 国内延迟焦化技术的进展 我国的延迟焦化技术起步较晚，自上世纪6 0 年代我国延迟焦化实现工业化以来， 延迟焦化技术在我国得到了迅速地发展。当今，我国的延迟焦化加工能力已排在第二位， 仅次于美国。经历了半个世纪的发展，我国延迟焦化技术水平得到了显著的提高，主要 体现在以下几个方面f 16 】： 1 装置规模的大型化 焦炭塔的大型化是延迟焦化降低能耗、提高经济效益的重要手段【1 7 1 。 在上世纪，我国延迟焦化工业中焦炭塔最大塔径仅为6 1 m ，规模上与国外的焦化塔 相差比较大。半个世纪来，我国在延迟焦化装置规模大型化方面取得了显著的成效。2 0 0 0 年，第一套国内自行研制的直径为8 4 m 的焦炭塔在上海石化正式投入使用，该焦炭塔 在直径和高度上相比于以往国内的焦炭塔都有很大的提高，标志着我国焦炭塔在规模大 型化上取得了重大的进步。2 0 0 4 年以后，我国相继有数十台大塔径的焦炭塔投入使用。 扬子石化投产的焦炭塔塔径达9 4 m ，是目前世界上塔径最大的焦炭塔。 2 操作条件的灵活性 提高延迟焦化装置液收一直是延迟焦化发展的重点，循环比是影响延迟焦化液收的 一个主要重要因素。近几年，随着我国延迟焦化技术的不断发展，针对提高延迟焦化的 液收也做了大量研究，并取得了显著的成果。洛阳石化工程公司提出的可灵活调节循环 比工艺技术，可有效的调节延迟焦化装置的循环比，能够有效地提高延迟焦化装置的液 收率。 3 第一。章绪论 3 焦化组合工艺的开发 ( 1 ) 催化裂化延迟焦化联合工艺【1 8 】 该工艺采用石科院开发的d n c c 技术，作为焦化进料的催化裂化原料可在不出渣油 产品的情况下全部转化，该组合工艺目前已经在镇海炼化等七家炼厂投入使用。 ( 2 ) 减粘焦化联合工艺【1 9 1 该工艺利用减粘后的减压渣油作为焦化装置的原料，可有效提高液体收率。目前已 经在安庆、茂名等炼厂得到应用。经标定表明：该工艺能使焦炭收率降低6 17 ，轻油 收率提高3 5 2 。 ( 3 ) 延迟焦化溶剂精制- 力日氢裂化联合工艺1 2 0 1 该工艺由洛阳石化工程公司炼制所与辽阳石化化纤公司炼厂联合开发，采用溶剂精 制工艺技术，将加氢裂化与延迟焦化优化组合。 ( 4 ) 延迟焦化溶剂精制催化裂化组合工艺1 2 1 】 该工艺以焦化蜡油拔头处理后得到的轻馏分作为柴油调合组分，利用溶剂精制的手 段对拔头油进行处理，并将拔头油用于催化裂化的掺兑原料，可以有效地改善催化原料 性质。该工艺在锦西石化得到了工业应用，经济效益明显。 ( 5 ) 延迟焦化- 力口氢精制催化裂化组合工艺【2 2 1 该工艺在中石化镇海炼化得到了工业应用，产品分布与产品质量得到了很好的改 善，提高了经济效益。 另外，我国焦化装置在清洁生产、装置节能、自动化水平等方面也取得了很大进步 2 3 】。总之，经过几十年的发展，我国的延迟焦化工艺技术得到了较快的发展。但与国外 先进水平相比，存在较大的差距。主要体现在焦炭塔处理能力低、生焦周期长、加热炉 操作周期短及自动化水平低等一系列问题。 1 2 2 延迟焦化的反应机理 烃类在焦炭塔内渣油主要发生两类反应：裂解反应和缩合反应。其中裂解反应属于 吸热反应，缩合反应属于放热反应。烃类的热转化反应可以用自由基理论来解释。烃分 子在高温下容易断裂成键能相对较弱的自由基，自由基之间相互碰撞结合，发生一系列 连锁反应，主要的热转化有烷烃的热转化和芳烃的热转化两种【2 4 1 。 1 烷烃的热转化反应 ( 1 ) 烃类大分子断裂成两个自由基： 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c 1 6 h 辩一2 c 8 h 1 7 ( 2 ) 自由基进一步断裂成更小的自由基和烯烃： c 8 h 1 7 一c 4 h 8 + c 4 h 9 c 4 h 9 一c 2 h 4 + c 2 h 5 c 4 h 9 专c 3 h 6 + c h 3 c 2 h 5 一c 2 h 4 + h ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 3 ) 小自由基与其他分子之间的碰撞，重新组合，形成新的烃分子和自由基，新的自由 基进一步断裂成小的自由基和烯烃： c h 3 - + c 1 6 h 3 4 一c h 4 + c 1 6 h 3 3 。 h + c 1 6 h 3 4 h 2 + c 1 6 h 3 3 c 1 6 h 3 3 * _ c 8 h 1 6 + c 8 h 1 7 ( 4 ) 自由基之间相互结合，反应终止： h + h - 专h 2 c h 3 * + h 一c h 4 c 8 h 1 7 + h 岭c 8 h 1 8 c 8 h i t - + c h 3 _ c 9 h 2 0 2 芳烃的热转化反应 芳烃的热转化反应类似于烷烃的热转化反应，其自由基反应如下： ( 1 ) 芳烃分子的侧链分裂： ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) ( 1 - 9 ) ( 1 - 1 0 ) ( 1 1 1 ) c 6 h 5 c l o h 2 l c 6 h 5 c 2 h 4 * + c 8 h 1 7 ( 1 12 ) ( 2 ) 自由基进一步分裂成更小的自由基： ( 3 ) 自由基的缩合： c 6 h 5 c 2 h 4 * 一c 2 h 4 + c 6 h 5 2 c s h 5 - - , ( c 。h ，) ： ( 1 一1 3 ) ( 1 1 4 ) 延迟焦化主要加工重质渣油，其组成复杂，原料中除含有各种烃类之外，还有其他 5 第一章绪论 的杂质，如胶质、沥青质、重金属及碱金属等。焦炭塔中生焦机理如图1 1 所示。 图l - l 焦化反应机理 f i g l 1 t h em e c h a n i s mo fp y r o g e n i cr e a c t i o n 对于延迟焦化工艺而言，焦化反应机理复杂，通常认为渣油的热转化分为三步来进 行【2 5 】： 首先，焦化原料在经过高温炉管时，少量的焦化原料在高温下在加热炉内发生裂化 反应； 其次，自加热炉加热进入焦炭塔的原料，在焦炭塔内发生裂化反应； 最后，焦炭塔内的液相重质烃在焦炭塔发生裂化、缩合反应，直至生产气态烃与焦 炭为止。 1 2 3 延迟焦化工艺流程 延迟焦化装置由焦化、分馏( 包括气体回收) 、焦炭处理和放空系统几个部分组成 2 9 】。世界各国的焦化分馏流程差别不大，主要在专有技术方面各有特色，形成各公司 的专利。我国的焦化分馏流程主要有三种：典型的延迟焦化工艺流程，改进之后的延 迟焦化流程及洛阳石化工程公司开发的可灵活调节循环比工艺流程。下面对这三种工艺 流程作简要介绍。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 3 1 传统的延迟焦化工艺流程 塔 原料泵换热器 循环油泵 图1 - 2 延迟焦化工艺传统流程 f i g l - 2 f l o wd i a g r a mo ft h ec o n v e n t i o n a ld e l a y e dc o k i n gp r o c e s s 传统的延迟焦化工艺如图1 2 所示。焦化原料油流经换热器，然后进入加热炉对流 室，在加热炉对流室中被加热至u 3 4 0 3 5 0 后，再进入延迟焦化主分馏塔的脱过热段， 在脱过热段与来自焦炭塔顶部的高温油气进行接触换热。来自焦炭塔的高温油气中的焦 粉被淋洗脱除，焦化原料油中的轻组分蒸发随高温油气一起进入上层塔板进行分离。塔 底的原料油和循环油一起由热泵抽出，经加热炉辐射段加热，快速升温至大约5 0 0 后 进入焦炭塔发生焦化反应。自加热炉而来的焦化原料在焦炭塔内发生裂化和缩合反应， 生产烃类油气和焦炭。高温油气由焦炭塔顶部逸出进入主分馏塔底部，经分馏塔分离之 后形成富气、焦化汽油、焦化柴油、焦化蜡油和循环油【2 6 1 。焦炭塔有生焦、除焦两个过 程，为半连续过程。在实际生产过程中，一般需要有两组( 2 台或4 台) 焦炭塔进行轮换 操作，即一组焦炭塔为生焦过程，另一组为除焦过程。 该工艺流程是国内常用的焦化换热流程，具有以下两个方面的优点1 2 7 j ： 一是焦化柴油中不饱和烃的含量较少，加氢装置的氢耗可有效降低； 二是焦化产品中的汽柴油等直馏馏分的拔出率较高，降低了加热炉的负荷。 对于加工高酸重油时，常规换热流程存在脱酸不彻底的缺点。另外，焦化原料在主 分馏塔塔底脱过热段取热较低，焦化原料经过脱过热段换热后温度一般升高3 5 5 0 左 7 塔 f i g l - 3 f l o wd i a g r a mo f t h ei m p r o v e dd e l a y e dc o k i n gp r o c e s s 图1 3 为改进后的延迟焦化工艺流程，该技术在上海石化得到了成功应用，不同于 常规的延迟焦化换热流程，焦化原料经换热器换热后直接进入焦化主分馏塔底部，焦化 原料并没有直接进焦化炉。通过对常规流程的改进，延迟焦化主分馏塔塔底的热量得到 了充分利用。焦化原料在分馏塔塔底脱过热段换热后温度升高7 5 8 00 c ，而常规延迟焦 化流程的塔底取热量一般为3 5 5 0 c t 2 8 l 。 相比于常规的焦化换热流程，该流程有以下几个方面的优点： ( 1 ) 能够缓解分馏塔的过热程度，有利于分馏塔的操作，可有效降低分馏塔各侧线 的焦粉携带； ( 2 ) 焦化原料在分馏塔中换热量的增加可以有效地减小加热炉的热负荷，节省加热 炉中燃料气的用量； ( 3 ) 可以减小加热炉对分馏塔的影响，使分馏塔操作更加稳定； ( 4 ) 该换热流程可以方便地实现在线清焦技术。 改进后的换热流程与常规延迟焦化换热流程相比，汽柴油等直馏分油拔出率较低， 对于加工高酸重油，也存在脱酸不彻底等缺点2 刀。 8 与常规焦化一分馏流程相比【2 9 1 ，可灵活调节循环比工艺的区别在于焦化原料不进分 馏塔，而是直接与来自分馏塔的循环油一起进入加热炉加热。分馏塔底部脱过热段采用 循环油与反应油气接触换热，循环比的调节是通过调节经换热后的冷循环油的流量来控 制，可以灵活调节循环比。 循环比一直是延迟焦化分馏塔讨论的重点，降低装置的循环比可以提高焦化装置的 液收。对于常规焦化换热流程，当循环比小于o 2 时，由于主分馏塔塔底原料上入口的 进料量减少，在脱过热段与大量高温反应油气进行接触换热时易结焦，从而堵塞塔盘， 并影响蜡油质量。 可灵活调节循环比工艺克服了常规焦化流程不能在低循环比下操作的缺点，具有以 下几个方面的优点0 0 , 3 1 】： 1 循环比可以在o 1 0 之间灵活调节，能够实现低循环比操作，有利于提高装置的 液收。 2 塔底循环油经循环油泵抽出塔外，并与换热器换热降温后返回塔底，通过这种 9 第一章绪论 方式对塔底进行取热，可以很好地控制塔底温度，不至于使塔底温度过高，可有效地减 小塔底结焦现象。 3 由于受到换热流程中热流温位的限制，加热炉对流室最高进料温度为3 3 0o c t 2 9 1 ， 从而降低核心设备辐射进料泵操作条件的苛刻度。 4 焦化新鲜原料渣油不直接进入分馏塔内与高温油气接触换热，有利于延迟焦化 主分馏塔的稳定操作和改善上部蜡油产品质量。 当然，可灵活调节循环比工艺也存在以下几个方面的问题： 1 分馏塔脱过热段取热是利用循环油经循环油泵抽出后，在塔外流经原料换热器 或蒸汽发生器换热后取走，不同于常规流程中原料油直接与高温油气换热，传热效果不 如常规流程，增加了加热炉的热负荷。 2 塔底循环油中有大量的焦粉存在，在操作过程中，会对换热设备及循环油的利 用带来麻烦。 3 由于循环油中含有大量焦粉，在与高温油气进行换热时，有一部分焦粉会随上 升的油气进入蜡油集油箱以上，增加了焦化柴油、焦化蜡油中的焦粉含量，影响产品质 量。 4 分馏塔底含焦粉的循环油不外送，从焦粉平衡的角度看，会增加塔底焦粉的沉 积速率，并且会造成沥青态和焦态固体物的积聚，影响分馏塔和过滤器的正常运行。 1 2 4 延迟焦化产品性质及收率 延迟焦化装置的产品主要有：焦化气体、焦化汽油、焦化柴油、焦化蜡油及焦炭， 焦化产品的性质与焦化原料性质及操作条件有关 3 2 , 3 3 】。 1 焦化气体 自主分馏塔塔顶出来的焦化气体去吸收系统。焦化气体一般用作燃料气或者制氢原 料，延迟焦化装置的焦化气体收率一般为7 10 。 2 焦化汽油 焦化汽油由于烯烃含量较高，辛烷值低，稳定性差，只能作为半成品，可以通过加 氢精制来改善焦化汽油的安定性，作为蒸汽裂解制乙烯的原料，或者作为催化重整的掺 和组分。焦化汽油的收率一般为8 - 1 5 。 3 焦化柴油 焦化柴油含有一定的烯烃，稳定性较差，由于焦化原料中含有s 、n 以及金属元素 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 等杂质从而导致焦化柴油中也含有此类杂质，安定性较差，需精制之后才能作为才柴油 的调和组分。延迟焦化装置焦化柴油收率一般为2 6 - 3 6 。 4 焦化蜡油 焦化蜡油一般是指馏程在3 5 0 5 0 0 之间的焦化馏出油。相比于同一原油的直馏减 压瓦斯油( v g o ) ，焦化蜡油中的s 、n 、芳烃、胶质及残炭均较高。焦化蜡油中多环 芳烃含量较高、饱和烃含量较低，性质不稳定，焦化蜡油需要经过加氢处理才能作为催 化裂化原料，延迟焦化装置焦化蜡油收率一般为2 0 3 0 。 5 焦炭 石油焦广泛应用于原子能、冶金及宇宙科学等领域，延迟焦化装置焦炭的产率因焦 化原料的不同而存在差异。据统计：国内原油的焦炭产率一般在1 6 2 3 之间；中东原 油的焦炭产率一般在2 3 3 5 之间：东南亚原油在1 7 18 之间。 1 2 5 延迟焦化的影响因素 影响延迟焦化工艺的主要因素有【3 3 】原料性质及工艺操作条件。在现实生产中，工艺 操作条件主要是指循环比、焦化塔操作压力和操作温度。 1 2 5 1 焦化原料对延迟焦化工艺的影响【3 4 ，3 5 1 残炭、硫含量和密度是衡量焦化原料性质的重要指标。残炭含量的多少直接关系到 焦化反应的生焦倾向。残炭含量越低，则焦化反应的焦炭和气体的收率就会降低，液收 会增加。硫含量也对焦化产品的质量有影响，硫含量越高对后续分离装置的要求就越高。 原料的密度对焦化反应影响与残炭含量对焦化反应的影响趋势相一致。 延迟焦化装置产品的分布以及产品性质很大程度上取决于焦化原料的性质，焦化原 料性质的变化对延迟焦化的主要操作参数都有影响0 6 1 ，并且影响加热炉的运行周期。 由于原料的差异性，针对不同的焦化原料，进行延迟焦化装置设计时应考虑不同的 工艺控制流程，设计不同的工艺操作参数，从而实现设计优化【3 7 1 。 1 2 5 2 循环比对延迟焦化工艺的影响 循环比是一个影响焦化装置的重要操作参数，焦化产品分布以及装置的处理量都受 循环比的影响。目前，国内的延迟焦化装置朝着降低循环比提高液收率的方向发展。 循环比的定义【3 3 】如下： 循环比= 循环油新鲜原料油 联合循环比= ( 新鲜原料油量+ 循环油) 新鲜原料油量 = l + 循环比 1 1 第一章绪论 对于同一焦化装置，增大循环比可以使焦化装置轻油( 焦化汽油和焦化柴油) 收率、 气体及焦炭的收率增加，焦化蜡油的收率减小。但增加循环比的同时，会增大加热炉的 处理量，对于处理量一定的加热炉而言，循环油的增加会导致焦化装置的处理量减小， 整个焦化装置的总液收减小，操作费用增加。降低循环比，可以提高焦化装置的处理能 力【3 5 1 。 1 2 5 3 焦化塔操作压力对延迟焦化工艺的影响 在循环比和操作温度一定的情况下，提高焦炭塔操作压力，焦化反应深度增大，焦 炭的收率增加，焦化气体的产率略有增加，液体产品收率下降。焦炭塔的压力降低，目 前，通过降低焦化塔操作压力来提高延迟焦化装置的液收率已成为延迟焦化装置的一种 发展趋势。 1 2 5 4 操作温度对延迟焦化工艺的影响 操作温度是指焦炭塔内的反应温度或者加热炉的出口温度。当循环比及焦炭塔操作 压力一定时，操作温度升高会导致重柴油的收率下降，其它产品的收率增加【3 引。但温度 过高，会导致炉管与转油线提前结焦堵塞，促使弹丸焦的生成，不利于焦化装置的长周 期运转。适当地增加焦炭塔的反应温度有利于焦化反应，我国的焦化装置操作温度一般 控制在4 9 5 + 5 0 0 之间。 1 3 板式塔概述 塔设备是最常用的汽液传质设备，其广泛应用于石油化工、化肥及制药等行业。塔 设备性能的好坏关系到整个装置的处理能力，影响产品的质量 3 9 , 3 4 】。 板式塔由于其操作弹性大、结构简单、处理量大、造价便宜等优点而得到了广泛的 应用，下面就几种常用的塔板作一下介绍。 1 3 1浮阀塔板 目前，浮阀塔板是一种应用最广泛的塔板。其具有操作弹性大、传质效率高、结构 简单等优点。最先开发出来的浮阀塔板为国外的v l 浮阀( 即f 1 浮阀) ，塔板上浮阀的 升程可以随塔内气相负荷的变化而自动调节，能够适用于气相负荷变化大的场合。 针对f 1 浮阀塔板阀孔易磨损、浮阀易脱落等缺点，国内科研工作者也做了大量的 研究，开发了一系列传质性能优良的浮阀塔板，具有代表性的有以下几种： 1 导向浮阀塔板 1 2 图1 - 6a d v 浮阀的结构 f i g l - 6 s t r n c t u r eo f a d vv a l v e 3 梯形浮阀塔板 该浮阀塔板是洛阳石化工程公司在原有条形浮阀的基础上开发的一种新型塔板。 其阀面为梯形结构，可有效地减小塔板上的液面落差，具有导向作用，传质性能优良。 4 h t v 船型浮阀塔板 该浮阀塔板是中国石油大学( 华东) 4 4 , 4 5 舶1 在吸取了条形、管式等浮阀结构上的优 点而开发的，具有操作弹性大，安装方便、灵活等优点。但其存在塔板压降大、易造成 返混等缺点。在此基础上，中国石油大学通过改进结构，开发了b v t 系列浮阀塔板， 该浮阀塔板很好地解决了h t v 船阀存在的问题，阀面上开有舌型导向孔，具有一定的 导流作用。 1 3 f i g l 一8 s t r u c t u r eo fs f vv a l v e 1 3 2 固定阀塔板及其它 固定阀塔板( v - g r i d w a y 或f i x e d v a l v e t r a y ) 是一种介于浮阀与筛孔塔板之间的一种塔 板，固定阀是直接在塔板上冲压而成，机械强度高、结构简单、造价低廉。固阀塔板对 于某些易结焦、易堵塞场合特别适用【4 8 】。 在国外，n o r t o n 公司开发了t r i t o n 塔板和p r o v a l v e 塔板两种固阀塔板，k o c h 公司 开发了b i f r a c 塔板，该塔板能够有效地减小雾沫夹带，提高装置的处理能力。 除了浮阀塔板、固阀塔板外，还有筛孔塔板、喷射型塔板以及复合型塔板，这些塔 板均被广泛应用于石油石化行业，在这里就不一一介绍。 1 4 本文的研究目的及主要工作 1 4 1 本文的研究目的 1 利用化工模拟软件a s p e np l u s 和p r o i i 对某厂延迟焦化主分馏塔进行模拟计算， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 确定该焦化主分馏塔的模拟方案，计算出该分馏塔的水力学数据。 2 对一种适用于焦化分馏塔的新型塔板双层固阀塔板进行流体力学实验研 究，分析该塔板的流体力学性能。 3 分析问题产生的根源，并利用双层固阀塔板对焦化主分馏塔局部进行改造，提 出切实可行的改造方案，消除瓶颈。 ， 1 4 2 本文的主要工作 1 针对焦化主分馏塔的结构特点，运用正确的模拟策略，选择合适的物性方法和 理论塔板数，利用化工模拟软件a s p e np l u s 和p r o i i 对某厂的延迟焦化主分馏塔进行模 拟计算，并将计算结果与实际标定值进行对比分析，验证模拟结果的可靠性，得到焦化 主分馏塔的水力学数据。 2 在冷模实验装置中测定双层固阀塔板的塔板压降、漏液率及雾沫夹带等流体力 学性能，并进行对比分析，得到适用于双层固阀塔板的关联公式。 3 利用工艺模拟数据对现有焦化主分馏塔进行水力学校核，通过对各塔段的水力 学校核结果进行分析，找出产生问题的根源，并利用双层固阀塔板对焦化主分馏塔局部 进行改造，提出切实可行的改造方案。 1 5 第二章延迟焦化主分馏塔的模拟 2 1 引言 第二章延迟焦化主分馏塔的模拟 化工过程模拟 4 9 1 ( 流程模拟) 技术是以计算机辅助计算为手段，以工艺过程的机理 模型为基础，采用数学的方法来描述化工过程的一项技术。化工流程模拟作为一种集理 论与工程实践于一体的技术，在现实工程设计中的应用非常广泛。 化工流程模拟可用于新装置的设计、旧装置的改造、新工艺和流程的开发研究、工 艺优化及过程诊断。随着模拟技术的逐步成熟，过程模拟结果可直接用于某些工业装置 设计，而无需小试或中试的配合。对于一些旧装置的改造，我们通过化工流程模拟来分 析装置的瓶颈所在，从而寻求解决问题的方案。另外，运用化工流程模拟技术可以对一 些新工艺进行开发设计，模拟计算结果能够为该工艺提供可靠的预测。 流程模拟主要有三种方法：联立方程法、序贯模块法和联立模块法f 捌。其中序贯模 块法是化工流程模拟中最常用的一种计算方法，因其具有计算效率高、易于理解、能够 稳定收敛、便于诊断等优点而被广泛利用。 a s p e np l u s 及p r o i i 是两种常用的化工流程模拟软件