FCC分馏塔的优化设计.docxVIP

FCC分馏塔的优化设计1.背景（研究现状，立题原因） 随着原油硫含量的增加以及汽油、柴油指标的严格，汽油、柴油脱硫显得越来越重要。汽油、柴油中的含硫化合物在燃烧后会生成硫氧化物SOx ，能使汽车尾气转化系统催化剂中毒，进一步影响NOx、CO、CH 的有效转化，并且硫氧化合物排放到大气中会形成酸雨污染环境。随着人们对环境保护的日益重视，环保法规也日渐严格，全球汽油硫含量的指标正日趋严格。1.1国内外汽油硫含量规格概述 随着世界各国对环境保护要求的不断提高，全球汽油硫含量的指标正日趋严格。不同原料FCC 汽油中含硫化合物类型分布不同1，“世界燃油规范”规定类汽油硫含量小于200g/g，类汽油硫含量小于30g/g，类汽油硫含量小于5 10g/g。 2005 年，欧盟开始执行欧排放标准，为了进一步降低汽车污染物的排放，2007 年10 月1 日起推行无硫汽油，使硫含量低于10g /g，2009 年1 月1 日欧盟开始执行更严格的欧V 排放标准，并计划于2014 年起实行欧标准。2004 年美国环保局要求汽油平均硫含量不大于120g /g，2005 年起平均降到30g /g，最大不超过80g /g。 随着我国国民经济的快速发展及环保要求日趋严格，我国车用汽油标准对硫含量的要求也越来越高。根据国家标准委员会要求，汽油产品质量将于2009 年12 月31 日起全面执行国标准。北京地区已于2008 年1 月1 日起全面执行京标C(相当于国标准)，汽油硫含量要求从150g /g 降到50g /g，上海、广州也将在硫含量方面提前实行国标准。这就对我国炼油企业汽油脱硫技术提出了更高的要求。1.2国外FCC 汽油脱硫工艺技术1.2.1加氢脱硫技术 传统HDS 技术在大量脱除汽油中硫化物的同时，也使汽油中的高辛烷值组分烯烃加氢饱和，造成辛烷值的损失，因此开发具有较高脱硫活性、对汽油辛烷值影响较小的加氢脱硫技术成为当前加氢脱硫技术研究的热点，主要包括选择性加氢脱硫和加氢脱硫辛烷值恢复技术。 SCAN fining 技术2是由美国Exxon Mobil 开发的工艺，采用与Akzo 联合开发的催化剂RT 225，可不经分馏直接处理全馏分催化汽油，脱硫率为92% 95%，辛烷值损失1 1. 5 个单位。通过优化催化剂配方和工艺条件，开发的第2 代SCAN fining 技术为两段过程，适于处理高硫原料，可在深度脱硫的同时充分减少辛烷值损失，脱硫率达到99%以上，同时选择性进一步提高，达到与第一代技术同样的脱硫率时，辛烷值损失减少50%，除此之外，该技术也可以同ZERONER 硫醇转化过程或EXOMER 硫醇抽提过程组合。到目前为止，全球共有37 套SCAN fining 装置。 Exxon Mobil 开发的另一种全馏分汽油选择性加氢脱硫工艺OCTGAIN3技术是一种能够使辛烷值得到恢复的加氢脱硫 裂化 异构化组合加工过程，适合于裂化汽油中较高沸点和最难脱硫组分之深度脱硫。但由于存在一定的裂化反应，汽油收率损失约5 10 个百分点。该技术于1991 年在Mobil 公司的Joliet炼油厂工业化，目前已推出了3 代技术(OCT 100、OCT 125 和OCT 220)。第三代技术采用OCT 220 催化剂，催化脱硫活性高，产品硫含量低于5g /g，最适合处理硫含量非常低的催化裂化汽油而没有辛烷值损失，目前有两套装置在运行。随着SCAN fining 和OCTGAIN 工艺的商业化，埃克森美孚成套的汽油脱硫技术可供炼厂选择最好的解决办法以满足汽油硫含量的变化。 法国石油研究院(IFP) 开发的Prime G4技术通过分馏将汽油分离为富烯烃的轻馏分和富硫的重馏分，将不含二烯烃的重馏分用双催化剂进行选择性加氢，工艺条件缓和，烯烃加氢活性低，不发生芳烃饱和及裂化反应，液体收率达100%，脱硫率大于98%，辛烷值损失少，氢耗低，可满足汽油硫含量不大于10g /g 的要求。 Prime G + 5技术是在Prime G 基础上开发的，采用IFP研制的HR806 和HR841 系列催化剂，将选择性加氢和分馏工艺结合，通过二烯烃预加氢来保护重馏分的加氢脱硫段。Prime G + 工艺最近加快技术转让，印度Hindustan 石化公司(HPCL)Visakn 炼油厂建设FCC 汽油脱硫0. 52Mt /a 装置、白俄罗斯Mozyr 炼油厂110 万t /a 汽油脱硫装置等均采用Prime G + 汽油脱硫技术来生产超低硫汽油6，目前Prime G + 技术已转让70套装置，生产绿色超低硫汽油81. 70Mt /a。 ISAL 工艺7是INTEVEP 研究所在90 年代初开始研究的，90 年代中期UOP 公司和INTEVEP 合作从事ISAL 催化剂的开发和工业化，最终产生了第二代ISAL 工艺。采用与常规的固定床加氢精制工艺基本相同的工艺流程，其催化剂具有脱硫、脱氮、烯烃加氢饱和及烷烃异构化功能，并可使裂化的小分子在催化剂表面发生分子重排反应，从而解决了由于烯烃饱和而导致辛烷值大幅度降低这一常规加氢脱硫技术无法解决的难题。据报道，处理C7 + FCC 汽油馏分时，其C5 + 液收达到99. 7%，硫含量从1450g /g 降到10g /g，抗爆指数损失1. 6，汽油中芳烃和环烷烃含量基本不变，而烯烃从19. 6% 下降至0. 1%，烷烃从17. 7%增加到37. 2%，其中异构/正构比例可从3. 1 提高到3. 4，该工艺1996 1997 年实施工业化。1.3国内FCC 汽油脱硫工艺技术 洛阳石化工程公司炼制研究所开发的FCC 汽油非临氢吸附脱硫(即LADS)工艺技术8，采用配套的LADS A 脱硫吸附剂和LADS D 再生脱附剂，工艺流程简单，操作条件缓和，脱硫效率较高，但加工能力有限。催化裂化汽油加氢处理在脱硫和降烯烃的同时也引起辛烷值的下降，为了在加氢的条件下尽量避免辛烷值损失，RIPP 开发了催化汽油加氢异构脱硫降烯烃技术(RIDOS) 和催化裂化汽油选择性加氢脱硫技术(RSDS)。 RIDOS 技术9将催化裂化汽油分段处理，轻组分进碱抽提脱硫醇，重组分加氢脱硫、脱氮、降烯烃和辛烷值恢复。2002 年RIDOS 技术在北京燕山分公司改建的220kt /a 装置上成功进行了工业试验，运行情况良好。烯烃体积含量从48. 5% 降到17. 8%，硫含量从109g /g 降到10g /g，抗爆指数损失1. 3 单位，碳三以上收率为100. 4%，产品中硫含量和烯烃含量满足欧四排放标准。日前，中国石化股份公司九江分公司90wt /a 汽油加氢装置开工建设10。装置建成投产后，生产的汽油产品硫含量将从500g /g 降低到150g /g。 RSDS 技术11根据原料性质及产品要求对原料进行切割，轻馏分碱洗精制，重馏分选择性加氢脱硫，使产品质量达到清洁汽油的标准要求。工业试验装置于2003 年6 月在上海石化一开车成功12。标定结果表明:在催化裂化汽油中烯烃体积含量约为50%时，全馏分汽油产品脱硫率约为80%，RON 损失0. 9个单位;脱硫率为91. 8%时，RON 损失1. 9 个单位。 FRIPP 开发的OCT M 工艺13将FCC 汽油分馏为LCN 和HCN，使用专用的FGH 20 /FGH 11 双催化剂体系对HCN 加氢脱硫，然后再与LCN 混合进行脱硫醇处理，这样可以达到脱硫而又减少因烯烃饱和造成辛烷损失的效果。2003 2006 年，OCT M 技术分别在中国石化广州分公司、石家庄分公司、武汉分公司和洛阳分公司及中国石油锦州分公司等炼化企业工业应用。工业应用结果表明，MIP 汽油经OCT M 装置加工处理后，硫含量由417 442g /g 降低到24 53g /g，RON 损失0. 7 1. 8 个单位14。全馏分FCC 汽油选择性加氢脱硫技术( FRS)15是抚研院继OCT M 后开发的的第二代汽油选择性加氢脱硫技术，采用专利技术的工艺控制和新开发的FGH 21 /FGH 31 组合加氢脱硫催化剂，处理全馏分FCC 汽油，无需原料预分馏，流程简单。2006 年9 月6 日，该技术在九江分公司进行了工业化16，可将烯烃体积含量为42. 2%的FCC 汽油的硫含量从920g /g 降低至195g /g，脱硫率80%左右，烯烃含量降低8. 9 个百分点，研究法辛烷值损失1. 6 个单位。1.4发展趋势以及立题原因 生产超低硫汽油已成为世界现代化炼油工业满足日益苛刻的环保法规的一大趋势。我国炼油企业为汽油质量升级进行坚持不懈的努力，但仍然有些难关需要攻克，在降低催化裂化汽油硫和烯烃含量的同时，要提高辛烷值。但是现有工业运行的脱硫工艺均有其各自的特点和不足，所以在开发和改进脱硫工艺的同时，要着重提高反应器的效率，因此要对反应器进行优化设计，并将高效催化剂的研制和新型反应器的开发进行优化组合。参考文献1 杨永坛，杨海鹰，宗宝宁，等. 催化裂化汽油中硫化物的气相色谱原子发射光谱分析方法及应用J. 分析化学，2003，31(10):1153 1158.2 Thomas R H，et al. Technology option for meeting low sulfur mogas targets. NPRA 2000 Annual meeting，San Antonio，March 2000.3 Shih S S，et al. Mobils OCTGAINTM process:FCC gasoline desulphurizationreaches a new performance level. NPRA 1999 Annual meeting，San Antonio，March 1999.4 Kasztelan S，et al. Improving motor fuel quality. NPRA 1999 Annualmeeting，San Antonio，March 1999.5 Nocca J L，et al. The domino interaction of refinery processs for gasolinequality attainment NPRA 2000 Annual meeting，San Antonio，March2000.6 Hydrocarbon Processing. 2005，84(8):32 33.7 Salazar J A，et al. The ISAL process:a refiners option to meet RFGspecifications. 1998 NPRA Annual meeting，San Antonio，March 1998.8 张晓静，秦如意. FCC 汽油吸附脱硫工艺技术LADS 工艺J. 天然气与石油，2003，21(1):39 42.9 李大东，石亚华，杨清雨. 生成低硫低烯烃汽油的RIDOS 技术J.中国工程科学，2004，6(4):1 8.10 汪学峰. 90 万吨/年汽油加氢装置开工建设J. 节能技术，2009(4):2.11 李明丰，夏国富，褚阳，等. FCC 汽油选择性加氢脱硫催化剂RSDS 1 的开发J. 石油炼制与化工，2003，34(7):4 7.12 朱渝，王一冠，等. 催化裂化汽油选择性加氢脱硫技术(RSDS)工业应用试验J. 石油炼制与化工，2005，36(12):6 10.13 赵乐平，周勇，段为宇，等. OCT M 催化裂化汽油选择性加氢脱硫技术J. 炼油技术与工程，2004，34(2):6 8.14 周庆水，郝振岐，等. OCT M FCC 汽油深度加氢脱硫技术的研究及工业应用J. 石油炼制与化工，2007，38(9):28 31.15 赵乐平，胡永康，庞宏，等. FCC 汽油加氢脱硫降烯烃新技术的开发J. 工业催化，2004(4):24 26.16 秦小虎，黄磊，赵乐平，等. FRS 全馏分FCC 汽油加氢脱硫技术开发及工业应用J. 当代化工，2007，36(1):37 39.2.如何实施2.1主要研究内容在开发和改进脱硫工艺的同时，要着重提高反应器的效率对反应器进行优化设计，并将高效催化剂的研制和新型反应器的开发进行优化组合。其中的主要研究内容便是如何提高反应器（FCC分馏塔）的效率，因此要对反应器进行优化设计，从而达到优化和节能的目的！2.2研究方案 对反应器进行优化，使得设备能产生最大的经济效益，我准备从生产过程和节能两方面进行优化。2.2.1算法优化在现代化的工业生产中，如何同时使生产的不同产品都达到满意的产量一直是各工业领域期待解决的问题。这类优化问题在实际工程中占有较大的比重，其特点是极少存在绝对最优解，而是存在一个非劣解集，在该解集中，每一个解在不牺牲其他目标的前提下无法再进一步对单个目标进行优化。在石油化工生产中，FCC分馏塔的优化就是一个典型的多目标优化问题。对于FCC分馏塔的主要产物，如何同时使它们的产量都尽可能高，达到最大的经济效益?传统的多目标优化方法每次只能求出一个优化解 ，不利于全局寻优，因此我打算尝试用遗传算法,因为遗传算法具有较强的并行处理和全局寻优能力，所以想利用遗传算法来求解分馏塔多目标优化问题。2.2.2节能优化 FCC主分馏塔与气体处理系统的热联合能提供更多的能量，以满足其生产各种烯烃的要求和提高装置的热效率。进行优化时，重要的是要了解分馏塔能量回收的限度、可行的中段回流抽出口温度选择以及取热器不同的温位。对于老装置