現代原油常減壓蒸餾技術

劉偉偉(中國石油大學(北京)遠程教育學院泰州學習中心， 江蘇 泰州 225300)

現代原油常減壓蒸餾技術

劉偉偉(中國石油大學(北京)遠程教育學院泰州學習中心， 江蘇 泰州 225300)

原油在煉油廠的成本占總成本的85%～90%，所以有必要選擇價位低的含酸、硫和高硫原油進行加工；在煉油廠，原油蒸餾裝置能耗約占總量的25%～30%，因此，常壓和減壓蒸餾單元應該采用節能技術。這些措施可以使企業有效的降低成本、增加效益。如何才能實現節能減排的目標，這是擺在每一位石油人面前的一道技術課題。

石油；三段汽化；餾分油品；汽化溫度優化；能源消耗優化

0 引言

常壓蒸餾、減壓蒸餾的基本物理過程是：原油在蒸餾塔里按蒸發能力分割成沸點不同的油品，其中一些油經調和、摻添加劑后，以產品形式出廠，相當大的部分是為下游二次加工設備或化工設備提供高質量的原材料。

常壓和減壓蒸餾是煉油廠的第一步石油加工處理，主要包括三個過程：原油脫鹽脫水、常壓蒸餾、減壓蒸餾。

1 原材料

石油，是從地下深處開采的深棕色易燃粘稠液體。為0.8～1.0克/立方厘米的密度，粘度范圍很廣，凝固點差別非常大，沸點范圍為室溫到500℃以上，可溶于許多種有機溶劑，不溶于水，但可與水形成乳液。石油的化學成分主要是碳、氫，其余為硫、氮、氧和微量金屬元素。其主要由烷烴、環烷烴和芳香烴為主。

2 原油蒸餾過程的原理

將原油按沸點在一定的范圍內，分為不同的餾分，然后再根據油品的需求，使用二次加工設備進行處理。除去餾分油中的非理想組分，或通過化學反應轉化為所需的組分，以獲得合格的燃料、潤滑油和其他產品。

3 產品

原油通過常壓和減壓蒸餾后可得到沸點范圍不同的餾分，如直餾汽油、煤油、燈用煤油、輕重柴油、燃料油、道路瀝青等。在上述的產品中，除了低辛烷值的汽油，不是直接作為一種產品，其余的可以直接或適當的精制后作為一般的產品出廠。

①從常壓蒸餾開始溜出的溫度到小于200℃的餾分為汽油餾分。②200～350℃的常壓蒸餾餾分為煤油、柴油餾分。沸點高于350℃的餾分，進行減壓分餾，在減壓下蒸出餾分的沸點轉換為常壓沸點。③沸點相當于350～500℃的餾分為減壓餾分。④沸點相當于常壓下大于500℃的餾分為減渣餾分。

4 主要設備

(1)常壓下的原油蒸餾，所用的蒸餾設備為原油常壓精餾塔。為了使石油中的重油在低溫下沸騰、蒸發，所以在蒸餾的過程中，保持向蒸餾原油中通入高溫水蒸汽，以降低石油氣體的分壓。但是要消耗很多蒸汽和增加冷卻水的量，因此與減壓配合更好。

石油蒸餾，通常塔底部的提餾段溫度在350℃左右，不設置重沸器。通常向底部吹入少量的400～450℃，大約3MPa的過熱水蒸汽，為了降低塔內的石油氣分壓，使混入重油中的輕組分蒸發。

在常壓塔的旁邊設置幾個側汽提塔，汽提塔重疊，但彼此分開，側線的產品從常壓塔中部抽出，送入上部的汽提塔，從該塔下部注入水蒸氣，汽提出的低沸點成分與水蒸氣從汽提塔頂部回主塔，側線產品則送出裝置。

從精餾塔上部引出部分液體熱油，和其他冷流換熱或冷卻后返回塔，返回口高于抽出口2～3層板。在相同處理量下塔直徑縮小，或在相同塔直徑下可以提高塔的處理能力，可回收高溫熱源的這一部分。

(2)為了提取更多的輕質組分，在壓力不到100kPa的負壓條件下，減少了被蒸餾的原料油沸點范圍。低于大氣壓的壓力下加熱重油，高沸點餾分在低溫蒸發，以避免高沸點餾分的裂解。塔底部是沸點為500℃以上的減壓渣油。

減壓蒸餾的核心設備是減壓蒸餾塔和蒸汽噴射器。將塔內不凝氣體和吹入的水蒸氣不斷地抽走以確保減壓塔的壓力降至幾千帕，從而提高蒸發部分的真空度。

塔內壓力較低，一方面使氣體體積增大，塔直徑大；另一方面由于低壓組分之間的相對揮發度變大，容易分離，所以與常壓塔相比，減壓蒸餾塔的塔板數減少了。

減壓塔底部溫度一般在390℃左右，如果停留時間太長，減壓渣油分解和縮合反應會顯著增加，塔的真空度下降，底部結焦。為此，減壓塔底部采用減小塔直徑。

此外，各種減壓蒸餾餾分之間比較容易分離和分離精度要求不高，與塔的頂部不出一種產品，所以中間循環回流取熱多、減壓蒸餾塔的上部氣相負荷小，可以縮徑。

5 工藝流程(見圖1)。

5.1 原油脫鹽脫水

原油用油泵抽送到熱交換器，熱交換到80～120℃后加水、破乳劑，通過靜態混合器充分混合后從底部到一級脫鹽罐。原油脫鹽溫度一般選擇在105～140℃；工作壓力為0.8～2MPa；注水量是5%～7%；破乳劑的用量是10～30μg/g；煉油廠采用的實際強電場梯度是500～100V/ cm,弱電場梯度是150～300 V/cm。一級脫鹽罐脫鹽率在90%～95%之間。脫水后的原油從電脫鹽罐頂部收集管流出后，再注入破乳劑和洗水充分混合后進入二級電脫鹽罐，也在高壓電場的作用下，進一步的油水分離。一級是注水溶解懸浮鹽，二級注水是提高原油的水量，增加水滴偶極聚結。脫水原油從脫鹽罐頂部引出，經增壓泵送至熱交換、蒸餾系統。脫鹽水后原油鹽含量小于3mg/L,含水量小于0.2%；脫出的鹽污水從罐底排放，經隔油池分離油后排出設備。

圖1 原油三段汽化的常減壓蒸餾工藝流程

5.2 原油脫酸

原油中環烷酸為油溶性，通過向原油添加適當的中和劑和增溶劑，使原油中環烷酸和其他酸與中和劑反應，將它先轉化為水溶性或親水性的化合物，再進入溶劑相和水相，在破乳劑的聯合作用下，在900～1000 V/cm的電場強度和脫酸溫度為110～130℃工況下去除原油中的環烷酸。

5.3 三段蒸餾

預處理后的原油換熱至230～240℃，到初蒸餾塔，輕汽油和水蒸汽從塔的頂部蒸出，冷卻到室溫后進入分離器分離出水和不冷凝氣體，得到輕汽油或催化重整原料油，另一部分回到塔頂作回流。不凝氣體占原油重量的0.15%～0.4%，可以用作燃料或生產烯烴的裂化原料。初蒸餾塔側線不出產品，但可抽出和重汽油類似的餾分，經換熱后，一部分進入常壓塔側一線和二線回流之間的入口，通過這種方式，可以減輕常壓爐和常壓塔負荷；其他回到初蒸餾塔作循環回流。

初分餾塔底部的油用泵抽到換熱器加熱到280℃以上，然后經常壓爐加熱至360～370℃進入常壓塔，在塔頂冷回流和中段循環回流的作用下，從蒸發部分至塔頂溫度逐漸降低，組分是越來越輕的，塔頂蒸出直餾汽油。常壓塔有3～5根側線和相應的汽提塔，直餾煤油、輕重柴油、變壓器原料油等組分則呈液相按輕重依次餾出，側線餾分油經汽提塔用蒸汽提出輕組分后，經增壓泵，和原油換熱，回收一部分熱量后經冷卻到一定溫度才送出裝置。

常壓塔底部的重油，利用泵抽出送至減壓爐，加熱至380～400℃進入減壓蒸餾塔。塔頂分離掉不冷凝氣體和水蒸氣，進入大氣冷凝器。冷凝冷卻后，使用2～3級蒸汽抽真空器抽出不凝性氣體，維持塔頂剩余壓力0.027～0.1MPa，以利于餾分油蒸出。減壓蒸餾塔配備4～5根側線和相應的汽提塔，經汽提后和原油換熱并冷卻到適當的溫度送出設備。減壓蒸餾塔側線油和常壓塔三、四線油，為煉油廠催化裂化等裝置的原材料。減壓塔底油，經增壓泵與原油換熱回收熱量，并經適當的冷卻后送出裝置。

6 蒸餾數據比較與優化

1—原油實沸點精餾過程。精餾塔頂餾分油的氣相溫度和蒸餾釜中的液體溫度仍然有數十度的溫差，曲線斜率最大。2—逐漸蒸發蒸餾過程。由于蒸餾瓶頸散熱產生少量的回流，有一些精餾，造成氣相餾出溫度與瓶子液相溫度之間有幾度至十幾度的溫差，曲線陡峭一些。3—平衡蒸發，氣相溫度和液相的溫度是一樣的，是最平穩的曲線。見圖2。

圖2 三種蒸餾數據比較

因此，在分離精度沒有嚴格要求的情況下，使用平衡蒸發可以用低的溫度獲得高的蒸發率。所以它不僅可以減小加熱設備的負荷，而且可以減少或避免油的過熱分解造成降質和設備結焦。

根據平衡蒸發曲線，可以確定油在不同蒸發率時的溫度和泡點溫度、露點溫度等。

①生產航空煤油時，原油最高的加熱溫度為360～365℃，而在生產一般的石油產品時可以擴展到約370℃。②原油蒸餾裝置的初蒸餾塔、常壓塔和減壓塔的底部溫度一般低于蒸發段溫度5～10℃。③側線抽出溫度是沒有汽提的側線產品在油氣分壓下的泡點溫度。其產品在同等條件下比汽提后的泡點溫度稍微低點。④塔頂溫度是塔頂產品在它的石油氣分壓下的露點溫度。⑤當使用水蒸汽汽提時，汽提塔的底部溫度低于側線溫度約8～10℃，有時可能更低。

7 能源消耗和節能優化問題

煉油廠的原油蒸餾裝置能耗為消耗燃料最多的生產設備。因此，常壓和減壓蒸餾裝置主要采用新技術、新設備和優化操作的節能技術，對于企業降低生產成本、合理利用石油資源、提高競爭能力具有重要的意義。

7.1 新技術

(1)原油電脫鹽技術之深度過濾方法是一種乳化原油破乳的新技術。該技術必須首先選擇一種好的固體吸附劑作為過濾材料，并制成破乳過濾柱。這個過濾過程具有明顯的節能、節水、節省破乳劑、減輕設備結垢和腐蝕、降低催化劑的能量消耗和改善產品質量的效果。

(2)添加活化劑提高原油蒸餾能從根本上提高輕油的拔出率，所帶來的經濟效益體現在蒸餾設備、下游加工裝置、產品調和、化工產品生產上。

一般添加激活劑0.5%～0.6%，拔出率會增加2%～17%。煉油單元使用的強化技術，可不改動原有的流程和操作條件，對設備、產品和環境保護沒有不利影響。

7.2 新設備

(1)使用波紋填料，規整填料的壓降低、傳質效率高、處理量大、塔的放大效應小。

對減壓蒸餾塔內部元件使用填料代替塔盤，這樣使塔的總壓降大大降低；真空系統采用帶增壓器的3級蒸汽噴射器，可以使閃蒸區的剩余壓力下降到低于4kPa，有效降低濕蒸餾的烴分壓。

(2)使用矩形、梯形和組合導向浮閥塔盤，提高分離效率。

(3)原油蒸餾主要使用螺紋管式熱交換器，可以有效地節省建設投資，提高熱交換器的熱回收；折流棚換熱器可以提高外膜的傳熱系數，減少殼程的壓降。

(4)加熱爐是主要的能量轉換裝置。所以提高加熱爐熱效率和熱負荷的措施是：高效率大型節能燃燒器的開發和應用，可以降低過剩空氣系數和減少霧化蒸汽的技術措施；使用各種形式的擴面管和除灰技術；陶瓷纖維類隔熱材料的廣泛應用，減少了熱量損失；加強煙氣熱回收，減少排煙熱損失，開發和應用各種形式的空氣預熱器，配置余熱鍋爐；采用有效的監測儀器，微機控制管理。

(5)廠家蒸餾裝置生產波動較大，利用變頻調速技術，降低裝置能耗的效果是非常重要的。

7.3 優化

常減壓蒸餾單元進一步提高熱回收的關鍵是低溫熱量經過利用, 可以節約燃料,減少冷卻水的用量和空氣冷卻器的電力消耗,有很大的節能效果。低溫熱回收,可以從兩個方面入手:第一是選擇合適的工藝流程,采用先進的換熱網絡技術; 其次是用新的換熱設備,用高效熱交換器可以改善傳熱的效果。

(1)含硫原油,不需要從加熱爐獲得熱量,只是通過和低溫熱源更多段換熱,充分利用低溫熱源換熱到150 ～ 250℃,經過初蒸餾塔、閃蒸塔,實現輕組分在低溫下充分的蒸發分離。在分離出輕組分后的拔頭原油之后,可以進一步與中低溫熱源換熱,進入常壓爐的溫度達到294℃左右。

(2)經常減壓蒸餾得到的各種各樣的餾分從蒸餾塔內餾出時,具有不同的溫度。利用窄點技術,每一種熱餾分油將分幾個溫度段和原油等冷媒體進行換熱。熱源和冷源都被分成許多的溫度段,換熱網絡的優化就有了數量上的保證。

(3)煉油廠為了回收更多較高能量水平的熱量，采用常壓塔第三處中段循環回流。

(4)在減壓塔底部打入急冷油以降低溫暖，減少殘油分解、結焦傾向。

(5)在減壓爐的入口注入蒸汽，為了提高油在爐管內的流速，對大粘度和高殘炭值的原油可以達到提高傳熱效率、防止爐管結焦、延長操作周期的作用，在塔底吹進少量的過熱蒸汽，還有助于殘留物中輕組分的揮發，殘留物＜500 ℃的含量低于5%。塔底吹蒸汽和爐管注蒸氣總和小于1%，此量遠低于傳統的塔底部汽提量的2%～3%。

8 結語

可以利用窄點技術對煉油廠常減壓工段換熱網絡擴建時進行優化改造；積極研究高酸值原油煉制時用的脫酸劑和通過原油過濾法脫除鹽水的技術；在工業上利用活化劑去強化原油的常減壓蒸餾；在常壓塔應用L1條型浮閥和梯形浮閥塔板并在減壓塔的改造中應用規整填料。

參考資料：

[1]楊興主編.燃料油生產技術.北京：化學工業出版社，2010.

[2]王華.原油常減壓裝置節能技術.天然氣與石油，2006，24(3)：59～64.