催化裂化兩段提升技術的現狀及應用

劉 巍，瞿東蕙,2*，黃 杰，沈喜洲

(1.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

石油是一種重要的能源形式，石油和石油產品的生產關系到國民經濟的發展、社會穩定的維系、以及國家能源安全的維護.統計顯示[1]，截至2010年底，全球石油產量達到36.05億噸/年，中國為2.03億噸/年.重油輕質化，煉油化工一體化，燃料油清潔化等是石油煉制工業的發展趨勢.世界范圍內，隨著原油日益變重，市場對輕質油的需求日益增加，如何將重質原油輕質化是煉油工業今后發展的重要方向.催化裂化是重油輕質化最重要的手段之一，傳統的催化裂化存在兩個方面的不足：一是催化柴油的十六烷值低，催化汽油烯烴含量高[2-3]，產品硫含量高；二是傳統的催化裂化工藝不能避免劣質催化原料在催化劑上的惡性吸附競爭，而且原料反應時間較長，容易造成二次反應，導致干氣和焦炭收率過高，而輕收和液收較低.為有效解決傳統催化裂化工藝的不足，近年來提出的兩段提升催化裂化技術(簡稱TSRFCC)[4-5]已成為許多專家學者研究的熱門方向.本研究對催化裂化兩段提升技術的現狀及其應用作出以下綜述.

1 兩段提升管裝置的作用及優勢

提升管反應器是催化裂化裝置的核心，常規提升管反應器是將原料油預熱后經噴嘴送入提升管底部，與來自再生器的高溫催化劑接觸，然后迅速汽化，汽化后的油氣分子進入催化劑孔道進行反應，反應時間約為3 s.反應過程中，焦炭不斷在催化劑表面沉積，這樣會降低催化劑的活性和選擇性.研究表明[6]，提升管出口處的催化劑活性僅有初始活性的1/3左右，反應1 s后活性會下降50%左右，所以在提升管的后半段，由于催化劑活性低導致熱裂化反應，影響催化裂化產品分布，進而影響經濟效益.

TSRFCC技術采用兩段提升管反應器，構成兩段提升管催化裂化反應系統，第一段提升管進新鮮原料，與再生催化劑接觸反應一段時間后進入油氣和待生催化劑分離系統；未轉化的原料(循環油)進入第二段提升管，與再生催化劑接觸進一步反應.兩段提升管能夠及時有效地用新的再生催化劑替換表面已結焦的催化劑，從而可以大幅提高催化劑的活性和選擇性，控制催化裂化的反應深度，同時使熱裂化反應得到有效抑制，這樣能夠改善產品分布，提高輕收，降低干氣和焦炭的收率.此外，在段間補充新催化劑也有利于氫的轉移，在輕收提高的前提下，汽油烯烴含量明顯下降；異構化反應增強，能夠將辛烷值控制在一個較高的水平，保證了汽油的性能和質量[5-7].

TSRFCC技術包含分段反應、催化劑接力[8]、短反應時間[9-10]和大劑油比[10-12]等特點，可以明顯促進催化反應和抑制熱裂化反應，并在一定程度上克服新鮮原料和循環油在同一反應器內存在的惡性吸附-反應競爭.

2 我國兩段提升技術進料方案的現狀

根據不同企業生產目的的不同，TSRFCC裝置的進料方案也會有所不同.

2.1 以降烯烴為目的的進料方案

TSRFCC常見的進料方案為：催化裂化原料進入第一段提升管反應器與再生催化劑接觸進行反應，循環油(包括在第一段提升管未反應的催化裂化原料，以及回煉油和油漿)進入第二段提升管反應器與再生催化劑接觸反應.當以多產汽柴油，降低烯烴含量為生產目的時，將一段汽油進入第二段提升管回煉，汽油進料口設計在循環油進料口的上方，這樣可大幅提高原料油的轉化深度，原料處理量能夠增加20%以上，輕收提高約3%，干氣和焦炭收率有效降低[13].

楊朝合等[14]采用新鮮原料油進入第一段提升管，而循環油單獨進入第二段提升管的方法，當企業需要對汽油降烯烴時，可以在第二段提升管進行部分汽油回煉.

中國石化為了降低液化氣中的烯烴，設計了一種雙提升管流化催化裂化裝置，第一段提升管內進行的是催化裂化反應，第二段提升管內進行的是輕烯烴的催化裂化轉化反應，將含有大量輕烯烴的氣體引入第二段提升管的底部，與來自共用再生器的再生催化劑接觸，并上行進行催化轉化反應[15].

2.2 以增產柴油為目的的進料方案

李毅等[16]將原兩段提升管催化裂化裝置加以改進，在段間增設一個分餾塔，該TSRFCC新工藝是在段間將生成的柴油組分通過增設的分餾塔分離出來作為最終產物，分離后的汽油和重油組分混合后引入第二段提升管與再生劑接觸反應.該工藝能夠最大限度地保留一段提升管反應生成的柴油產物，避免使其在第二段發生過裂化反應，提高了柴油收率；另外它能降低第二段提升管內的柴油分壓，有利于柴油的生成，并降低干氣收率.

2.3 以增產丙烯為目的的進料方案

為增產丙烯，李曉紅等[17]用大慶摻渣蠟油作為原料，配合多產丙烯催化劑，將一段各液體產物的混合物在第二段提升管中反應，通過對比產品分布情況得出：二段提升管回煉一段“汽油+油漿”時，配合多產丙烯催化劑，可在生產丙烯的同時兼顧輕油收率和品質.

龍軍等[18]通過將預熱后的原料油引入雙提升管反應再生系統的主提升管內，與熱的催化劑接觸并進行催化裂化反應，將產物進行分離，分離出丙烯的液化氣產物作為原料氣注入輔助提升管內反應，先后在不同的反應段進行疊合反應、催化裂化反應和烷烴脫氫反應，這樣可有效提高丙烯收率.

Eng C N和Miller R B[19]提出將輕質(碳數小于12的烴)的烯屬原料和重質(碳數大于12的烴)原料分別引入兩段不同的提升管進行反應，針對兩段提升管不同進料的特點，采用不同的反應條件，這樣可以有效提高一段提升管中丙烯的收率，有效改善產品分步.

2.4 以增產液化氣為目的的進料方案

袁培林等[20]發明了一種用劣質油最大限度生產烯烴和輕芳烴的生產工藝，該工藝主要是由劣質油焦化得到的焦化汽油、焦化柴油和焦化蠟油構成的焦化生成油作為雙提升管催化裂化主提升管的進料，催化汽油、C4組分作為輔助提升管的進料，在苛刻條件下進行裂解反應，可大幅增產液化氣.

中國石油大學[21]以勝華VGO為催化裂化原料，對摻煉動植物油催化裂化反應進行了研究，實驗結論表明：摻煉22.3%(質量分數)的動植物油后，液化氣收率比VGO單獨催化裂化高出0.45%，且汽油收率不變，焦炭收率下降.

3 兩段提升技術裝置的改進

近年來，TSRFCC技術不斷完善.不少專家學者對TSRFCC裝置進行改進，不僅有效改善了催化裂化的產品分布情況，而且精簡了某些設備，節約了能耗，進一步提高了油品的質量，實現了設備結構簡單化、操作靈活化和石油產品清潔化，為企業創造了經濟效益.

3.1 結構簡單化

兩段提升管催化裂化裝置其結構相對來說更為復雜.將兩段提升管裝置的某些結構進行一定的改進，從而使其結構簡單，不僅節約設備投資成本，有利于實際操作，同時也有利于檢修，減少故障的發生.

石寶珍[22]發明的一種烴類原料雙提升管催化裂化轉化裝置(如圖1)包括重油提升管反應器10和汽油提升管反應器20，該發明精簡了一些設備裝置，只使用了一個沉降器和常規再生器，裝置簡單，節約了投資成本.

圖1 一種烴類原料雙提升管催化裂化轉化裝置Fig.1 An opparatns of two-stage riser fluid catalytic cracking by hydrocarbon feeding

玉門煉油化工總廠在一段提升管末端采用了密閉旋流快分(VQS)技術，保證油氣與催化劑快速分離、反應油氣快速導出和分離下來的催化劑快速汽提；二段提升管油氣與催化劑進入粗旋進行分離，油氣經沉降器再進入單級旋分，這樣使設備結構簡單化，提升管互不干擾，可有效避免開停車及操作波動時造成的催化劑跑損[23].

3.2 操作靈活化

TSRFCC技術的優勢在工業試驗及生產中已經得到證明，但由于生產目的的不同，同一TSRFCC裝置往往不能滿足不同的生產需要.所以改進TSRFCC裝置，使其操作靈活化有著其必要性.

青島京潤石化設計研究院[24]通過對TSRFCC裝置的改進，在重質原料提升管反應器中部引入低溫催化劑，使整個反應過程中的劑油分成兩個區，即劑油接觸反應區和增加劑油比的后反應區，通過對兩區催化劑循環量和反應溫度的調節可控制各區的反應程度，使催化轉化具有足夠的靈活性，以適應市場對產品需求的變化.

SURERFLEX Plus雙提升管技術[25]是KBR公司為增產丙烯提出的一種工藝方案.它是將原有的SUPERFLEX裝置和MAXOFIN裝置組合成雙提升管反應器，以輕質烯烴為主的輕質組分進入SUPERFLEX裝置，以瓦斯油(Gas Oil)為主的重質原料進入MAXOFIN裝置分別進行催化裂化反應.有報道指出，在SURERFLEX Plus裝置的基礎上，增設一個高溫裂解爐(Pyrolysis Unit)，將常壓蒸餾出來的輕質直餾石腦油(LSR)裂解，可得到更多乙烯，而裂解后的C4、C5經過選擇加氫后可作為輕質提升管原料.這樣改進的好處是：當企業不需要丙烯時，可將高溫裂解爐的產物C4、C5(完全加氫后)全部重新循環至高溫裂解爐，從而增產乙烯.該方案通過裝置上的改進，使企業對產品的控制靈活化，減少裝置成本及人力成本.

3.3 產品清潔化

隨著環保法規的日趨嚴格，石油行業對石油產品中硫、烯烴、芳烴等含量的限定要求也越來越高，石油產品的清潔化是TSRFCC裝置今后發展的一個重要方向.

洛陽石化[26]發明的雙提升管催化裂化裝置，用于降低汽油產品硫含量.該發明是在汽油提升管反應器提升氣進口下方的垂直立管上設置一個擴徑結構的圓筒形床層反應器，提升氣在床層反應器內與脫硫催化劑反應，催化劑內的改型金屬氧化物被還原后，隨著提升氣進入汽油提升管，與汽油中的硫化物反應，從而達到脫硫的目的.經過改進后的裝置，其汽油硫質量分數降低50%～70%，有效提高了汽油質量，使其各項指標達到環保要求.

4 兩段提升技術的經濟效益

TSRFCC技術能夠有效改善產品分布，為社會帶來經濟效益.錦西石化在2003年對催化裂化裝置進行雙提升管改造，同時摻煉渣油和焦化蠟油.改造后的雙提升管裝置能夠使液化氣收率提高2.4%，柴油收率提高2.8%，總液收提高2.5%，干氣收率降低1.6%，汽油烯烴含量得到有效降低，且柴油的十六烷值提高5～6個單位，為企業增加了經濟效益[27].中國石油長慶分公司在2003年采用了雙提升管技術，總加工能力提高約12%，液收提高1.24%，干氣和焦炭收率降低1.55%，為企業帶來2500萬元的年凈增效益[28].

5 結 語

催化裂化兩段提升技術具有分段反應、催化劑接力、短反應時間和大劑油比等特點，通過促進催化反應、抑制二次反應和克服惡性吸附-反應競爭來改善產品分布，能夠帶來社會效益和經濟效益；催化裂化兩段提升技術通過進料的變化來適應不同的產品需求；裝置上的改進可實現設備結構簡單化、操作靈活化和石油產品清潔化等優點.隨著兩段提升技術的不斷發展與成熟，它將會在石油煉制工業中發揮越來越重要的作用.

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