3过程装备与控制工程课件.1 石油加工过程与设备.ppt

第三章过程装备是物质转化的基础 过程装备实验室 2011 3 1石油化工过程与装备 5 乙烯裂解过程中对设备的要求 4 乙烯裂解过程 3 炼油过程中对设备的要求 2 炼油过程 1 石油及石油炼制工业 目录 OilRefining 3 1 1 石油炼制过程 一 石油及石油炼制工业 石油 Petroleum 是一种从地下深处开采出来的呈黄色 褐色甚至黑色的可燃性粘稠液体 常与天然气共存 相对密度为0 75 1 组成较为复杂 是由不同碳数 不同分子量和不同结构的烃类组成的混合物 包括烷烃 环烷烃和芳烃 不同产地的石油也有较大差别 石油是由远古海洋或湖泊中的生物在地下经过漫长的地球化学演化而形成的烃类和非烃类的复杂混合物 一 石油及石油炼制工业 原油因沸点范围宽 组成复杂 一般很少直接用作化工原料 要从原油制取化工原料以及汽油 柴油 航空煤油和润滑油等重要物品 需对石油进行加工 成为石油炼制 OilRefining 二 炼油过程 二 炼油过程 炼油化学过程的目的主要是为了提高H C比和去除有害物质以提高产品品质 增加H C比的方法可以是脱碳也可以是加氢 二 炼油过程 二 炼油过程 目前比较先进的工艺流程示意图 常减压蒸馏 催化裂化 加氢裂化 焦化型 二 炼油过程 1 常减压蒸馏 Distillation 基本途径 将原油先按不同产品的沸点要求 分割成不同的直馏馏分油 然后按照产品的质量标准要求 除去这些馏分油中的非理想组分 或者通过化学反应转化 生成所需要的组分 进而得到一系列合格的石油产品 炼油厂首先必须解决原油的分割和各种石油馏分在加工过程中的分离问题 蒸馏正是一种常用的最经济和最容易实现的分离手段 几乎所有炼油厂中原油的第一个加工过程就是原油蒸馏 称为龙头 例如拔顶蒸馏和常减压蒸馏等 二 炼油过程 常压蒸馏和减压蒸馏习惯上合称常减压蒸馏 常减压蒸馏基本属物理过程 原料油在蒸馏塔里按蒸发能力分成沸点范围不同的油品 称为馏分 这些油有的经调合 加添加剂后以产品形式出厂 相当大的部分是后续加工装置的原料 一次加工主要包括三个工序 原油的脱盐 脱水 常压蒸馏 减压蒸馏 二 炼油过程 易挥发 轻组分在气相得到提浓 难挥发 重组分在剩余液体中得到提浓 原料 二 炼油过程 三段汽化的常减压蒸馏工艺流程 二 炼油过程 2 流化催化裂化 FluidCatalyticCracking 催化裂化是目前石油炼制工业中最重要的二次加工过程 也是重质油轻质化的核心工艺 是提高原油加工深度 生产优质汽油 柴油最重要的工艺操作 裂化的目的是通过裂化反应将高碳烃 碳原子数多 碳链较长的烃 断裂生成低碳烃 同时增加环烷烃 芳香烃和带侧链的烃的数量 从而增加汽油等轻馏分的产量 质量也到的提高 典型反应为 CH3 CH2 23 CH3 C6H14 C7H14 C12H24 二 炼油过程 原料油主要是原油蒸馏或其他炼油装置的350 540 馏分的重质油 催化裂化工艺由三部分组成 原料油催化裂化 催化剂再生 产物分离 催化裂化所得的产物经分馏后可得到气体 汽油 柴油和重质馏分油 有部分油返回反应器继续加工称为回炼油 催化裂化操作条件的改变或原料波动 可使产品组成波动 二 炼油过程 催化裂化工艺基本流程 二 炼油过程 催化裂化反再系统结构示意图 二 炼油过程 催化剂罐 沉降器 再生器 提升管 燕山石化FCC反再系统设备 二 炼油过程 简单高效催化裂化装置基本构型方案一 二 炼油过程 简单高效催化裂化装置基本构型方案二 高低并列式 同轴式 二 炼油过程 新型两段提升管方案 高效气固分离设备 旋风分离器 CycloneSeparator 二 炼油过程 反应系统关键技术 二 炼油过程 后反应系统示意图 后反应系统关键装备技术 二 炼油过程 传统粗旋快分系统存在的主要问题 1 快分油气直接进入庞大的沉降器空间 油气后反应时间长达20s 1 催化裂化是典型的快速平行顺序反应 目的产品汽油和柴油是反应的中间产物 为了实现目的产品收率的最大化 需要控制反应时间在2 3秒 2 研究表明 若能将油气后反应系统停留时间降至5秒以内 则目的产品轻油收率可提高1 0个百分点以上 对于我国总的催化裂化加工能力而言 相当于每年多生产130万吨的汽柴油 经济效益超过80亿元 2 沉降器结焦严重 经常导致装置非计划停工 据统计 反应系统结焦造成的非正常停工次数几乎占总次数的1 2 控制主反应时间及回收催化剂油剂间的快速高效分离抑制二次裂化和结焦分离催化剂的快速预汽提油气的快速引出高的油气包容率 返混进入沉降器空间的油气量要小 三快 两高 理想快分系统的功能和要求 二 炼油过程 二 炼油过程 3 催化重整工艺 CatalyticReforming 重整 是指烃类分子重新排列成新的分子结构目的 生产高辛烷值汽油及轻芳烃 苯 甲苯 二甲苯 简称BTX 的重要石油加工过程 同时也生产相当数量的副产氢气催化重整原料 直馏汽油馏分 石脑油 目前为了扩大原料来源 也有用焦化汽油 加氢汽油产品 高辛烷值汽油 轻芳烃 BTX 副产氢气和液化气重整的工艺过程可分为原料预处理和重整两部分 二 炼油过程 铂铼重整工艺原则流程 二 炼油过程 4 三次加工工艺三次加工主要是将炼厂气进一步加工生产高辛烷值汽油和各种化学产品的过程 主要包括 气体分馏 叠合过程 MTBE芳烃抽提 芳烃分离丙烷脱沥青 糠醛精制 酮苯脱蜡溶剂再生 污水汽提 等等目前的趋势是将炼油厂与石油化工厂联合 组成石油化工联合企业 利用炼油厂提供的馏分油 炼厂气为原料 生产各种有机化工产品和三大合成材料 塑料 合成橡胶和合成纤维 二 炼油过程 二 炼油过程 5 其他工艺简介延迟焦化 DelayedCoking 它是在较长反应时间下 使原料深度裂化 以生产固体石油焦炭为主要目的 同时获得气体和液体产物 延迟焦化用的原料主要是高沸点的渣油 延迟焦化的主要操作条件是 原料加热后温度约500 焦炭塔在稍许正压下操作 改变原料和操作条件可以调整汽油 柴油 裂化原料油 焦炭的比例 减粘裂化 Visbreaking 热裂化的一种 将重残油轻度热裂化 使所得到的燃料油粘度和凝点降低 以改善其质量或借以减少商品燃料油中轻油的调入量 具有投资节省 方法简单 操作容易等优点 二 炼油过程 延迟焦化工艺流程 二 炼油过程 减粘裂化工艺流程 二 炼油过程 6 炼厂制氢装置主要为加氢工艺提供工业氢 一般采用烃水蒸汽转化制氢 可分为五个单元 原油预处理 脱硫 烃类水蒸汽转化一氧化碳变换 包括高温及低温变换 脱二氧化碳甲烷化烃类水蒸汽转化反应为强吸热反应 必须供给大量热量 三 炼油过程中对设备的要求 三 炼油过程中对设备的要求 在上述工艺条件下 炼厂设备的主要失效形式包括腐蚀 蠕变 疲劳 脆化 渗碳 氢损伤 氧化及冲蚀等 在催化裂化装置中 压力容器所使用的材料大多是碳钢和碳 钼钢 碳钢的工作温度达510 碳 钼钢的工作温度达540 这些设备的失效机制主要是蠕变 在催化重整中 压力容器和管道也在蠕变温度下工作 同时还要承受一定的氢分压 这些设备多用1Cr0 5Mo和1 25Cr0 5Mo钢材制作 工作温度达到540 失效机制同时包括了高温蠕变及由脆化现象导致的低温脆断 三 炼油过程中对设备的要求 对于高氢压环境下服役的反应器 如加氢裂化和加氢脱硫装置 氢压高达28MPa 有Nelson曲线限定的使用温度是低于蠕变温度的 这些设备一般由2 25Cr1Mo制造 允许工作温度为455 在这种情况下 蠕变本身不是最重要的 而高温氢制脆性以及由此导致的脆性断裂是主要的失效机制 在制氢装置中 温度高达820 而氢压力相对较低 炉管所用材料为高铬镍含量的不锈钢 废热锅炉及一些配件多用Cr Mo钢 如Cr25Mo20 1Cr18Ni9Ti以及5Cr0 5Mo 1Cr0 5Mo等 设备的失效机制主要是高温蠕变与开停车所引起的疲劳 三 炼油过程中对设备的要求 克服上述这些问题 是实现大型炼油设务设计 制造的关键 如今 炼油厂压力容器的大型化已取得长足发展 如储油罐容积达24万立方米 焦炭塔直径达9400mm 重达375t 加氢反应器直径达5373mm 重达1600t 我国石油化工设备行业已可以制造500万吨 年以上炼油厂成套设备 1000万吨 年常减压蒸馏装置 200万吨年以上重油催化裂化装置 350万吨 年加氢裂化装置 200万吨 年渣油加氢脱硫装置 160万吨 年延迟焦化装置等 三 炼油过程中对设备的要求 我国制造的千吨级加氢反应器 3 1 2 乙烯裂解过程 一 乙烯裂解过程 乙烯 ethylene C2H4 是最简单的烯烃 通常情况下 是一种无色稍有气味的气体 密度为1 25g L 比空气的密度略小 难溶于水 易溶于四氯化碳等有机溶剂 乙烯是合成纤维 合成橡胶 合成塑料 聚乙烯及聚氯乙烯 合成乙醇 酒精 的基本化工原料 也用于制造氯乙烯 苯乙烯 环氧乙烷 醋酸 乙醛 乙醇和炸药等还可用作水果和蔬菜的催熟剂 是一种已证实的植物激素 促进叶落和果实成熟 是石油化学工业中最重要的基础原料 乙烯产量的大小常常被作为衡量一个国家石油化工发展水平的标志 一 乙烯裂解过程 乙烯化学性质活泼 易发生多种反应 例如 氧化反应 常温下极易被氧化剂氧化成CO2 易燃烧 并放出热量 臭氧氧化为醛 酮等 还原反应 生产乙烷加成反应 生成卤代烃 如氯乙烷 乙醇等聚合反应 制聚烯烃 如聚乙烯 聚氯乙烯等 一 乙烯裂解过程 工业上制取烯烃的途径是烃类热解 使石油烃大分子在高温下发生碳链断裂或脱氢反应生成分子量较小的烯烃和烷烃 烃类热解反应是吸热反应 反应途径十分复杂 目前认为是自由基连锁反应 除一次反应外 一次反应产物在高温下发生脱氢 缩进等二次反应 生成烯烃 二烯烃 炔烃 多环芳烃以及焦油和焦炭 一 乙烯裂解过程 对烃类热解反应进行热力学和动力学的研究得到如下认识 高温有利于提高烃类转化率和乙烯收率 由于二次反应 在高温下停留时间过长 乙烯收率会降低 烃类裂解的一次反应 特别是脱氢反应 是分子数增加的反应 降低烃的分压对平衡向目的产物方向移动有利 并有利于减少二次反应 降低烃分压通常是采用水蒸汽作为稀释剂 反应产物尽快急冷 可避免二次反应 综上 裂解适宜条件是 高温 短停留 低烃分压 一 乙烯裂解过程 要实现高温 短停留 低烃分压的操作条件 就要在极短的时间里将原料加热到所需的高温 并供给裂解反应所需的大量的热 目前的裂解工艺有 直接加热 管式炉裂解直接加热自供热 部分氧化裂解用的最广泛的是管式炉裂解 整个系统特别是裂解炉的结构 裂解气的急冷方式 烟道气的热量回收 换热器的结构等对能量消耗和工厂经济效益关系重大 二 乙烯裂解炉 裂解炉原理 二 乙烯裂解炉 管式裂解炉1 发展简史早在20世纪30年代就开始研究用管式裂解炉高温法裂解石油烃 20世纪40年代美国首先建立管式裂解炉裂解乙烯的工业装置 进入20世纪50年代后 由于石油化工的发展 世界各国竞相研究提高乙烯生产水平的工艺技术 并找到了通过高温短停留时间的技术措施可以大幅度提高乙烯收率 SRT ShortResidenceTime 系列炉20世纪60年代初期 美国Lummus公司开发成功能够实现高温短停留时间的SRT I型炉 20世纪60年代中期 该公司又开发成功SRT II型炉 20世纪70年代中期 Lummmus公司又开发了SRT 型炉 Lummmus公司近20年来在管式裂解炉工艺技术和工程方面所取得的技术进展代表了当前世界各国在裂解工艺投术方面的总发展趋势 应用Lummmus公司SRT型炉生产乙烯的总产量约占全世界的一半左右 2 SRT型短停留时间裂解炉 1 炉型Lummus公司的SRT裂解炉 短停留时间裂解炉 为单排双辐射立管式裂解炉 已从早期的SRT I型发展为近期采用的SRT 型 SRT 型竖管裂解炉示意图1 炉体 2 油气联合烧嘴 3 气体无焰烧嘴 4 辐射段炉管 5 对流段炉管 6 急冷锅炉 二 乙烯裂解炉 2 盘管结构SRT I型裂解炉采用多程等径辐射盘管 从SRT 型裂解炉开始 SRT型裂解炉均采用分支变管径辐射盘管 随着炉型的改进 辐射盘管的程数逐步减少 其IV V 型裂解炉均采用双程分支变径管 等径辐射盘管与分支变径管的性能比较 分支变径管是在入口段采用多根并联的小口径炉管 而出口段则采用大口径炉管 沿管长流通截面积大体保持不变 由于小管径炉管单位体积的表面积大 相应可以提高入口段炉管单位体积的热强度 并将热量更多转移到入口段 降低了高温出口段的热负荷 这就使沿管长的热负荷分配更趋合理 沿管长的物料温度和管壁温度趋于平缓 相应可以保证缩短停留时间并提高裂解温度 与等径盘管相比 分支变径管停留时间较长 但处理量大得多 自SRT 型裂解炉采用多程分支变径盘管之后 SRT型裂解炉改进的主要途径是在分支变径管基础上逐步减少管程 缩短管径 从SRT 型裂解炉开始 基本形成双程分支变径管的格局 随着辐射盘管的改进 其裂解工艺性能随之改善 裂解的烯烃收率随之提高 二 乙烯裂解炉 3 SRT型裂解炉的优化及改进措施裂解炉设计开发的根本思路 提高过程选择性 提高反应温度 缩短停留时间和降低烃分压 和设备的生产能力 自然短停留时间和适宜的烃分压以及高选择性而来的清焦周期的加长 根据烃类热裂解的热力学和动力学分析 在众多改进措施中辐射盘管的设计是决定裂解选择性提高烯烃收率 提高对裂解原料适应性的关键 改进辐射盘管的结构 成为管式裂解炉技术发展中最核心的部分 二 乙烯裂解炉 4 其他管式裂解炉 Stone Welster公司的超选择性裂解炉 USC炉 Kellogg公司和日本田光石油化学公司共同致力于开发一种新型的裂解炉 简称为毫秒炉或超短停留时间炉 USRT炉 Linde Selas混合管裂解炉 LSCC USC炉的基本结构USRT炉的基本结构 二 乙烯裂解炉 5 急冷目的 防止二次反应的发生 当裂解气温度降至650 以下时 裂解反应基本终止 急冷有间接急冷和直接急冷之分 1 间接急冷裂解炉出来的高温裂解气温度在800 900 左右 在急冷的降温过程中要释放出大量热 是一个可加利用的热源 为此可用换热器进行间接急冷 回收这部分热量发生蒸汽 以提高裂解炉的热效率 降低产品成本 用于此目的的换热器称为急冷换热器 急冷换热器与汽包所构成的发生蒸汽的系统称为急冷锅炉 也有将急冷换热器称为急冷锅炉或废热锅炉 使用急冷锅炉有两个主要目的 一是终止裂解反应 二是回收废热 2 直接急冷方法 在高温裂解气中直接喷入冷却介质 冷却介质被高温裂解气加热而部分汽化 由此吸收裂解气的热量 使高温裂解气迅速冷却 根据冷却介质的不同 直接急冷可分为水直接急冷和油直接急冷 三 乙烯急冷过程 急冷方式的比较直接急冷 设备费少 操作简单 系统阻力小 由于是冷却介质直接与裂解气接触 传热效果较好 但形成大量含油污水 油水分离困难 且难以利用回收的热量 间接急冷 对能量利用较合理 可回收裂解气被急冷时所释放的热量 经济性较好 且无污水产生 工业上多用间接急冷 2 急冷换热器 使裂解气和高压水 8 7 12MPa 经列管式换热器间接换热使裂解气骤冷的重要设备 它使裂解气在极短的时间 0 01 0 1s 内 温度由约800 下降到露点左右 急冷换热器的运转周期应不低于裂解炉的运转周期 为减少结焦发生应采取如下措施 增大裂解气在急冷换热器中的线速度 以避免返混而使停留时间拉长造成二次反应 必须控制急冷换热器出口温度 要求裂解气在急冷换热器中冷却温度不低于其露点 三 乙烯急冷过程 6 裂解炉和急冷换热器的清焦管式裂解炉辐射盘管和急冷换热器换热管在运转过程中有焦垢生成 必须定期进行清焦 A 对管式裂解炉而言 如下任一情况出现均应停止进料 进行清焦 裂解炉辐射盘管管壁温度超过设计规定值 裂解炉辐射段入口压力增加值超过设计值 B 对于急冷换热器而言 如下任一情况出现均应对急冷换热器进行清焦 急冷换热器出口温度超过设计值 急冷换热器进出口压差超过设计值 C 清焦方法 裂解炉辐射管的焦垢均用蒸汽清焦法 空气清焦法或蒸汽空气清焦法进行清理 清焦方法的原理 利用蒸汽或空气中的氧与焦垢反应气化而达到清焦的目的 四 乙烯裂解过程 五 乙烯裂解过程对设备的要求 五 乙烯裂解过程对设备的要求 乙烯裂解的关键设备是裂解炉管 它的损伤类型是渗碳 炉管内流过的石脑油等介质 他们在裂解过程中会生成焦炭 这些焦炭会沾伏在管壁形成渗碳层 使得材料的脆性增加 蠕变强度下降 当渗碳层的厚度达到3 4mm时 热应力增加 该层开始产生裂纹并导致炉管的损坏 为此 研究抗结焦的炉管 对于提高炉管生产效率和延长寿命均有重要作用 五 乙烯裂解过程对设备的要求 乙烯建设规模继续向大型化发展裂解技术的发展和走向成熟 使裂解炉和乙烯装置的规模沿着大型化的方向迈进 就裂解炉而言 从20世纪60年代中期至今 裂解炉的单炉生产能力从30Kt a发展到40Kt a 60Kt a 75Kt a 90Kt a和120Kt a 目前正存建设的裂解炉单炉生产能力已达140Kt a 就乙烯装置而言 20世纪60年代的经济规模是200Kt a 70年代是600Kt a 80年代是450Kt a 90年代是600kl a 而21世纪初将是800 900Kt a 我国乙烯规模 天津100万吨 年 2010 采用中石化科技开发公司与鲁姆斯合作工艺专利技术 采用SL I型炉技术建设11台10万t a大型裂解炉天津石化乙烯厂14万吨 年 20万吨 年 2001 Lummus技术 燕山30万吨 年 1976 45万吨 年 1994 66 2000 目前生产负荷已提升至71万吨 年 Lummus技术北京东方乙烯14万吨 年KTI技术 镇海100万吨 年 2010 镇海乙烯装置共有11台裂解炉 采用中国石化科技开发公司 鲁姆斯 ST LUMMUS 合作开发的裂解炉技术 采用SL I型炉技术10台10万吨 年 1台15万吨 年 赛科90万吨 年 2005 95万吨 年 2010 采用美国LUMMUS技术专利 8台SRT VI型裂解炉 1台SRT 型裂解炉 运行周期44天 新增10 裂解炉能力15万吨 年 其中12万吨作老区备炉 3万吨是新区增量 惠州80万吨 年 2006 95万吨 年 2010 乙烯装置采用美国S W公司的超高选择性转化炉 2010新建12万吨 年乙烯裂解炉 茂名30万吨 年 1996 36万吨 年 100万吨 年 2006 S W技术USC型炉茂名石化百万吨乙烯首次应用含有中国石化知识产权的SINOPEC LUMMUS生产技术 扬子30万吨 年 1987 40万吨 年 1995 65万吨 年 2002 LummusSRT 扬巴60万吨 年 2005 75万吨 年 2010 S W技术 9台USC U和1台USC M型炉 全部采用底部烧嘴 每台U型炉有4个SLE废热锅炉 M型炉采USX废锅 上海石化1 11万吨 年 15万吨 年 1988 2 30万吨 年 40万吨 年 1998 70万吨 年 2002 新增4台10万吨 年裂解炉 采用了中石化Lummus两家公司联合开发的裂解炉技术 大庆30万吨 年 1986 48万吨 年 1999 60万吨 年 2006 老区33万吨 年S W公司设计的8台16W型裂解炉和1台GK 6型裂解炉新区27万吨 年3台S W公司设计的80U型裂解炉和2台KBR公司设计的SC1型10万吨 年毫秒裂解炉抚顺11 5万吨 年 1991 14万吨 年 1996 20万吨 年 2006 Lummus技术 吉林石化1 30万吨 年 1996 38万吨 年 70万吨 年 2005 LINDE技术2005年9月中旬 由茂名石化机械厂制造的目前我国单台