在常减压装置增加氧化流程生产道路沥青的研究.docx

李晓明( 中海油青岛重质油加工工程技术研究中心有限公司，山东 青岛 266555)摘要: pl 193 原油属于重质原油，其中的沥青组分占原油的比重很大，普通的常减压蒸馏装置经过生产，从减压塔底只能生产出 燃料油。早期的氧化设备是单独釜，现已发展为单塔或多塔串联的连续氧化沥青工艺。原料油经加热炉加热到 260 280 进入 氧化塔，塔内鼓入压缩空气进行剧烈搅拌，进行氧化。所生产的氧化沥青进入成品罐，然后送往成型、包装，得到的产品主要是建 筑沥青。生产道路沥青一般采用浅度氧化工艺，单塔连续操作，渣油进塔温度为 190 210 。随原料不同，生产的沥青标号不同， 操作条件也不尽相同。增加氧化流程后，生产出的渣油针入度在 70 90 之间，可以生产标号 70 #和 90 #的道路沥青。不仅给炼厂 带来经济效益，而且减少环境污染。本文主要进行了沥青氧化塔的计算，通过计算液相部分的直径和高度、气相部分直径 dv 和气 相部分高度、空气耗氧量、原料入塔温度、气相部分注水量、塔内空气分配管等得到最合理化的设备提高效益。关键词: 重质原油; 沥青; 包装; 氧化中图分类号: tq522 65文献标识码: a文章编号: 1008 021x( 2014) 03 0105 031前言从原料生成沥青，要经过一系列的氧化、聚合、缩合和脱 氢反应的过程，放出水和少量 二 氧 化 碳，并放出大量的热。 在反应过程中，和沥青反应的氧的主要部分出现在尾气中， 其余的氧则化合后进入吹制产品中。其反应可用下式表示:cx hy + o2 cx hy h2 o + h2 o + 热量 上述的反应过程，大致经过三个阶段: 氧化诱导阶段、加速反应阶段和反应迟滞阶段原料和空气中的氧接触时; 需要经过一段时间才有显著 的反应发生。这个阶段即为氧化诱导阶段，或称氧化引发阶 段。其主要特征是反应物软化点无多大变化，氧消耗量低。 如果在反应物中加入一些过氧化物，可使氧化反应的诱导期 缩短，提前进入加速度应阶段，使总的氧化时间缩短。在沥青原料中加入适量的三氯化铁 ( fecl3 6h2 o) 高 锰酸钾、硫磺粉、松香等，都可使氯化诱导阶段时间缩短1。 其中以三氯化铁的效果最显著，加入量为 1% 时，可提高氧 化速度 4 5 倍。加速反应阶段是由原料生成沥青的主要过程。在这个 阶段内，激烈地进行着氧化、聚合、缩合和脱氢反应，并放出 大量反应热。其主要的特征是反应物软化点迅速上升，氧消 耗量显著增加。当加速反应阶段结束后，便自动进入迟滞阶 段。在这个阶段，反应继续进行，其主要特征是氧的消耗量 大大减少，沥青软化点上升很慢。2氧化沥青装置的设计2 1设计依据及装置组成2 1 1 设计依据( 1) 原料性质: 软 化 点，针 入 度，延 度，比 重， 500 馏 分的含量，100 时的黏度，蜡含量，沥青质和胶质含量等。( 2) 所要求的产品标号、规格及数量。( 3) 主要操作条件: 氧化时间、氧化温度、空气耗量 ( 或 根据原料性质与经验选取) 率。( 4) 沥青收率、副产馏出油和尾气的产量及损失 ( 或根据原料性质与经验选取)( 5) 按原料性质选取年开工天数。2 2 2 沥青氧化塔设计目前各厂使用的沥青设备，按结构形式可分为氧化釜和 氧化塔两类。在进行氧化塔的设 计 计 算 时，为了提高氧化塔的利用 率，塔内装料高度可根据设备条件的许可，在 10 15m 范围 内选择，并据此算出所需塔径。塔内气提空间高度应不小于 6m。关于塔上的开口位置，原料入塔管线可在塔的底部、中 部和上部开口; 在上部开口时，位置应高出液面。空气管线、 安全蒸汽管线、注水管线( 包括气相和液相注水管线) 的开 口位置应高出液面 3 4m。最好在塔的顶部开口。在沥青 氧化塔中沿塔壁应设置直梯，在距塔顶 2 5 3m 处设置支 撑横梁或沿塔壁设环形走台，供检修与清焦时使用。环形走 台踏板宜用钢筋制作，并留较宽的档距。2 2 3 塔内空气分配管的设计目前使用的空气分配管有两种形式; 一种为篦式结构， 一种为喷嘴式结构。( 1) 篦式 结 构: 属于早期设计的一种，采 用 的 比 较 多。 其结构是在总管两侧对称地等距离分布 8 12 根支管，成篦 状。总风管一般用 dg150 dg200ml 钢管制作，直管一般用 dg40 dg50ml 钢管制作。在支管上朝下开 1 3 排风孔，开 孔交错排列，孔径 10 15ml 孔距由总风管向外逐渐缩短， 其目的是使空气分配均匀2。为防止在停止工作时总风管 内存积沥青，在总风管的底面要开若干个出风出油孔。篦式 结构的缺点是容易结焦，堵塞出风孔，使用周期短，法兰接口 多，检修装卸麻烦，总风管太重搬运不方便。由于有这些缺 点，所以各厂都在进行研究改革。( 2) 喷嘴式结构: 由总风管和喷嘴组成。总风管用 dg80 dg100ml 的钢管制作，分为两段，中间用法兰连接。在每 段上等距离设 4 个空气喷嘴，两段上的喷嘴方向相反，喷嘴收稿日期: 2014 02 14作者简介: 李晓明( 1985) ，助理工程师，从事炼油行业。106山 东 化 工shandong chemical industy2014 年第 43 卷由 15 16ml 的锥形孔制成，焊接在总管上。使用周期长。 结焦时，装卸方便省力，容易搬运。因此这种喷嘴被广泛采 用。3沥青氧化塔计算氧化塔是氧化沥青装置的核心设备，塔内构件主要包括 栅板塔板、空气分布管和气相注水喷嘴，这些内部构件的设3 4气相部分直径 dv 和气相部分高度氧化沥青塔的气相部分直径和气相部分的高度也是决 定氧化沥青性质的关键因素，因此这部分的计算很重要。 ( 4)计是否合理，将直接影响到装置的处理能力和安全生产。空 气分布管各厂情况基本相同。3 1计算内容用氧化法生产高软化点的沥青( 如建筑沥青) 是比较成 熟的工艺，国内已普遍采用。共经历了间歇式氧化釜，连续 式氧化釜和连续式氧化塔三阶段。通过合理的计算，得到最 合理化的设备可以提高效益。计算的内容主要分为 6 个方 面:( 1) 液相部分直径和高度;( 2) 气相部分直径和高度;( 3) 空气消耗量;( 4) 气相部分注水量;( 5) 原料入塔温度;( 6) 塔内空气分配管的计算。式中: f 气相部分截面积，m2 ;vqv 气相部分气体体积流率，m / s;uv 气相允许线速度，m / s，一般取 0 1 0 12m / s。当计算结果 fv = fl 时或者两者相近时，可取 fv = fl 。槡d =fv( 5)v0 785式中: dv 气相部分直径，m。氧化塔气相部分高度 hv 1 5dv 一般按不小于 6m 选 取，则氧化塔总高 h = hl + hv ( m)3 5空气耗氧量氧化沥青中的氧来源于空气，空气中的氧的数量是一定 的，通过空气耗氧量的计算，可得知空气的耗量，从而可以合 理的选择相关设备。( g / 1000) b 22 43 2计算需要的数据只有相关的数据精确性才能计算出设备的合理性，氧化 塔的设计数据主要有以下几点:v0 =( c e) /100g b 2 24( 6)c e( 1) 原料性质: 包括馏分范围、重度、闪点、软化点; ( 2) 原料进塔流量;( 3) 氧化时间，由实验给出，或选用生产实践数据;( 4) 塔内氧化反应温度，选用生产实践数据;( 5) 氧化塔顶温度，兰炼三年的生产实践数据，塔顶温 度在 150 160 之间，氧化塔未结焦，操作平稳;( 6) 每吨原料耗氧量，用 923 减压渣油生产 10 号建筑 沥青时，耗氧量为 1 23kmol / t 原料;( 7) 氧化塔尾气含氧量;( 8) 氧化塔气相线速。3 3液相部分的直径和高度沥青的氧化时间很重要，通过氧化时间计算可以精确的 得到合理的液相部分的直径和高度2。v = g( 1)式中: v 塔内液相有效容积，m3 氧化时间，h; g进塔原料流率，kg / h; 原料在进塔温度下的重度，kg / m。ve式中: v空气耗量，m3 / r; b原子耗氧量，kg / t; c空气含氧量，体积分数，% ;e氧化尾气 含 氧 量，体 积 分 数，% ，参 照 兰 炼 塔 式 氧化沥青装置测定的数据，可按 7% 10% 选取3。3 6原料入塔温度原料的进塔温度影响之大，其中的氧化反应热，热损失， 氧化塔下半部的热平衡决定了氧化沥青的性质质量，合理的 进料温度能提高氧化沥青的性能。3 6 1 氧化反应热q = 63000bg( 7)式中: q氧化反应热，kcal / h;63000每千克分子氧的放热 量，kcal / kmol，系 环 烷 基原油的渣油在氧化反应温度为 279 287 时，软化点由 40 左右升至 100 左右时的数据。3 6 2 热损失ql = a( t1 t2 )( 8)式中: ql 氧化塔热损失，kcal / h; a氧化塔外表面积，m2 ;hfl =lfl( 2)t1 保温层外壁温度， ;t2 大气温度， ;dl = 槡0 785( 3) 传热系数，kcal / ( m2 h ) ，当保温层外壁温2式中: fl 液相部分截面积，m ;hl 液相部分高度，米对于塔式氧化沥青，可选 10 15m 范围内选取 ;d液相部分直径，m。度为 60 ，大气温度 20 时，由纳尔逊炼油工程查出 = 15kcal / ( m2 h ) 。3 6 3 作氧化塔下半部热平衡，求取原料入塔温度原料与空气平衡关系示意图见图 1 和表 1。第 3 期李晓明: 在常减压装置增加氧化流程生产道路沥青的研究107表 1 原料与空气平衡关系4物料名称流率 / ( kg / h)温度 / 相态热焓 / ( kcal / kg)热量 / ( kcal / h)入方原料空气gt3液i1gi1空气 反应热 小计v0t1气i2v0 i2qgi1 + v0 i2 + q 出方成品沥青g 1t5液i3g1 i3馏出油g2t5气i4g2 i4氧化尾气 热损失 小计g3t5气i5g3 i5qg1 i3 + g2 i4 + g3 i5 + q 3 7气相部分注水量气相热平衡示意图见图 2 和表 2。在计算注水量前先 要确定氧化塔塔顶温度，然后作氧化塔上半部热平衡，求注 水量。从表 2 得:g2 i4 + g3 i5 + gx i6 = g2 i7 + g3 i8 + gx i9g2 ( i4 i7 ) + ( g3 ( i5 i8 )gx =i9 i6( 10)图 1 原料与空气平衡关系示意图从表 1 得:gi1 + v0 i2 + q = g1 i3 + g2 i4 + g3 i5 + q g1 i3 + g2 i4 + g3 i5 + q v0 i2 q上式的右方均为已知常数，所求 g 既为气相注水量。i1 =( 9) g上式右方均为已知数，故求出原料的热焓后，即可查得 相应的原料入塔温度 t3 。图 2 气相热平衡示意图表 2 气相热平衡5物料名称流率 / ( kg / h)温度 / 相态热焓 / ( kcal / kg)热量 / ( kcal / h)入方馏出油g2t5i4g2 i4氧化尾气g3t5气i5g3 i5注入水gxt5液i6gx i6小计g2 i5 + g3 i5 + gx i6出方馏出油g2t7气i7g2 i7氧化尾气g3t7气i8g3 i8水蒸气gxt7气i9gx i9小计g2 i7 + g3 i8 + gx i93 8塔内空气分配管的计算6氧化塔内空气分配管主要有两种形式: 喷嘴型和篦型。 以篦型设计为例介绍。( 1) 分配管开孔实践证明，为了使空气分配均匀，并防( 3) 开孔数hn =va 0 785d2 u式中: n开孔数量，个;3( 11)止开孔处局部结焦堵塞而造成压降增大，一般开孔取 10 15mm。( 2) 开孔风速一般选取 5 10m / s 为宜。算) ;va 空气 体 积 流 率，m / s ( 按 压 缩机出口状态计 ( 下转第 109 页)第 3 期刘 贺: 伊朗雅达油田 s1 水平井钻井液技术109复杂，加入 0 5% 的 na2 co3 进行预处理，增加钻井液的抗钙 污染能力。同时将钻井液密度提高至 1 44g / cm3 左右，保持 钻井液液柱对地层的正压差，防止潜在高压盐水液体侵入钻 井液。4 3 三开( 1563 3m 3968m) 钻井液技术( 1) 钻井液体系配方: 4% 膨润土 + 0 3% 聚合物 snpm+ 0 2% 烧碱 naoh + 0 2% 纯碱 na2 co3 + ( 2% 3% ) 抗温 抗盐降失水剂 + 0 5% 增粘降滤失剂 snly + 1% 随钻堵漏剂+ ( 2% 3% ) 磺 化 酚 醛 树 脂 + ( 3% 5% ) 液 体 润 滑 剂 + ( 0 3% 0 5% ) 固体润滑剂 + 2% 防塌剂 + ( 2% 3% ) 超 细 caco3 + 1 0% 聚合醇 jhc + ( 3% 4% ) kcl。( 2) 三开延用二开老浆，开钻前开动四级固控设备，将钻井液中的固相含量降低至 10% 以内，有利于后期钻井液 调整与维护。( 3) 在钻水泥塞时把水泥污染的钻井液放掉，防止钻井 液被污染而起泡，同时加入足量的纯碱与聚合物胶液，清除 钻井液中因钻水泥塞而多余的钙离子，提高钻井液的护胶能 力。( 4) 钻头出套管后，按照配方加入各种处理剂，提高钻 井液的抗温抗污染能力及护胶能力，保证钻井液性能的稳 定。( 5) 斜井段钻井液维护处理工艺。 钻进过程中选用 合理的钻井液流变与流型参数。在井斜角小于 45 时，保持 钻井液漏斗粘度在 50s 左右，动塑比在 0 4 pa / mpas 以内， 既保证良好的携岩效果又能对井壁有一定的冲刷作用，有效 破坏岩屑床 的 形 成; 提高钻井液环空返速，在 井 斜 超 过 60后，每钻完一到两根立柱短起下一次，来破坏可能形成的 岩屑床; 清除有害固相，充分利用好四级固控设备，离心机 的使用率应保持在 60% 以上，除去钻井液体系中的劣质固相。( 6) 水平段钻井液维护处理工艺。 控制钻井液流变 性能，漏斗粘度控制在 50 60s，动塑比为 0 4 0 5 pa / mpas，保持钻井液有良好的悬浮携带能力; 每钻进 100 200 m 泵入 6 m3 左右低粘切钻井液，然后再加入 8 m3 左右稠浆 清扫液清洁井筒，提高井眼的清洁度; 坚持短程起下钻措 施，破坏在下井壁形成的岩屑床，采用倒划眼进行短程起下 钻，有效破坏岩屑床; 保证润滑剂含量不低于 4% 5% ， 提高泥饼的润滑性能，使其润滑系数不大于 0 06; 在加入 足量液体润滑剂后，根据工程需要采用固体润滑剂石墨提高 钻井液润滑性能，现场应用表明，固体润滑剂的加量控制在 0 5% 以内效果良好。( 7) 碳酸岩地层微裂缝发育，孔隙度大，钻井液渗漏较 为严重，钻井液中除采用随钻堵漏剂外，加入 2% 3% 的超 细 caco3 增强钻井液的封堵能力。5结论和建议( 1) 上部地层尽量使用 低 分 子 量 cmc lv、pac lv 等降失水剂，在控制钻井液滤失量的同时保持钻井液良好的 流型，有利于冲刷井壁，防止虚泥饼的形成，有效的解决上部 地层起下钻阻卡问题。( 2) kcl 聚合物钻井液体系抑制能力强，满足伊朗雅 达油田水平井施工要求，施工中井壁稳定，起下钻畅通无阻。( 3) 采用液体润滑剂与固体润滑剂复配使用，辅助工程 上的短程起下钻措施，能够破除岩屑床，起到很好的润滑效 果，降低施工中产生的摩阻和扭矩。( 本文文献格式: 刘 贺 伊朗雅达油田 s1 水平井钻井液技 术j 山东化工，2014，43( 3) : 108 109 )檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹( 上接第 107 页)d开孔直径，m; uh 开孔风速，m / s。 ( 4) 出风孔压降2a uh更能提高原油收益，同时