（化学工程专业论文）燃料型减压塔减压深拔的研究.pdf

摘要 本文以减压深拔为目的，结合中油华北石化公司5 0 0 1 0 4 t a 常减压蒸馏装 置的设计，对减压深拔工艺所需要的关键性技术进行了研究，得到了较理想的研 究结果。 作者以水为介质，在空气中进行了单喷嘴的液体分布实验，依据单喷嘴的实 验数据对多喷嘴的喷射式分布器进行了设计研究。结果表明，由作者提出的设计 方法计算出的液体分布情况与实际情况吻合较好，设计方法可以用来指导喷射式 分布器的设计。 以水和水蒸气为工作介质，在不同汽液相负荷条件下，对窄槽式液体分布器 与喷射式液体分布器在空塔中的直接接触传热效果进行了研究，并就两种分布器 在空塔内的传热与填料床层内的传热效果进行了比较。研究结果表明，空塔喷淋 取热技术应用于以传热为主传质为辅的燃料型减压塔取热段行之有效，这样可以 使塔压降降低，并可节约大量的投资。 以水和空气为工作介质，在不同f 因子和不同喷淋密度情况下，作者还对三 种新型填料c h a o p a k 2 5 0 y 、z u p a k l 2 5 y 、z u g r i d 6 4 y 的压降进行了测定，得到了 不同f 因子和不同喷淋密度下的压降数据。 以上述研究结果和华北石化公司常渣物性为依据，采用化工流程模拟软件对 低压降的减压塔进行了模拟计算，得到了塔内各塔板的汽液负荷、物性等数据， 以此为基础对减压塔进行了工艺设计，达到了减压深拔的目的。 关键词：减压塔、液体分布器、规整填料、流体力学、模拟、传热、拔出率 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rt o o kd e e p c u to fv a c u t m lc o l u m na st h em a i nt a s ka n d s t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h en e wp r o c e s sf o rd e e p c u tc o l u m no nt h eb a s i so f v a c u u mt o w e rd e s i g no f5 0 0 m t aa t m o s p h e r i ca n dv a c u u i nd i s t i l l a t i o ni np e t r o - c h i n a c o m p a n yl i m i t e dh u a b e ip e t r o c h e m i c a lc o m p a n y , ar e a s o n a b l ec o n c l u s i o nw a s o b t a i n e d l i q u i dd i s t r i b u t i o ne x p e r i m e n to fo n en o z z l ew a sc o n d u c t e dw i t hw a t e ra s m e d i u mi na i r t h es p r a yn o z z l ed i s t r i b u t o rw a sd e s i g n e dw i t l lt h ei n s t r u c t i o no ft h e l i q u i dd i s t r i b u t i o ne x p e r i m e n td a t e so fo n en o z z l e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e c a l c u l a t e dl i q u i dd i s t r i b u t i o nu s e dd e s i g nm e t h o dw a sc o n s i s t e n tw i t hr e a ll i q u i d d i s t r i b u t i o no fs e v e r a ln o z z l e s ，s ot h em e t h o dc a l li n s t r u c tt h ed e s i g no fs p r a yn o z z l e d i s t r i b u t o r t h ea u t h o rm a d et h ed i r e c tc o n t a c th e a tt r a n s f e re x p e r i m e n ti nd i f f e r e n tl i q u i d a n dg a sc a p a c i t yw i t l lw a t e ra n dv a p o ra sm e d i u m d i r e c tc o n t a c th e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yo fo r i f i c et r o u g hl i q u i dd i s t r i b u t o ra n ds p r a yn o z z l ed i s t r i b u t o rw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fd i r e c tc o n t a c th e a tt r a n s f e rw i t hs p r a yt o f u e l - t y p ev a c u u mc o l u m nw a se f f e c t i v e i tn o to n l ye c o n o m i z e dp a c k i n gb u ta l s o g r e a t l yr e d u c e dt h ep r e s s u r ed r o po f t h ew h o l ec o l u m n t h ea u t h o ra l s ot e s t e dt h ep r e s s u r eo ft h et h r e en e w t y p ep a c k i n gc h a o p a k 2 5 0 y z u p a k l 2 5 ya n dz u g r i d 6 4 yi nd i f f e r e n tf - f a c t o ra n dl i q u i dc a p a c i t yw i t hw a t e ra s m e d i u mi na i r t h ep r e s s u r eo f t h en e w t y p ep a c k i n gu n i th e i g h tw a so b t a i n e d i nt h ee n d ，t h ew h o l ec o l u m np r o c e s ss i m u l a t i o na n dd e s i g nw e r es t u d i e db a s e d o nt h ep r o p e r t i e so fh u a b e ia t m o s p h e r i cr e s i d u e l i q u i da n dg a sc a p a c i t ya n dp h y s i c s p r o p e r t i e so fe v e r yt h e o r e t i c a ls t a g e sw e r eo b t a i n e d 、t h ev a c u u f oc o l u m nw a s d e s i g n e db a s e do nt h ed a t e sw h i c hw e r ec a l c u l a t e db ys i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ep u l l o u tr a t ew a si m p r o v e d k e yw o r d s ：v a c u u mc o l u m n ，l i q u i dd i s t r i b u t o r , s t r u c t u r e dp a c k i n g ，h y d r o d y n a m i c s s i m u l a t i o n ，h e a tt r a n s f e r , p u l l o u tr a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秧毽l 舒 签字日期： 知f g 年1 月乙p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：教也画导师签名：寿幼 签字日期：h 啊年1 月弛日签字日期：锣。，年f 月讲日 前言 常减压蒸馏作为炼油工业的“龙头”，是原油深度加工的基础，常减压蒸馏 技术水平的高低，不但关系到原油的有效利用，而且对全厂的产品质量、产品收 率、经济效益产生很大影响。而提高减压蒸馏装置的拔出率，可以增加催化裂化、 加氢裂化的原料，提高炼厂的经济效益，因此，减压蒸馏装置的深拔技术日益受 到国内外炼油工作者和研究者的关注。而常减压蒸馏减压拔出深度偏低，是我国 常减压蒸馏技术与国外的主要差距之一。 对于给定的原油，减压塔汽化段的压力和温度是影响减压拔出率的两个重要 因素。当今国内外减压深拔技术的研究大多数是围绕这两个方面进行的。 减压塔汽化段温度和加热炉、转油线有关，提高加热炉温度并防止加热炉结 焦和降低转油线的压降可以提高减压塔汽化段温度。而汽化段压力的限制条件是 塔顶可能达到的最低压力和进料段至塔顶之间的压力降，所以任何一项能使全塔 压降降低的技术都能使减压塔的拔出率提高。塔顶要达到最低压力要依靠先进的 抽真空技术与先进工艺。当今全塔压降的降低主要是采用了填料技术，而国外最 新设计的燃料型减压塔仅在有分离要求的柴油分离段以及洗涤段设填料，其他无 分离要求的塔顶冷凝段、轻蜡油冷凝段和重蜡油冷凝段都不设填料，靠喷洒的回 流油与上升的气体直接接触实现冷凝传热，使全塔压降大大降低。采用这种结构， 塔进料段至塔顶的压力降设计值约为1 0 6 k p a ( 8 m m h g ) ，生产操作中实测值约为 0 8 m p a ( 6 m m h g ) 。空塔传热技术并非新技术，但这种技术在国内尚未见应用。 规整填料具有分离效率高、通量大、压降低、操作弹性大等优良的综合性能， 特别适用于以压降为控制因素的大型减压塔。但填料塔，特别是对于大直径、多 侧线、浅床层的减压塔，对液体的不均匀分布极为敏感，液体在塔内的分布性能 以及最终的填料性能在很大程度上依赖于液体的初始分布。因此，液体分布器的 合理设计对减压塔至关重要。众多研究者已经开发出了许多高性能的液体分布 器。目前国内用于减压塔的液体分布器主要为重力型分布器( 槽式液体分布器和 槽盘式液体分布) 。而在国外，喷射式分布器( 喷嘴) 由于其布液均匀的优良特 性已广泛地应用于减压塔，国内一些炼厂应用该种分布器不成功的原因主要在于 喷射式分布器的设计。 除此之外，减压深拔技术的进步还得益于各方面先进技术的开发和先进流程 的提出，而应用过程模拟软件对流程进行准确的模拟则是将各方面先进技术和先 进流程联系到一起，研究减压深拔的一个重要手段。 前言 鉴于此，作者对影响塔压降的因素进行了实验研究和分析讨论，对低压降减 压塔新工艺进行了计算机模拟。以此为基础，结合华北石化公司的减压塔设计， 对循环取热段采用空塔传热的新新型减压塔进行了工艺设计。 第一章文献综述 1 1 常减压蒸馏概述 1 1 1 原油蒸馏的地位1 】 第一章文献综述 炼油工业又称石油炼制工业。他是以原油( 包括人造石油) 为基本原料，通 过常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、延迟焦化、加氢裂化、炼厂气加工、产品 精制等一系列石油炼制工艺过程，把原油加工成各种牌号的汽油、煤油、柴油、 润滑油、溶剂油、中油和石蜡、沥青、石焦油，并生产多种石油化工基本原料的 工业部门。 石油工业是国民经济的基础工业之一，它是一个很重要的化工原材料供应的 加工系统，它的发展水平如何，在很大程度上表明了综合国力和人民生活水平的 高低。我国自从1 9 5 8 年在兰州建成第一座现代化的炼油厂以后，至2 0 0 1 年，已 经发展到全国共有1 2 2 套常减压蒸馏装置，总加工能力2 6 4 7 5 m t a 的规模1 2 1 。我 国的炼油工业经过近半个世纪的发展，形成了原油蒸馏、热裂化、减粘裂化和制 氨、润滑油生产等完整的石油炼制工艺技术。 原油蒸馏装置是炼油厂的龙头装置，是原油加工的第一道工序。它为二次加 工装置提供原料，并直接提供部分油品。原油蒸馏装置和操作的好坏，对炼油厂 的产品质量、收率以及对整个炼厂的经济效益等产生很大影响。 1 1 2 原油蒸馏生产原理 原油蒸馏是通过加热、汽化、分馏、冷凝和冷却等传质传热过程，将原油切 割成一定沸点范围的馏分，这种切割在精馏塔内进行。 原油先和其他热油换热到2 0 5 2 3 0 进初馏塔，塔顶出重整料。初馏塔塔 底油进一步换热，并在常压炉里被加热到3 7 0 。c 左右进常压塔，其中汽油、煤油、 柴油、重柴油等较轻的组分在汽化段汽化成混合油气，蜡油和重油仍然为液体。 混合油气上升到塔的精馏段，与回流液体充分接触，进行传热传质。混合油气中， 沸点较高的组分被冷凝，而回流液体中沸点较低的则汽化。原油蒸馏塔内的温度 由上而下是从高到低分布的，油品的组分由下往上是由重到轻变化的。在气相沿 第一章文献综述 1 1 常减压蒸馏概述 1 1 1 原油蒸馏的地位 第一章文献综述 炼油工业又称石油炼制工业。他是l 三i 原油( 包括人造石油) 为基本原料，通 过常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、延迟焦化、加氢裂化、炼厂气加工、产品 精制等一系列石油炼制工艺过程，把原油加工成各种牌号的汽油、煤油、柴油、 润滑油、溶剂油、中油和石蜡、沥青、石焦油，并生产多种石油化工基本原料的 工业部门。 石油工业是国民经济的基础工业之一，它是一个很重要的化工原材料供应的 加工系统，它的发展水平如何，在很大程度上表明了综合国力和人民生活水平的 高低。我国自从1 9 5 8 年在兰州建成第一座现代化的炼油厂以后，至2 0 0 1 年，已 经发展到全国共有1 2 2 套常减压蒸馏装置，总加丁能力2 6 4 7 5 m t a 的规模”j 。我 国的炼油工业经过近半个世纪的发展，形成了原油蒸馏、热裂化、减粘裂化和制 氨、润滑油生产等完整的石油炼制工艺技术。 原油蒸馏装置是炼油厂的龙头装置，是原油加工的第一道工序。它为二次加 工装置提供原料，并直接提供部分油品。原油蒸馏装置和操作的好坏，对炼油厂 的产品质量、收率以及对整个炼厂的绎济效益等产生很大影响。 1 1 2 原油蒸溜生产原理 原油蒸馏是通过加热、汽化、分馏、冷凝和冷却等1 质传热过程，将原油切 割成一定沸点范围的馏分，这种切割在精馏塔内进行。 原油先和其他热油换热到2 0 5 2 3 0 进初馏塔，塔顶出重楚料。初馏塔塔 底油进一步换热，井在常压炉里被加热到3 7 0 c 左右进常压塔，其中汽油、煤油、 柴油、重柴油等较轻的组分在汽化段汽化成混合油气，蜡油和重油仍然为液体。 混合油气上升到塔的精馏段，与回流掖体充分接触，进行传热传质。混合油气中， 沸点较高的组分被冷凝，而回流液体中沸点较低的则汽化。原油蒸馏塔内的温度 由上而下是从高到低分布的，油品的组分由下往上是由重到轻变化的。在气相沿 由上而下是从高到低分布的，油品的组分由下往上是由重到轻变化的。在气相沿 第一章文献综述 塔逐步冷凝的过程中，煤油、轻柴油、重柴油在各自对应蒸汽压的泡点温度下从 侧线抽出，而汽油和不凝气在回流罐分别抽出。 由于塔顶产品与从塔侧抽出的产品必然会混有少量的低沸点物质。因此，侧 线抽出的液体必须在汽提塔用水蒸气把低沸点物质汽提出来，才能得到合格的侧 线产品。 常压重油中3 5 0 以上的高沸点馏分是加氢裂化、催化裂化和润滑油的原 料，由于原油在高温下会发生裂解反应，所以在常压塔的操作条件下不能获得这 些馏分，只能在较低温度下通过减压蒸馏获得。 1 1 _ 3 常减压蒸馏流程【3 】 原油蒸馏的工艺流程按照原油经过加热后汽化的次数分为一级蒸馏、二级蒸 馏、三级蒸馏和四级蒸馏。目前大多数炼油厂最常用的原油蒸馏流程是三级蒸馏， 图1 1 为燃料型原油蒸馏的典型流程，该流程为三级常减压蒸馏流程。三级 蒸馏流程包括三个部分：原油初馏、常压蒸馏和减压蒸馏。 对于三级蒸馏流程，根据产品用途的不同，可将原油蒸馏工艺流程大致分为 燃料型、燃料一润滑油型和化工型三类。 l 、燃料型 燃料型流程初馏的主要作用是拔出原油中的轻汽油组分。常压蒸馏的主要作 用是分出原油中沸点低于3 5 0 的轻质馏分油。减压蒸馏的作用是从常压重油中 分出沸点低于5 0 0 的高沸点馏分油和渣油。 燃料型三级汽化原油蒸馏工艺流程的特点有以下几个： ( 1 ) 从初馏塔顶得到的产品轻汽油是良好的催化重整原料，其中砷( 催化 重整催化剂的有害物质) 量小，且不含烯烃。所以，加工含砷量高的原油，生产 重整原料时均设初馏塔。然而，加工含砷量高的原油而不要求生产重整原料，或 加工原油含砷量低，则可采用闪蒸。闪蒸塔与初馏塔的区别在于前者不出塔顶产 品，无冷凝和回流设施，塔顶蒸汽进入常压塔中上部：而后者出塔顶产品，因而 有冷凝和回流设施。如果加工的原油含轻馏分很少，也可不设初馏塔或闪蒸塔， 即采用两级蒸馏流程。 ( 2 ) 常压塔可设3 4 个侧线，生产溶剂油、煤油( 或喷气燃料) 、轻柴油、 重柴油等馏分。 ( 3 ) 减压塔侧线出催化裂化或加氢裂化原料，产品较简单，分馏精度要求 不高，故只设2 3 个侧线，不设汽提塔，如对最下一个侧线产品的残炭值和重 金属含量有较高要求，需在塔进口与最下一个侧线抽出口之间设1 2 个洗涤段。 4 第一章文献综述 5 一。d扫一矗-iio一苗li一苗一勺一一o q它jiuo廿uoi山_【。_【髓一 一刹萁鬟v磷避桐h副球避糕螺避i_i匝 第一章文献综述 ( 4 ) 减压蒸馏可以采用干式减压蒸馏工艺。干式减压蒸馏一般采用填料而 不是塔板。它的主要特点是，填料压降小，塔内真空度提高，加热炉出口温度降 低，使不凝气减少，塔顶冷凝冷却负荷降低，冷却水用量减少，能耗降低等。因 此，干式减压蒸馏被广泛地应用于原油蒸馏装置中。 实际上，也有采用板式塔的湿式减压蒸馏，这种减压蒸馏塔的特点使：塔板 数少( 由于分馏精确度要求不高) ，中段循环回流取热比例较大，以减小塔中的 内回流。缺点是塔板压降较大，为保证一定的拔出率，必须依靠少量过热水蒸汽 来降低油气分压，湿式减压蒸馏工艺正被干式所取代。 2 、燃料一润滑油型 燃料一润滑油型流程常压系统与燃料型基本相同。减压系统流程较燃料型复 杂。减压塔要出各种润滑油馏分，其分馏效果的优劣直接影响到后面的加工过程 和润滑油产品的质量，所以各侧线馏分流程要窄，塔的分馏精确度要求较高。为 此，减压塔一般是采用板式塔或塔板一填料混合式减压塔，塔板数较燃料型多， 侧线一般是4 5 个，而且有侧线汽提塔以满足对润滑油馏分闪点的要求，并改 善各馏分的馏程范围。而且，必须控制减压炉出口的最高温度不高于3 9 5 c ，以 免油料因局部过热而裂鳃，影响润滑油质量。减压蒸馏系统一般采用在减压炉管 和减压塔底注入水蒸气的操作工艺。注入水蒸气的目的在于改善炉管内油的流动 状况，降低减压塔内油汽分压，避免油料因局部过热裂解，提高减压馏分油的拔 出率。 3 、化工型 化工型原油蒸馏的工艺流程一般比较简单，常压蒸馏系统一般不设初馏塔而 设闪蒸塔，闪蒸塔塔顶油气引入常压塔中上部。常压塔设1 2 个侧线，产品作 裂解原料，分离精确度要求低，塔板数减少，不设汽提塔。减压系统与燃料型基 本相同。 二级蒸馏装置一般是为重整提供原料的配套装置，常压塔底油直接作重整原 油，不需要分离。为简化流程，降低消耗，采用二级汽化流程。二级汽化的原油 蒸馏流程也可分为燃料型、燃料一润滑油型和化工型三类。在设备上与三级汽化 的最大不同是不设前面的初馏塔或闪蒸塔，其余基本相同。 在实际生产中，个别炼厂还采用四级汽化的原油蒸馏流程，即原油初馏一常 压蒸馏一一级减压蒸馏一二级减压蒸馏。在减压塔的小塔中用钢板封住气相，液 相通过降液管自流到小塔。小塔顶部用抽空器，使小塔残压达到1 1 3 k p a , 处于 泡点的重质油品在高真空下，利用本身显热又进一步汽化，增加拔出率。这种流 程只有在需要从原油中生产高粘度润滑油时才可以考虑，以便从减压渣油中拔出 更多的重质馏分作润滑油原料。 第一章文献综述 1 。2 减压塔及减压深拔的进展 1 2 1 减压塔 原油所含的高于3 6 0 。c 以上的高沸点馏分，如润滑油馏分、裂化原料等，在 常压塔的温度、压力条件下是不能汽化的，再提高温度就会发生分解。因而只能 在减压条件下将常压重油进行分馏，使这些油品在较低的温度下汽化，从而精馏 分离之。视其生产任务的不同，减压塔可分为两种类型：润滑油减压塔，以生 产润滑油料为主，这些馏分经过进一步加工( 精制、脱蜡等) 制取各种润滑油基 础油；燃料型减压塔，主要生产二次加工( 如催化裂化、加氢裂化等) 的原料 3 1 。本文只对燃料型减压塔系统加以介绍。 1 211 燃料型减压塔的工艺流程及其特点h 5 i 燃料型减压塔的主要任务是为下游裂化装置提供原料。对裂化原料的质量要 求主要是残碳值要尽可能低( 即胶质、沥青质的含量要少) ，以免裂化催化剂上 生焦太多。同时还要求控制重金属，特别是v 和n i 的含量，防止催化剂中毒。 裂化原料的馏分组成要求是不严格的，所以对燃料型减压塔分馏精确度的要求就 远较常压塔和润滑油型减压塔为低。对燃料型减压塔的工艺要求可归结为：在控 制杂质含量的前提下，尽可能提高拔出深度以扩大裂化原料的来源。为此，燃料 型减压塔有如下特点： 1 塔顶无冷凝器，塔底无再沸器。为降低塔顶油汽流出管线的流动压降，现 代减压塔塔顶都不出产品，故只采用塔顶循环回流而不采用塔顶冷回流。减压塔 不可能用再沸器代替水蒸汽汽提，原因是减压塔塔底温度一般在4 1 0 c 左右。如 果用再沸器，很难找到合适的热源，而且再沸器也十分庞大。因此减压塔的热量 来源几乎完全取决于经加热炉加热的进料。 2 内回流量很少，甚至为零。原因是减压塔产品是催化裂化或加氢裂化的原 料，因此产品无严格分离要求，侧线全抽出，无下段回流。事实上，在两个侧线 之间，低温的循环回流把该段蒸汽冷凝下来作为产品抽出，所发生的是一个平衡 冷凝过程。这样可以大大减少甚至基本消除塔段的压降，以提高汽化段的真空度， 从而提高馏分油的拔出率。 3 采用中段回流的取热方式。为了减少内回流量，使塔内汽相尽快冷凝下来， 必须用循环回流取走塔内热量，因此，减压塔内中段回流和取热都很大。 4 在汽化段上面设有洗涤段。为了降低馏出油中残碳值和重金属的含量，从 减三线分出一部分作为洗涤油循环回流到下一段。这里一般不另设循环回流，一 第一章文献综述 则是为了简化流程，- n 是为了有效地防止混入减压馏分油中的杂质，原因是现 在多倾向认为：馏出油中残碳值和重金属多半是从汽化段挥发上去的，因此用顺 应于平衡组成的液相回流以精馏的方式除去这些杂质，要比用与塔内浓度梯度不 相适应的外来循环回流冲洗效果更好一些。 5 采用全填料，多侧线，全抽出。 进料 炉管蒸 气 燕汽 图l - 2 湿式及微湿式减压塔( 有汽提段) f i g 1 2 w e t & d u m pv a c u t l l nc o l u m n ( w i t hs t r i p e ds e g m e n t 、 进料 炉管蒸汽 空 图1 - 3 干式及微湿式减压塔( 无汽提段) f i g 1 - 3d r y & d a m pv a c u u mc o l u m n ( w i t h o u ts t r i p e ds e g m e n t ) 第一章文献综述 1 2 1 2 燃料型减压塔的操作模式【6 1 工业运行中的燃料型减压塔通常有四种操作模式：干式( 无汽提段，也不用 炉管蒸汽) 、湿式( 有汽提段) 、无汽提的微湿式( 用炉管蒸汽来调节汽化段的油 汽分压) 、带汽提的微湿式( 炉管蒸汽与汽提蒸汽并用) ，分别见图1 2 和图l - 3 。 1 2 2 减压深拨技术研究现状【7 捌 1 2 2 1 影响减压蒸馏装置拔出率的因素 影响减压装置拔出率的主要因素是减压塔进料段的油气分压和温度，进料温 度越高，或烃分压越低，则进料段的汽化率越大，总拔出率越高。图l ，4 是根据 美国德克萨斯州的常压渣油做出的实验结果| 9 j 。此图描述了温度和压力对减压装 置拔出率的影响。 减压塔内的结焦问题也是一个不容忽视的因素。减压塔内的生焦是由烃的热 裂解产生的，热裂解的程度受烃在加热炉、塔底、塔的闪蒸区和回流区的温度和 停留时间的影响。因此，为了避免油品分解，保证减压蒸馏的产品质量，对减压 炉出口温度要加以限制，所以，深拔主要通过降低进料段的油气分压来实现。 ：l = = = ：、o 铀。 1 、 、： 萋 岷 ：、。h 、一 ：二二三：寒：= = = ：二= ：、 、 之三孓专 o ：i ： 闪藉段强度 图1 4 减压瓦斯油拔出率 f i g 1 4g a s o i ly i e l d 12 2 2 提高减压拔出率的可能性 由减压塔全塔热平衡可推知：减压拔出率约等于减压塔进料的汽化奉( 减压 塔通常有l ，2 的过汽化度) 。因此，只要在避免油品分解的条件下，一切能提高 常压渣油在塔进料段汽化率的措施都是可行的。 国内传统炼油厂减压塔的最高拔出温度低于5 4 0 * c ，而石油研究实验室使用 高真空短程蒸馏仪，通过降低减压塔真空度和缩短蒸发距离，对大庆、辽河及鲁 宁管输常压渣油进行深拔研究，结果表明最高拔出温度可提高到6 2 5 。c t 叫。国外 第一章文献综述 资料川也表明：对常压渣油进行高真空的短程蒸馏，切割点最高可达1 1 6 5 。f ( 6 2 9 ，44 c ) 。英国u f f i n g t o n 、瑞士b u s s 、法国b u s s - - s m s 公司联合实践采用的 高真空薄膜蒸馏深拔增产催化裂化( f c c ) 进料h v g 0 1 1 2 证明：高真空薄膜蒸 馏可多回收5 0 6 0 重质馏分油，其沸程为5 5 0 5 7 0 * ( 2 ，且金属和沥青质含量低。 通过对三种原油进行验证，表明所产生重质馏分油适宜作催化裂化原料、润滑油 原料或生产石蜡。这一技术已在化工和石油化工中得以验证。 另外，据统计，国内许多减压渣油中低于5 0 0 馏分含量大于8 ，低于5 3 8 馏分含量大于1 0 。而国内的研究结果表明，我国大庆渣油中1 4 1 3 的馏 分是良好的裂化原料。由此可见，减压瓦斯油收率提高尚有潜力可挖。 12 2 3 提高减压蒸馏装置拔出率的途径 提高减压拔出率最有效的途径是降低闪蒸区的压力。据报道 1 ，在汽化段 温度( 3 9 9 ) 不变的情况下，汽化段操作压力从1 3 3 3 k p a 降到2 0 k p a ，可使重 质阿拉泊油的减压渣油产率从3 7 降到2 5 ( 占原油) ，降低了1 2 。而汽化段 压力的降低受制于汽化段到塔顶的总压降和塔顶抽真空系统的操作，因此，提高 减压拔出率主要是通过降低全塔压降和提高塔顶真空度来实现的。 如何实行全塔的低压降是一个非常关键的技术。采用低压降的填料和塔内件 是一行之有效的举措：国外最新设计的燃料型减压塔，在各中段回流取热段采用 了空塔喷淋取热技术，大大降低了全塔压降。 要实现塔顶的高真空度就要减少塔顶不凝气的排量。首先要防止塔底不凝气 的产生，还要采用高效的抽真空系统，另外，常压塔拔出要彻底。 12 2 4 国内外减压深拔技术研究进展 由于国内外原油有日益变重的趋势，而重质原油与轻质原油最明显的不同就 是减少了直馏轻质馏分，增多了渣油。这样，炼油工作者就面临了严峻的挑战， 即如何采用新技术来提高拔出率以取得较多的直馏馏分油和较好的经济效益。近 些年来，许多学者| 1 4 - 1 8 1 己对减压深拔技术进行了较为深入的研究，一些研究成 果已成功地应用到了生产实践，并取得了很大的经济效益。国外加工原料较轻的 原油，如布伦特油或高硫阿拉伯轻质原油，切割点可以达到6 0 7 2 6 3 5 ：加工 重质原油或沥青质含量高的原油，切割点可以达到5 6 5 6 5 9 3 1 3 1 9 】。而基于目 前国内的生产技术水平和原油性质，通常认为切割点大于5 4 0 才称得上深拔。 减压塔系统是包括减压炉、转油线、减压塔及真空系统在内的系统工程，须 对各部分全面加以研究和改进才能实现减压深拔。 在国外，美国k b c 公司 2 0 j 的原油深度切割技术，主要根据测试数据进行原 油及减压蒸馏装置的模拟，提高常压塔减压塔的切割点，并通过减压塔缩径以 第一章文献综述 改进切割点和全厂的优化，使减压蒸馏切割点达到6 0 7 6 2 1 。美国g l i t s h 公 百- - - 6 1 通过优化减压蒸馏装置，提高了重减压瓦斯油的切割点又保证一定的质量。 m o b i l 石油公司深度切割减压蒸馏( d c v d ) 的目的是提高减压瓦斯油( v g o ) 收率和瓦斯油的精确分离【2 1 1 。其基本原理是在减少液体渣油夹带的同时使减压 塔闪蒸段达到最低的压力和最高的温度。其主要特点是减压塔具有闪蒸段脱夹带 升气管的专利性分馏设备。 近年来国内许多研究人员也曾对常减压蒸馏深拔技术作了一系列积极有益 的探索，并取得了很大的进步。总体来讲，可归结为：低压降和低温降的转油 线；塔顶的高真空系统；低压降的新型填料：新型、高效的气体分布器和 液体分布器：进一步改进了洗涤段的设计与操作，强化了洗涤段的分馏概念： 开发了用于减压塔的过程模拟软件。 但总体来讲，在减压深拔问题上，目前国内常减压装置的技术水平和国外存 在较大的差距。国外常减压装置的设计标准是将减压渣油的切割点定在5 6 5 6 c 。 有不少国外文献在讨论减压深拔问题时，所指的深拔是指减压渣油的实沸点切割 点在5 6 5 以上。而国内多数常减压装置的实沸点切割点都在5 4 0 以下，有一 些常减压装置的实沸点还在5 2 0 以下。所以我国常减压蒸馏装置的深拔尚有很 大的潜力。 1 3 石油化工模拟系统的开发与应用 1 3 1 原油精馏塔的过程模型化 现今，工艺模型对工艺的评估和设备的设计是一个强有力的工具。许多工厂 的改进和几乎所有的新设计都是从现有的或计划中的计算机工艺模型开始的。这 种模型可以对工艺参数、将要遇到的问题和所有设备进行检测【z “。 对于原油这样的复杂物系蒸馏，其常规的过程模型化方法是把原油按实沸点 蒸馏馏程分割成一系列窄馏分，每个窄馏分被看成是一个虚拟组分，然后基于平 衡级建模原理，对平衡级建立物料平衡方程( m ) 、组分相平衡方程( e ) 、各平 衡级的热量平衡方程( h ) 以及摩尔分率归一化方程( s ) ；最后联立求解此m e h s 方程组。此法为联立方程法，另外常用的模拟方法还有序贯模块法和联立模块法 【列。国内学者1 2 4 0 5 1 也提出了诸如功能模块法和真组分法等模拟方法。现有的原油 精馏塔的严格算法有：逐板法 2 6 】；e 法及改进的e 法1 2 7 , 2 8 ：泡点( 露点) 法( 也称三对角矩阵法) 【2 9 吲】：流量加和法( s r 法) 1 3 2 ； n e w t o n - r a p h s o n 法( n r 法) 【3 13 4 ；松弛法【3 5 。 第一章文献综述 本文将要进行的减压深度切割操作象其他的系统一样需要建立一个工艺模 型。模型能降低工艺上的风险，对所需设备进行分析。在深度切割的升级更新过 程中，对现有设备进行评估时应包括一个工艺模型。 1 1 3 2 常减压蒸馏装置的计算机模拟 利用计算机模拟优化炼油及化工装置的操作，使之经常处于最佳操作工况以 提高生产的经济效益，是国内外均在努力发展的高新技术之一。常减压蒸馏装置 是炼油企业的“龙头”，是原油深度加工的基础。因此，利用计算机模拟优化常 减压蒸馏装置的操作，以提高装置的总拔出率，已日益成为国内外关注和研究的 课题。 近二十年来，国内外炼油工作者对常减压蒸馏装置的模拟优化进行了大量的 研究工作，并取得了满意的结果。如国外开发了h y s y s 、p r e o c e s s 、a s p e n 等化工流程模拟软件，这些软件大多是以现场生产数据( 计算机实时采集数据或 历史数据) 及各种操作参数之间的经验关联为基础，应用数理统计方法建立统计 型的数学模型，其精馏计算模块均建立在“平衡级”模型基础上。因此，考察一 个模拟软件计算结果与工程实际的吻合程度，主要是看所用软件数据库的准确 性。在工程应用中，软件开发人员必须重视对软件数据库的工业修正和补充。 国内炼油工作者对常减压蒸馏模型化的研究也取得了可以信赖的结果。如镇 海石化总厂开发的石油数据及常减压蒸馏操作过程模拟计算与优化系统1 36 j ：浙 江大学化工系基于油品的蒸馏数据，利用炼油工业中已积累的一整套经验图表和 关联式，开发了一个快速简便的原油常减压蒸馏过程模拟系统1 2 4 7 1 ，具有较快 的模拟速度和满意的模拟精度。清华大学【38 l 在补充模块、研究系统联接的基础 上，完成了炼油厂常减压蒸馏装置( 减压塔为燃料型) 的完整模拟系统。石油化 工科学研究院1 3 川开发的常压塔简捷计算模拟软件，利用将油品切割成虚拟组分 的方法，使其能够应用各种理论公式和经验模型。它具有计算速度快、收敛性能 好和计算精度较高等特点，为进一步实现常压蒸馏塔的模拟和优化控制奠定了基 础。 1 3 3 燃料型减压塔的吸收型算法 燃料型减压塔是炼油厂常见的一类减压塔，由于其工艺流程的复杂性以及其 固有的非线性、关联偶合等特性，使得现有的商品化软件h y s y s 、p r e o c e s s 、 a s p e n 等也不易收敛。在减压塔计算中，通常是通过调节中段回流和各侧线产 品量来使全塔达到平衡。 第一章文献综述 针对燃料型减压塔的工艺流程及特点，目前燃料型减压塔通常采用吸收型算 法5 4 0 1 ，并应用流量加和法进行求解。即可把干式操作减压塔看作一绝热闪蒸过 程与多个吸收过程的串联；对于湿式操作减压塔，可看作一汽提过程与多个吸收 过程的串联。该算法的主要优点是：由于在每一中段换热不出现全抽出操作，因 而没有地方出现液相流量为零，这就避免了流量校正过量而为负值的现象，保证 迭代计算过程的顺利进行。 1 4 填料的发展和填料流体力学- 陛质 1 4 1 填料的发展与应用 4 1 】 填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相接触传质与换热的表面，与塔 内件一起决定了填料塔的性能。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规 整填料两个方向进行。 填料塔的研究已有较悠久的历史，最初的填料可以追溯到焦炭、瓦砾、石块 之类不定形的原始阶段。1 9 1 4 年拉西环( r a s h i n g r i r t g ) 填料的出现是填料的一 个重大突破，这种填料较之使用无定形填充物的填料塔其通量和传质效率都有了 很大提高，从而使填料塔进入了科学发展的轨道上来。但由于填料塔的“放大效 应”，在很长一段时间里填料塔的应用仅限于巾5 0 0 m m 以下的小塔。 在散装填料发展的同时出现了规整填料，其最早出现可以追溯到本世纪初 m 】。规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料。它规定了 气液流路，改善了沟流和壁流现象。压降小，可以提供更多的比表面积，在同等 客积中可以达到更高的传质、传热效果。规整填料还由于结构均匀、规则、对称 性，在与散装填料具有相同的比表面积时，填料的空隙率更大，具有更大的通量， 综合处理能力匕板式塔和散装填料塔大得多，因此以金属板波纹为代表的各种通 用型规整填料在工业中得到广泛应用。 尽管规整填料出现的很早，但是直到6 0 年代才有实质性进展。1 9 6 2 年瑞士 苏尔寿公司首先报道了效率高、通量大、压降低、持液量小的金属丝网波纹填料， 特别适用于沸点接近、热敏性难分离的物系真空精馏。同期美国格利奇公司研制 出高通量、低压降、抗堵性能好、成本低的栅格填料”，适用于物料较脏的场 合。 在2 0 世纪7 0 年代前，填料塔技术虽有一定的发展，但主要应用于小型的传 质分离过程，大型的传质分离过程仍以传统的板式塔为主。7 0 年代初出现的能 源危机，迫使塔器得到快速发展，在这个时期规整填料得到迅猛发展。7 0 年代 第一章文献综述 末，苏尔寿公司开发了板片波纹型填料，这是一种通用型填料，在若干工业领域 中取代板式塔和散装填料塔，使规整填料的开发及工业应用取得突破性进展。此 后，规整填料新品种层出不穷。l s p i e g e l 和w m e i e r m i 通过分析了填料的发展 历史，得出当今填料发展的创新周期加快，并分析了填料技术发展可能取得进展 的领域。 我国从6 0 年代初开展对规整填料的系统研究工作，开发至今已形成一个较 为完整的研究、生产体系，并已研制出与国外水平一致的系列规整填料产品，同 时开创了新的网孔波纹填料等系列产品。 1 4 2 填料塔的流体力学理论进展 填料塔的流体力学性能是其理论研究的1 个主要方面，填料流体力学性能主 要是指持液量、载点、液泛点和压降等。气液两相在填料层的流动和分布规律是 研究填料塔流体力学性能的基础和重点。国内外许多专家学者已对此进行了大量 的研究工作 4 5 , 4 6 1 ，并取得了很大的进展。 在填料层液体流动分布规律方面，较早的研究理论是t o u r 和l e r m a n 用来解 释填料层中的液体滴流流动的随机游动机理。1 9 5 7 年c i h l a 和s c h m i d t 在随机游 动机理的基础上提出了径向扩散模型，得出液体分布特性是高斯正态分布函数， 在当时得到了较广泛的接受。l eg o f r 和l e s p i n a s s e 提出了液体沿优先路径流动 的模型。p o r t e r 和j o n e s 首次结合随机游动模型和优先路径模型提出了溪流模型。 k o l a r 和s t a n e k 将塔壁处和填料层内的液流间的关系类比作为对流传热过程，提 出了边界条件，得到了较好的结果。o n d a 等人用类似迁移的机理提出了较新的 边界条件，并认为壁流集聚的推动力是平衡壁流率与实际壁流率之差。而d u t k a i 和r u c k e n s t e l n 则用吸收机理来描述塔壁区内液体的集聚过程。上述研究大多数 是在直径较小的塔中进行的，且以过于简单和理想化的一维扩散模型和经验模型 为主。自2 0 世纪7 0 年代以来，各种新型高效填料陆续研究开发，填料塔的大型 化，塔的放大效应即塔径放大而导致塔填料效率降低的现象促使对塔内液体分布 规律的研究日益受到重视。1 9 9 9 年，b i l l e t 和s c h u l t e s 在大量实验和数据的基础 上提出了适应于散装和规整填料的估算传质系数、压降、载点、泛点和持液量等 的模型【4 ”。张泽廷、余国琮1 , 1 9 , 4 9 】等用状态离散、时间离散的m a r k o v 过程模拟液 体在填料层的复杂流动，先后提出了假一维模型、二维模型及二维混合池随机模 型等数学模型。袁孝竞等也针对大塔提出了扩散方程的新的边界条件。在气体流 动分布规律方面的研究中，由于气体的流动性远大于液体，加上气体流速测量的 困难，迄今尚没有1 个较为合理和合适的流动模型，但仍有不少学者对这方面作 了一定研究。由于测气速的方法、设备和条件的不同，关于气速分布规律也有不 1 4 第一章文献综述 同看法。c a i m s 等认为壁区速度较大，m e g r e a v y 等人先后发现塔中气体速度的 径向分布不只1 个峰，而且壁区峰值也不一定最大。 1 4 3 填料塔流体力掣5 0 】 气液两相接触状态、填料床层压降，填料塔的持液量等是填料塔流体力学研 究的重要内容。下面将对其分别作一下介绍。 1 4 3 1 汽液接触状态 实验研究填料塔中汽液两相的接触状态总是和汽，j 压降的研究结合在一起 的。汽体通过干填料层的压降与空塔汽速的关系在双对数坐标上为直线( 如图 1 5 ) 。 j 墨 i 私c 一 图1 5 填料塔压降p 与空塔汽速u g 问的关系 f i g 1 - 5p r e s s u r ed r o pa pa n dg a sv e l o c i t yu gi np a c k e dc o l u m n 当填料塔中喷淋液体时，液体在填料表面成膜而下流，从而占据了塔中一部 分孔隙，使供汽体流动的自由空间下降，床层中汽流实际速度增加，喷淋液量越 大，此下降比例也越大，所以液体流率大的曲线位于图中左上方。在喷淋密度保 持恒定的条件下，在空塔汽速比较小时，汽体的流动对液膜流动的影响可以忽略， 液体占据的空间维持不变，此时仅造成汽体流经床层的自由空间减小某一定值， 从而使填料阻力降有所增加，但压降与空塔汽速间变化规律与流经于填料层时的 相同，如图l 一5 的a b 和a b 、表明的那样。当空塔汽速增至b 和b 所示的值时， 向上流动的汽体对液膜流动产生了牵制作用，随空塔汽速的逐渐增长，液膜下降 速度逐渐减小，因此床层中液