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催化裂化工藝計算與技術分析例4-1 已知某催化裂化裝置操作條件、產(chǎn)品分布等數(shù)據(jù)（見表4-6），求提升管油氣停留時間。表4-6 某催化裂化裝置原始數(shù)據(jù)項目加工量 t/h分子量原料油組成 新鮮原料136.2360 回煉油31350 回煉油漿5380產(chǎn)品分布%t/h 氣體損失14.119.242 汽油43.158.7100 柴油30.141200 油漿4.76.4380 焦炭810.9操作條件 反應溫度， 493 提升管汽化段溫度，520 提升管蒸汽量，t/h8 反應壓力,kPa（表）116 提升管底部壓力,kPa（表）140 提升管內(nèi)徑,m1.2 提升管反應段長度,m25 催化劑循環(huán)量,t/h823 帶入反應的煙氣量，t/h1.829解： （1）計算提升管入口油氣流率，如表4-7所示。表4-7 提升管汽化段各物料流率項目重量流率，kg/h分子量摩爾流率，kmol/h新鮮原料136200360378回煉油3100035089回煉油漿500038013蒸汽800018444煙氣18002962合計182000986 = 26887m3/h = 7.5 m3/s（2） 計算提升管出口處油氣流率，如表4-8所示。表4-8 提升管出口處各物料流率項目重量流率，kg/h分子量摩爾流率，kmol/h氣體+損失1920042457煙氣18002962汽油58700100587柴油41000200205回煉油3100035089油漿1140038030蒸汽800018444合計1711001874 = 54821m3/h = 15.2m3/s （3）計算油氣線速 提升管橫截面積： F = 0.25 D2 = 0.253.141.22 = 1.13 m2計算入口油氣流速： Ui = Vi/F = 7.5/1.13 = 6.6 m/s計算出口油氣流速： Uo =Vo/F = 15.2/1.13 = 13.5 m/s提升管內(nèi)油氣平均流速 = 9.6 m/s （4） 計算油氣平均停留時間 t = L / Um = 25 / 9.6 = 2.6 s YcDCkRc(1+RF) （ 4-3）式中： DCk催化劑的焦炭差，（重）； RF回煉比。流量計有多種，應根據(jù)不同的流量計要求，進行校正。（1）質量流量計是目前為許多煉廠所采用的先進的流量計，這種流量計不受檢測點條件變化的影響，可以直接取得總通過量，前后數(shù)據(jù)相減即可。（2）差壓式流量計是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的壓力差實現(xiàn)流量測量的。應用最廣泛的節(jié)流裝置是孔板，其次是噴嘴。使用差壓式流量計時，液體體積流量可用下式表示： V實= C （5-1）式中： V實流體體積流量， m3/h; P孔板前后壓差，Pa； 操作條件下流體的密度，m3/kg； C常數(shù)。流體質量流量可表示為： （5-2） G實液體質量流量，t/h 。使用儀表時，通常給出指示流量，設儀表指示流量為： V 設= C （5-3）式中：V設設計條件下的液體流量， m3/h; 設設計條件下的流體密度，kg/m3。則實際流量和指示流量的關系可由上面兩式求出： （5-4）同理，對于質量流量有下面關系： （5-5）式中：G設設計條件下的流體質量流量， t/h。例5-2 回煉油流量儀表指示值為150m3/h, 設計密度為0.63g/cm3。 現(xiàn)在操作溫度為360，=0.85g/cm3,問在操作條件下的體積流量是多少？解：由密度換算曲線得。由5-4式，在操作條件下的體積流量為： V實= 若采用儀表指示值，則相對誤差為： （三）干氣計算1 混合干氣體積流量校正 混合干氣一般用差壓式流量計，其節(jié)流裝置多為孔板。由于混合干氣是可以被壓縮的，因此，混合干氣的體積流量應按下式校正： V實 = （5-6）其中：P實、T實、實分別為實際操作條件下氣體絕對壓力 kPa、溫度 K、標準條件下密度 kg/m3；P設、T設、設分別為設計條件下氣體絕對壓力 kPa、溫度 K、標準條件下密度 kg/m3； V設 、V實校正前后混合干氣的標準條件下體積流量，m3n/h。2 除去非烴 混合干氣中一般還含有非烴氣體，如N2、CO2、O2、CO等。在計算干氣量時，應將這部分非烴扣除。非烴質量流量 G非= (5-7)式中： Vi、Mi 分別為非烴組分占混合干氣的體積分率和分子量。3 細物料的計算 由于混合干氣中或多或少帶有C3、C4組分，為正確地給出產(chǎn)品分布，應將產(chǎn)品分為H2C2、C3C4，為此，應求出干氣中各組分的質量流量。例5-4 某干氣表的設計條件：壓力0.8MPa（絕）、溫度40、標準條件下密度1.036kg/m3；實際條件：壓力0.7MPa（絕）、溫度56、標準條件下密度1.165 kg/m3。干氣表讀數(shù)為5500m3n/h。混合干氣組成見下表：混 合 干 氣 組 成組 分 %（體）H224.0N2+O213.19CH411.89C2H66.65C2H47.19C3H83.20C3H616.31i-C4H102.19n-C4H100.31n-C4=0.63i- C4=0.70t C4=0.72c C4=0.43i-C5H120.53H2S5.87CO23.73CO2.46求干氣量。解： （1）混合干氣體積流量校正 （2）扣除非烴 非烴質量流量G非= = （3）混合干氣質量流量G混 G混=47311.165=5512kg/h （4）干氣質量流量G干 混合干氣除去非烴后的干氣質量流量=5512-1300=4212kg/h （5）計算細物料結果見下表：組 分Vi (%)MiMiViMiVi/MiVi %(重）質量流量(kg/h)H224.02482.4101N2+O213.1929 CH411.8916190.249.6404C2H66.6530199.510.0422C2H47.1928201.3210.1425C3H83.2044140.87.1299C3H616.3142685.0234.61457i-C4H102.1958127.026.4270n-C4H100.315817.980.938n- C4=0.635635.281.874i- C4=0.705639.201.982反-2- C4=0.725640.322.084順-2- C4=0.435624.081.251i-C5H120.537238.161.980H2S5.8734199.5810.1425CO23.7344 CO2.4628合 計100.001986.5100.04212二 計算與假設（一）焦炭焦炭是反應當中的縮合產(chǎn)物，在再生器中燃燒放熱后以煙氣的形式離開裝置。在做物料平衡時，無法直接獲得焦炭量，但是可以通過煙氣主風量平衡計算獲得。1 主風量校正主風量一般用差壓式流量計測量，其節(jié)流裝置多為文丘里管。其體積流量VA按下式校正： （5-8）2 焦炭量計算進入再生器的干空氣量： （5-9）式中： V1干空氣量，m3n/h; VA濕空氣量即儀表所測校正后進入再生器的主風量，m3n/h。再生器燒焦量： (5-10)焦炭氫碳比：H/C= (5-11)式中： CO2、CO、O2、N2干煙氣組成%（體）；N2=100-CO2-CO-O2； 空氣分子濕度，由表5-1查得； K焦炭量， kg/h。 3 焦炭量查圖計算法 圖51為再生器燃燒計算圖，按=0作出，如果大氣中水蒸汽含量較高，應加以校正（校正值查表5-1）。表5-1 空氣分子濕度表 干 球 溫 度 （）相對濕度（%）-30-20-10010203040100.004250.00733200.004640.008440.01478300.003550.006970.012720.02233400.002420.004870.009320.017020.02999500.001280.003020.006000.011680.021380.03778600.000610.001540.003630.007120.014050.025760.045671000.000380.001020.002570.006060.018260.023620.043700.07850注：=水蒸汽/干空氣 (體)，基準大氣壓=0.1013MPa圖5-1 再生器燃燒計算圖（=0）圖5-1中各符號如下：CO2+CO+O2 ，%；3（CO2+CO）+0.5CO, %;CO CO ，%；VA/K耗風指標， m3n/kg ;VF/A 煙風比；GK焦炭，kg焦炭/10000m3n干空氣。4 煙風比、耗風指標及總濕煙氣量 煙風比 VF/A =（2+ - （5-12） 耗風指標 VA/K= （5-13） 總濕煙氣量VF= （2+ - （5-14）例5-5 已知某催化裂化裝置的標定、分析數(shù)據(jù)如下： 標定分析煙道氣5個樣品的數(shù)據(jù)為：%（體）COO2CO210.07255.93812.62920.13645.34712.66530.08715.72411.81140.07586.76311.68250.07016.10912.029平均值0.088385.976212.1632 兩器的松動風量經(jīng)孔板核算約為25m3n/min 主風入口流量刻度：71% 全量程1465 m3n/min ，文丘里管按標準狀態(tài)設計，干球溫度：22 大氣壓力： 0.105MPa水蒸汽與干空氣的分子比 j=0.012，試計算總燒焦量。解：濕空氣量 VA=1465 =1025 m3n/min則燒焦的干空氣量： V1= =62253 m3n/h總燒焦量： = 4321 kg/h =103.7 t/d總焦炭的 H/C為H/C = = =0.098應用上述公式時，最主要的是煙氣分析要準確可靠。從實際經(jīng)驗看，CO2%比較容易分析準確，CO%、O2%的分析誤差則往往較大。因此要重視奧氏分析吸收液的配制，及時更換吸收液，加大儀器的吸收表面積，在分析和操作時嚴格按操作規(guī)程進行，才能得到較好準確的結果。有的廠使用色譜分析煙氣組成，也是一種較好的方法。（二）損失任何煉油加工裝置的產(chǎn)品或多或少都會有損失。液體產(chǎn)品的泄漏、揮發(fā)，氣體產(chǎn)物的外溢，隨著裝置排棄物如污水的流失等，都應該計入損失。然而損失無法計量，也無法從計算得出，因此，只能取一個大家都能接受的合理數(shù)據(jù)，也就是假設。在做裝置的物料平衡時，一般而言，應盡可能采用計算而不用假設的方法求出各物料量（包括干氣、不凝氣等），如果此時損失太大，首先應檢查各物料的計量、計算是否有誤；其次，在判斷得出其他計量、計算沒有問題時，再考慮是否是干氣計量帶來的問題，而且應盡可能采用計算、分析的方法加以量化，以盡量排除假設帶來的影響。在實際標定過程中，液體油品和液化石油氣可以通過油罐檢尺計量，干氣則只能通過流量計計量，又有裝置排不凝氣，火炬閥泄漏等干擾。所以，通常是把干氣和損失一起估測，然后分別損失水平高低取值在0.2%1.0%范圍。三 裝置物料平衡及收率根據(jù)前面所述的計量、計算和假設方法，可以得出各個物料的流率和產(chǎn)品收率，借此做出裝置的物料平衡。表5-2給出了某催化裂化裝置的物料平衡及收率。表5-2 催化裂化裝置的物料平衡及收率項 目收 率 %（重）流 量 t/d原餾分油75.451912DAO24.55622料合計1002534干 氣3.6091.2損 失0.4010.3產(chǎn)液化氣13.71347.4汽油54.091370.6輕柴油24.09610.4品焦炭4.11104.1合 計1002534在反應器中，催化劑的顆粒之間和顆粒的孔隙內(nèi)充滿著油氣，這部分油氣對催化劑的重量百分率可按下式計算： （5-15）式中： WG 催化劑夾帶的油氣占催化劑的重量分率，kg/1000kg催化劑； s催化劑的骨架密度， kg/m3； B 汽提段催化劑的床層密度，kg/m3； MG提升管出口油氣的平均分子量； T 汽提段入口溫度 ； P 汽提段入口壓力，MPa (絕）。汽提的目的就是用水蒸汽把這些油氣置換出來。這些油氣中約75%是催化劑顆粒之間的空隙所夾帶的油氣，約25%是顆粒內(nèi)部的孔隙所夾帶的油氣。在一般操作條件下，當汽提段床層密度B為500kg/m3，C1約為1%左右。如果顆粒與顆粒之間的空隙內(nèi)的油氣被置換出來，而顆粒孔隙內(nèi)部的油氣未置換，則C1約為0.25%，數(shù)量仍相當可觀。由于汽提不完全所增加的焦炭占新鮮原料的產(chǎn)率和汽提效率之間有如下的關系： （5-16）式中： CS 由于汽提不完全所增加的焦炭產(chǎn)率，%（重）； RF 回煉比； RC；劑油比； ES汽提效率，%。CS 可根據(jù)裝置的熱平衡情況決定。如果焦炭產(chǎn)率不能滿足裝置熱平衡的需要，則可適當減少汽提蒸汽量，使CS保持一定的數(shù)值。對于裝置熱平衡能夠滿足需要，再生器的燒焦能力已成為限制裝置處理能力提高的控制因素時，則應該增加汽提蒸汽量，提高汽提效率，盡量減少CS。要使CS在1%以內(nèi)，一般需要ES在90%以上。例5-8已知某催化裂化裝置的干氣、液化氣和汽油分析數(shù)據(jù)如下表：項 目干 氣液化石油氣穩(wěn)定汽油%（體）%（體）油中氣%（重）H221.08Air19.97CO21.550.04CH429.0C2H69.311.46C2H417.85C3H80.0910.23C3H60.4740.28i-C4H100.1120.080.27n-C4H104.450.44n- C4=5.580.47i- C4=6.90t C4=6.120.69c C4=4.570.67C50.400.29H2S0.17(0.75)平均分子量19.9749.17合計1001002.54流率 kg/h1880896019040試校正干氣和液化石油氣互相夾帶情況。解： 先扣除兩物流中的非烴組分，即空氣和CO2，然后將體積組成換算成質量組成，如下表：干 氣液化石油氣項 目%（體）%（重）扣除非烴組分后%（重）%（體）%（重）扣除非烴組分后%（重）H221.082.113.12Air19.9729.0CO21.553.420.040.04CH429.023.2234.36C2H69.3113.9820.691.460.880.88C2H417.8525.0337.04C3H80.090.200.3010.239.089.09C3H60.470.991.4640.2834.1534.16i-C4H100.110.320.4720.0823.5123.52n-C4H104.455.215.21n- C4=5.586.316.31i- C4=6.907.807.81t C4=6.126.916.91c C4=4.575.175.17C50.401.442.130.290.420.42H2S0.170.290.430.750.520.52平均分子量19.9749.17合計100100100100100100 干氣夾帶非烴組分：1880(29.0%+3.42%)=609 kg/h 干氣夾帶C3、C4組分：1880（0.20%+0.99%+0.32%)=28kg/h 干氣夾帶C5組分： 18801.44% =27 kg/h 液化石油氣夾帶非烴組分：89600.04%= 4 kg/h 液化石油氣夾帶干氣組分： 89600.88%=79 kg/h 液化石油氣夾帶C5組分： 89600.42%=38 kg/h 汽油中夾帶C3、C4組分： 190402.52% =484 kg/h 干氣、液化石油氣、汽油三股物流中， 干氣總量：1880 -（609+28+27)+79=1295 kg/h 液化石油氣總量：8960 -（4+79+38)+28+484=9351 kg/h 汽油總量：19040-484+27+38=18621 kg/h五 外甩油漿夾帶輕組分催化裂化原料重質化使生焦和再生的矛盾日益突出，為減少生焦而采取的最為有效的措施就是外甩油漿。外甩油漿會夾帶輕柴油組分，夾帶多少可以大致通過分析油漿密度判斷，油漿密度（d420）以1為準，低于1較多時說明夾帶輕組分多。例5-9 已知某催化裂化裝置外甩油漿的分析數(shù)據(jù)及實沸點餾程如下：密度（d420）：0.9713餾程： 初餾點 30010%46730%51650%55270%587外甩油漿流量3042kg/h,試求其夾帶輕組分量。解：油漿密度0.9713221輕柴油952221.05油漿17303.82焦炭30706.79損失2100.46合計45240100原料中含氫量為13.07%（重），試計算氫平衡。解： 含氫量的計算：a、 汽油：由式5-18， HW=1.86K-0.0012T-8.33K特性因數(shù)，K=11.76T中平均沸點，T=367.5KHW=13.01%分析值為：13.07%b、 柴油：由式5-19， HW=2.52K-0.005T-15.3K=11.49，T=554.3K，HW=10.88%分析值為：11.07%c、焦炭中含氫量：計算值為8.59%d、油漿中含氫量：分析值為10.96% 氫平衡：項 目含氫量%(重)氫流量kg/h氫分布%（重）原料油13.075912.87100產(chǎn)品：H2S5.923.24H210058.66CH425.13162.33C2H620.1194.08C2H414.37100.06H2C2小計21.75418.377.08C3H818.29150C3H614.37443.77iC4C1017.34375.87nC4H1017.3495.47nC4H814.3787.67iC4H814.37106.99tC4H814.37107.89cC4H814.3784.90C3C4小計15.581452.5624.57C5221汽油13.01253242.81221柴油10.88103617.52油漿10.96189.613.21焦炭8.59263.714.46損失15.5832.720.55合計5924.97100.20氫平衡精度(出方-入方)/入方 %0.200.20表5-18給出了國內(nèi)幾種不同原料催化裂化反應的氫平衡數(shù)據(jù)。表5-18 催化裂化反應氫平衡 （單位：%（重）原料大慶餾分油大慶常壓重油管輸油摻渣油催化劑及工藝特點3A分子篩沸石催化劑取熱沸石催化劑摻減壓渣油23.22%，不取熱沸石催化劑摻減壓渣油32.44%，取熱項目總物料氫總物料氫總物料氫總物料氫總物料氫原料油10013.3210013.3210012.910012.50100.012.60干氣1.800.401.400.282.540.643.360.833.010.86液化石油氣17.102.6412.671.9910.851.7010.651.659.941.50汽油47.506.5944.156.1246.616.3844.825.8448.176.29輕柴油25.202.9536.284.4229.53.3916.631.7827.633.14重柴油7.210.81油漿8.370.85焦炭7.600.765.50.5510.50.667.240.4810.210.70損失0.800.1600001.720.261.040.16合計100.0013.5010013.3610012.7710012.5010012.6591.4494.0788.9174.1686.7471.6279.1375.7460.9674.84二 硫平衡從催化裂化裝置的硫平衡可以了解硫的去向和量的多少，從而對設備防腐和產(chǎn)品質量控制以及環(huán)境治理采取更為有效的措施。硫含量數(shù)據(jù)主要是通過儀器分析或化學分析得到。由于我國原油多數(shù)屬于低硫原油，過去餾分油催化裂化原料硫對產(chǎn)品質量和環(huán)保造成的影響并不嚴重。隨著催化裂化加工渣油及進口油數(shù)量的增長，原料硫含量增加，硫分布問題越來越引起人們重視。催化裂化原料中的硫經(jīng)過裂化反應過程轉移至產(chǎn)品和再生煙氣當中，產(chǎn)品中的硫主要以硫化氫和硫醇的形式存在，燒焦過程中生成的硫氧化物隨再生煙氣排入大氣。表5-19給出了某催化裂化裝置的硫平衡數(shù)據(jù)。表5-19 催化裂化裝置硫平衡數(shù)據(jù)項 目物流流率kg/h硫含量%（重）硫分布%（重）大慶VGO原料1500000.09100煙氣200(mg/m3)12.4污水104009.2干氣42000.082.4液化氣180000.338.7汽油780000.0116.2輕柴油345000.0717.3重柴油64500.313.8合計100.00例5-12某催化裂化裝置標定的物料數(shù)據(jù)及硫分析數(shù)據(jù)如下：流率硫含量（重） 原料：DAO餾分油622t/d1912t/d0.14%0.15% 污水：分餾塔頂罐穩(wěn)定塔頂罐5.5t/h0.85t/h761.6mg/L619.2mg/L 產(chǎn)品：干氣液化氣汽油輕柴油347.4t/d1370.6t/d610.4t/dH2S 6.08kg/h4650ppm0.034%0.12%試計算其硫平衡。解： 以各物流的流率和硫含量的數(shù)據(jù)可以求得各物流中硫元素的重量流率，煙氣的數(shù)據(jù)以原料硫與污水硫和產(chǎn)品硫之差獲得，所得硫平衡數(shù)據(jù)如下表：項 目硫量kg/h比例%（重）入方DAO餾分油合計36.28119.5155.7823.2976.71100出方煙氣污水干氣液化氣汽油輕柴油合計28.074.725.7367.3219.4230.52155.7818.023.033.6843.2112.4719.59100分析上表數(shù)據(jù)，對照以往經(jīng)驗即發(fā)現(xiàn)這樣做出的硫平衡數(shù)據(jù)與實際情況有偏離，這其中有分析數(shù)據(jù)不準和假設不合理兩方面的原因，尤其通過焦炭進入煙氣中的硫，如果以差值獲得，必將吸納所有的過程偏差而使數(shù)值失真，如表中的煙氣含硫占整個原料硫的18.02%（重），可能包含較大誤差。只能掌握大致的硫分布規(guī)律，要做出令人滿意的硫平衡在現(xiàn)有的分析條件下是困難的。硫平衡過程可以采用列大表的形式完成，優(yōu)點是直觀明了。例5-13 硫平衡列表計算過程舉例硫平衡項 目物流流量kg/h 物流含硫量%（重）硫或硫化物攜帶量kg/h折合成單質硫量kg/h硫分布%（重）入方餾分油333700.137645.9245.92減壓渣油118700.218925.9825.98混合原料油452400.182782.6582.65100出方產(chǎn)品帶出干氣18800.438.087.69.20液態(tài)烴89600.5246.5943.8553.06汽油190400.02364.494.495.43柴油103500.158316.3816.3819.82油漿17300.25464.404.405.32焦炭30708.278.2710.0損失2100.430.900.851.03小計4524085.84103.86生產(chǎn)排放含硫污水7000659.6mg/L4.62(H2S)4.35工業(yè)污水2000018.94mg/L0.380.15汽油堿洗1904030mg/kg0.570.54汽油脫硫醇1904025mg/kg0.480.20小計5.246.34方合計91