《石油炼制工程》课件

《石油炼制工程》化学工程与工艺·能源化学工程专业核心课程Contents课程总览石油化工工艺学的核心脉络与章节架构01基础认知：绪论与石油组成性质02产品体系：石油产品与原油评价03核心工艺：蒸馏、催化裂化、加氢与重整04深加工技术：热加工与清洁燃料生产05拓展应用：润滑油基础油生产CHAPTER01绪论从"洋油"到"国VI"——中国石油炼制工业的百年跨越COURSEOVERVIEW石油炼制工程：学科定位与课程目标石油炼制工程是连接基础化学理论与石化工业生产的核心桥梁课程，旨在培养学生系统掌握从原油到终端产品的加工原理、工艺流程与工程计算方法，形成解决复杂石化工程问题的高级思维能力。广东石油化工学院·校园教学环境学科内涵：研究石油的化学组成、物理性质及其加工转化规律，涵盖一次加工（蒸馏）和二次加工（裂化、加氢、重整等）全流程知识衔接：以物理化学、化工原理、化工热力学为先修基础，将隐性理论知识显性化、显性知识实践化，强化知识-能力-素质融合能力目标：掌握石油炼制过程的基本原理、工艺流程和设备计算方法，培养定量分析与系统认识石化生产过程的工程素养价值引领：结合中国炼油工业从"洋油时代"到世界领先的发展历程，培养"为国分忧、为民族争气"的行业使命感与社会责任感发展简史中国石油炼制工业发展简史中国石油工业经历了从完全依赖进口"洋油"到全球第二大炼油国的历史性跨越，原油加工能力从1949年的不足20万吨跃升至如今超过9亿吨/年。1949年前艰难起步国内石油产量极低，市场几乎完全被美孚、壳牌等外国公司垄断，"洋油"是石油产品的代名词仅有玉门、延长等小规模油田，年产量不足12万吨，炼油技术落后，产品单一DEPENDENCE1949—1978自力更生1959年大庆油田发现，标志石油工业进入新纪元，胜利、辽河等油田相继开发，实现石油基本自给建成兰州、抚顺、大庆等大型炼油基地，催化裂化等二次加工技术取得突破SELF-RELIANCE1978至今高质量发展炼油总能力跃居全球第二，超过9亿吨/年，千万吨级炼厂数量居世界前列油品质量从国I到国VI仅用20余年，硫含量从1000ppm降至10ppm，达世界最严标准HIGHQUALITY学习方法论五句古诗谈学习方法学习《石油炼制工程》需要建立宏观产业视野、理论联系实际的工程思维、多角度分析问题的能力以及持续追问的探究精神，同时注重课外知识的拓展与交叉融合，方能真正掌握这门综合性极强的工程课程。01"欲穷千里目，更上一层楼"建立宏观产业视野，将每个工艺环节放在从原油到终端产品的完整链条中理解其定位与价值02"纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行"注重理论联系实际，关注石化行业动态，结合企业案例深化对工艺流程的理解03"横看成岭侧成峰，远近高低各不同"培养多角度分析能力，同一加工过程在不同原油品质和产品要求下可能采用截然不同的方案04"问渠那得清如许，为有源头活水来"保持追问精神，深入理解每个操作参数背后的物理化学原理，而非机械记忆流程05"汝果欲学诗，功夫在诗外"课外广泛涉猎化工热力学、反应工程、分离工程等交叉学科知识，构建完整的工程知识体系CHAPTER02石油及其产品的组成和性质认识石油——从化学组成到物理性质的系统解析Composition石油的一般性状与化学组成石油是由数百种碳氢化合物组成的复杂混合物，碳含量83%–87%、氢含量11%–14%，其烃类组成因产地差异显著，直接决定原油的加工特性与最优产品分布方案。元素组成碳（83%–87%）和氢（11%–14%）为主，另含硫、氮、氧及微量金属元素（V、Ni、Fe）C83–87%烃类组成三大族：烷烃（直链与支链）、环烷烃和芳香烃，三族比例因原油产地而异三族并存非烃化合物含硫（硫醇、噻吩）、含氮（吡啶）和含氧化合物，是精制和环保控制的重点S·N·O典型对比大庆原油烷烃>50%适合润滑油；中东原油芳香烃占比大适合催化重整大庆vs中东原油样品实拍PhysicalProperties石油及其产品的关键物理性质石油的物理性质（密度、黏度、馏程、凝点、闪点等）是工艺设计和产品质量控制的核心依据。这些参数之间存在密切关联，工程中常通过少量易测物性推算其他参数，为原油评价和蒸馏切割方案提供定量支撑。基础物理性质01密度与API度密度0.8–0.98g/cm³，API度越高原油越轻、经济价值越高02馏程与沸点分布恩氏蒸馏测定初馏点到终馏点温度范围，是蒸馏切割方案的核心依据03黏度随温度升高而降低，运动黏度是润滑油和燃料油的关键规格指标使用性能指标04闪点与燃点闪点是油品蒸汽遇火源闪燃的最低温度，是储存运输安全管理的核心参数05凝点与倾点反映油品低温流动性，柴油和润滑油的低温性能直接取决于凝点指标06残炭与灰分残炭值反映热加工生焦倾向，灰分来自金属化合物，影响催化剂寿命Chapter03石油产品从汽油、柴油到航空煤油——主要石油产品的特性与使用要求CLASSIFICATION石油产品的分类体系石油产品按用途可分为燃料类（占比85%以上）、润滑油/脂类和固体产品/化工原料三大类。燃料类产品是炼厂的核心产出，其质量升级是驱动炼油技术持续进步的主要动力；润滑油类产品虽产量占比小，但品种多、技术门槛高、附加值显著。01燃料类产品（汽油、柴油、喷气燃料、燃料油）占石油产品总量85%以上，是炼厂核心产出，国VI标准对硫含量、烯烃含量等指标提出了世界最严要求02润滑油和润滑脂产品品种超过600种，按基础油分为矿物油型和合成型两大类，技术门槛高且附加值是普通燃料油的3-5倍03固体产品与化工原料包括石蜡（化妆品和包装材料原料）、石油沥青（道路建设和防水材料）和石油焦（电解铝和钢铁行业燃料）04产品结构调整趋势：随着新能源替代加速，炼厂正从"以燃料为主"向"油化结合"转型，化工原料占比持续提升炼化企业成品油储罐区实景QUALITYSTANDARDS汽油：使用要求与质量标准国VI标准对多项组分设定全球最严限值，推动高辛烷值清洁生产技术发展。辛烷值与抗爆性辛烷值是汽油抗爆性核心指标，92号、95号对应研究法辛烷值（RON），以异辛烷与正庚烷为标定基准RON标定蒸发性能通过馏程温度和蒸汽压衡量，需兼顾冷启动性能与高温气阻风险平衡10%–90%国VI标准限值硫≤10ppm、烯烃≤18%、芳烃≤35%、苯≤0.8%，多项指标严于欧美现行标准≤10ppm高辛烷值调和组分主要来源为催化重整生成油、烷基化油和异构化油，RON范围85–105RON95–105PetroleumProducts柴油与喷气燃料柴油以十六烷值（自燃性能）为核心指标，与汽油的辛烷值（抗爆性能）形成互补性的评价体系；喷气燃料则在极端温度环境下同时要求优异的低温流动性和高温热安定性，质量标准代表了石油产品的最高技术等级。柴油十六烷值是柴油自燃性能的核心指标，国VI标准要求≥51，正十六烷CN=100、α-甲基萘CN=0作为标定基准低温流动性用凝点和冷滤点衡量，0号柴油凝点≤0℃适用于南方，-35号柴油凝点≤-35℃适用于东北冬季国VI柴油硫含量限值降至10ppm，多环芳烃限值11%，推动加氢精制和加氢裂化装置在炼厂中的广泛应用喷气燃料冰点是喷气燃料最关键指标之一，3号喷气燃料要求冰点≤-47℃，确保万米高空低温环境下燃油系统正常工作热安定性要求能承受发动机高温部件（>150℃）的热应力而不生成沉积物，用JFTOT测试方法评估烟点和辉光值反映燃烧清洁性，无烟火焰燃烧是航空发动机对燃料的基本要求，芳烃含量过高会显著恶化燃烧性能CHAPTER04原油评价及原油加工方案为每种原油量身定制最优加工路线CRUDEOILSYSTEM原油分类与评价体系原油按特性因数K值分为石蜡基（K>12.1）、中间基（11.5<K<12.1）和环烷基（K<11.5）三类，基属直接决定最优加工路线。原油分类方法特性因数K值法：K=(T^⅓)/d，K>12.1为石蜡基、11.5–12.1为中间基、<11.5为环烷基K>12.1含硫量分类：<0.5%为低硫（大庆0.1%），0.5–2.0%含硫，>2.0%高硫（中东部分超4%）S<0.5%密度分类：API>34轻质、22–34中质、<22重质，重质加工难度大但具成本优势API>34原油评价层次01简单评价：测定密度、硫含量、凝点、黏度和恩氏蒸馏等基本参数，用于初步筛选和贸易定价参考初步筛选02常规评价：增加实沸点蒸馏（TBP）、各馏分物性分析和产品收率预测，适用于生产方案调整方案调整03综合评价：全套实验室分析、中型装置试验和全流程模拟计算，为新建炼厂或大型改造提供设计依据设计依据REFININGPROCESSPLANNING原油加工方案的制定与选择炼厂加工方案分为燃料型、燃料-化工型和燃料-润滑油型三类，方案选择需综合考虑原油基属、市场需求、投资规模和政策导向。当前'油化结合'已成为行业转型的主流方向。燃料型方案以常减压蒸馏+催化裂化+加氢精制为核心装置，汽柴油收率可达70%-80%，适合中间基原油和以交通燃料为主的市场。70%-80%汽柴油收率燃料-化工型方案在燃料生产基础上增设蒸汽裂解、芳烃抽提等装置，化工原料产出占比30%-50%，是当前炼厂转型升级的主流方向。30%-50%化工原料占比燃料-润滑油型方案增设溶剂精制、溶剂脱蜡和加氢补充精制等润滑油生产装置，适合石蜡基原油（如大庆原油），产品附加值高。石蜡基适用原油基属方案选择的决策因素原油基属决定工艺路线的'天花板'，市场需求决定产品结构的'最优解'，环保政策则是不可逾越的'红线'。原油·市场·政策三大决策维度CHAPTER05原油蒸馏石油加工的第一道工序——利用沸点差异实现组分分离PETROLEUMDISTILLATION蒸馏基本类型与蒸馏曲线石油炼制中三种蒸馏方式各有定位：恩氏蒸馏（ASTM）用于产品规格快速检验，实沸点蒸馏（TBP）为原油评价提供高分辨率分离数据，平衡蒸发（闪蒸）描述工业分馏塔进料段的实际分离行为。三条蒸馏曲线可通过经验关联式相互换算。恩氏蒸馏简单蒸馏法，加热速度快、无回流，测定初馏点至终馏点，是产品质量检验的标准方法。操作简便，设备要求低，广泛应用于油品常规检测。快速质检·标准方法ASTMD86实沸点蒸馏采用高效分馏柱（理论板数15-20块），分离精度接近工业分馏塔，是原油评价的核心数据。可提供详细的组分分布信息，用于原油性质分析和加工方案设计。高分辨率·原油评价TBPCurve平衡蒸发液体混合物在一定温度和压力下一次性达到气液平衡，常压炉出口为典型闪蒸过程。描述工业装置中进料段的真实相态变化，是工艺计算的重要依据。相平衡·工艺模拟闪蒸Flash曲线关系TBP曲线斜率最大，恩氏居中，平衡蒸发最平缓，可通过Edmister方法相互换算。掌握三种曲线的转换关系，是石油加工工艺设计和模拟计算的基础技能。经验关联·数据换算EdmisterREFININGPROCESS原油常减压蒸馏工艺流程常减压蒸馏是炼油厂的"龙头装置"，采用初馏-常压-减压三段流程，将原油按沸点切割为多种馏分，为下游二次加工提供原料。01初馏段：原油换热至200–240℃进入初馏塔，拔除初顶汽油（<180℃轻组分），减轻常压炉热负荷约15%–20%，降低能耗。200–240℃02常压蒸馏段：常压炉出口温度360–370℃，塔内分馏出汽油（<180℃）、煤油（180–260℃）、柴油（260–350℃），塔底为常压渣油。360–370℃03减压蒸馏段：减压炉出口390–410℃，塔顶绝压约10kPa，蒸出减压蜡油（VGO）供催化裂化或加氢裂化，塔底渣油送延迟焦化或生产沥青。≈10kPa04减压操作原理：利用"降低压力→降低沸点"的物理规律，避免重质组分高温热裂解和缩合反应，保护产品品质与设备安全。BoilingPoint↓常减压蒸馏典型产品收率分布减压蜡油和渣油合计占比超50%，需二次加工转化CHAPTER06催化裂化炼油工业的核心转化工艺——重油轻质化的关键路径ReactionMechanism催化裂化的化学反应机理催化裂化以正碳离子机理为核心，通过β断裂实现大分子向小分子的转化。与热裂化的自由基机理相比，正碳离子机理具有更高的异构化选择性，使催化裂化汽油辛烷值显著高于热裂化汽油，同时伴随的氢转移和缩合反应导致催化剂积碳失活，形成'反应-再生'循环的工艺需求。01正碳离子生成催化剂酸性中心（Brønsted酸和Lewis酸）使烯烃质子化或烷烃脱氢生成正碳离子，启动链式反应02β断裂反应正碳离子在β位C-C键断裂，生成较小烯烃和新的正碳离子，新离子继续反应形成链式传播03异构化反应正碳离子通过氢迁移和甲基迁移形成支链结构，使催化裂化汽油异构烷烃含量高、辛烷值优于热裂化产品04氢转移与缩合烯烃与正碳离子间发生氢转移，部分分子连续脱氢缩合为多环芳烃并生成焦炭，覆盖催化剂活性中心导致失活PROCESSOVERVIEW流化催化裂化（FCC）工艺流程FCC工艺以"提升管反应器+再生器"双器系统为核心，反应温度500-530℃、接触时间2-4秒，剂油比和反应温度是控制产品分布的两个最关键操作参数。反应-再生系统01预热原料（约250℃）与再生催化剂（约700℃）在提升管底部接触，500–530℃下反应2–4秒完成裂化反应，生成汽油、柴油等轻质产品02失活催化剂在680–720℃下用空气烧除积碳（焦炭产率约5%–7%），燃烧热量供给反应吸热，实现系统热平衡与催化剂循环再生分馏与吸收稳定01分馏塔将反应产物切割为富气（C1–C2）、液化气（C3–C4）、汽油（C5–220℃）和轻循环油（LCO，220–350℃）等馏分02吸收稳定系统用粗汽油作吸收剂回收液化气中C3+组分，稳定塔脱除汽油中轻组分确保蒸汽压合格，提高产品收率与质量CHAPTER07催化加氢清洁燃料生产的核心技术——从加氢精制到加氢裂化HYDROGENATIONCHEMISTRY催化加氢的基本化学反应催化加氢按反应难度从易到难依次为烯烃饱和、加氢脱硫（HDS）、加氢脱氮（HDN）和加氢脱芳烃（HDA），深度脱硫和深度脱芳需要逐级提升氢分压、温度和催化剂活性。加氢脱硫（HDS）噻吩等含硫化合物在CoMo/Al₂O₃催化剂上C-S键断裂，硫以H₂S形式脱除。340–380℃3–6MPa氢压加氢脱氮（HDN）喹啉、吡啶等含氮杂环需先加氢饱和环再断裂C-N键，难度比HDS高3-5倍。NiMo/Al₂O₃需更高氢分压烯烃与芳烃饱和烯烃饱和最容易（＜300℃），芳烃饱和最难（＞6MPa），深度脱芳是清洁柴油技术瓶颈。>6MPa芳烃饱和所需氢分压加氢裂化酸性载体与金属双功能催化剂上同时实现裂化和加氢，可将重质原料转化为优质汽柴油。双功能催化分子筛+金属活性组分HydrotreatingProcess加氢工艺流程与催化剂体系固定床加氢精制是炼厂应用最广的加氢工艺形式，操作温度340-400℃、氢压3-10MPa。CoMo催化剂主攻脱硫、NiMo催化剂主攻脱氮脱芳，催化剂选择和操作条件的优化是实现产品质量达标与经济性平衡的关键。ProcessFlow典型加氢精制流程01原料油与循环氢混合→换热→加热炉升温至340-400℃→固定床反应器（LHSV1.0-3.0h⁻¹）→冷却→高低压分离→分馏得到精制产品02氢气循环系统：未反应氢气经脱硫（脱除H₂S）后与新氢混合循环使用，维持系统氢纯度>75%，氢油比300-1000Nm³/m³CatalystStrategy催化剂选择策略01CoMo/Al₂O₃—加氢脱硫活性高、氢耗低，适合高硫原料的深度脱硫（如直馏柴油生产国VI柴油组分）02NiMo/Al₂O₃—加氢脱氮和脱芳活性更强，适合对产品芳烃和十六烷值有严格要求的场景（如催化柴油改质）Temperature340–400℃操作温度范围HydrogenPressure3–10MPa氢气系统压力H₂Purity>75%循环氢纯度要求H₂/OilRatio300–1000Nm³/m³氢油比范围CHAPTER08催化重整高辛烷值汽油与芳烃生产的双重引擎CatalyticReforming催化重整化学反应与工艺类型催化重整以Pt基双功能催化剂为核心，通过环烷烃脱氢（主反应）、烷烃脱氢环化、异构化和加氢裂化四类反应将低辛烷值石脑油转化为高辛烷值重整汽油（RON95-105）和BTX芳烃，同时副产高纯度氢气（纯度>90%）供给炼厂加氢装置。MainReaction环烷烃脱氢—主反应环己烷→苯+3H₂、甲基环戊烷→苯+3H₂，反应吸热量大，需多段反应器间设加热炉补充热量~200kJ/molKeyChallenge烷烃脱氢环化—最难正己烷→苯+4H₂，需金属功能（Pt脱氢）与酸性功能（Al₂O₃异构化）协同催化，反应路径复杂，动力学控制严格速率仅1/10Semi-Regen半再生式工艺铂铼/铂锡催化剂，固定床反应器3-4台串联，投资较低但末期催化剂活性下降明显6-12月周期CCRProcess连续再生式（CCR）移动床反应器催化剂连续流动与再生，始终保持高活性状态，适合大规模装置，操作压力更低、芳烃产率更高收率+3-5%CHAPTER09热加工不用催化剂的重油转化——延迟焦化与减粘裂化ThermalCrackingProcesses延迟焦化与减粘裂化工艺延迟焦化通过"炉管快速加热+焦炭塔长时间反应"的设计，将减压渣油转化为轻质产品，收率约60%-70%，是炼厂实现"吃干榨净"的核心手段；减粘裂化则以低转化率降低黏度，属辅助工艺。延迟焦化01工艺核心：加热炉出口约500℃、停留<1min，反应延迟到焦炭塔内进行（480-500℃、停留12-24小时）02产品分布：焦化气5%-8%、汽油15%-20%、柴油25%-30%、蜡油20%-25%、石油焦20%-30%，轻质产品需加氢精制03双塔切换：两台焦炭塔交替生焦与除焦（高压水射流切焦），切换周期约24小时，实现连续运转减粘裂化01轻度热裂解：操作温度约450℃、压力0.5-1.0MPa，转化率仅10%-20%，主要目的是降低渣油黏度以满足燃料油调和要求02应用趋势：投资低、操作简单，适合以燃料油为主的炼厂；但随着燃料油需求萎缩，其应用正逐步减少03工艺特点：反应条件温和，无需复杂分馏系统，产品以减粘渣油和少量轻质油为主，可直接作为锅炉燃料或调和组分CHAPTER10优质清洁燃料生产技术烷基化、异构化与醚化——国VI时代的清洁调和组分CLEANFUELBLENDING烷基化与异构化工艺烷基化油（RON94-98）和异构化油（RON85-92）是国VI汽油中最重要的两类清洁高辛烷值调和组分，两者均具有几乎零硫、零芳烃的特点。烷基化工艺面临强酸催化剂的安全环保挑战，固体酸和离子液体催化技术是未来发展方向。ALKYLATION烷基化反应原理：异丁烷+丁烯→异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷），在浓硫酸（98%）或氢氟酸催化下进行，产物RON94–98、MON92–94硫酸法安全性好但每吨产品耗酸约100kg需配套废酸再生；氢氟酸法效率高