委內瑞拉常壓渣油懸浮床加氫裂化尾油循環反應實驗研究

李　傳， 陳　磊， 鄧文安

(中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 山東 青島 266580)

委內瑞拉常壓渣油懸浮床加氫裂化尾油循環反應實驗研究

李傳， 陳磊， 鄧文安

(中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 山東 青島 266580)

摘要：以委內瑞拉常壓渣油為原料，分別采用3種加氫裂化反應產物(>500℃餾分、>400℃餾分、>350℃餾分)作為循環尾油，在高壓釜中進行了425℃、14 MPa下的懸浮床加氫裂化尾油循環反應研究，考察了循環尾油餾程以及尾油外甩比對循環反應體系生焦量、瀝青質含量和液體產物分布的影響，并采用SEM、1H-NMR測定了焦炭形貌和瀝青質結構參數，以探索重油懸浮床加氫裂化尾油循環工藝的可行性。結果表明，相對于一次通過反應，尾油循環反應能有效提高原料轉化率；采用>500℃餾分作為循環尾油時，體系生焦量隨循環反應次數的增加而持續增加，而采用>400℃餾分或>350℃餾分作為循環尾油時，循環反應4次后，體系生焦量、焦炭形貌、液體產物分布、瀝青質含量和結構均基本保持不變。說明當選擇合適餾分作為懸浮床加氫裂化循環尾油時，重油懸浮床加氫裂化尾油循環工藝可行。此外，當反應溫度和壓力一定時，降低循環尾油的初餾點或減小外甩尾油比可提高原料的轉化率，同時會使新鮮原料空速降低。因此，為保證較高的新鮮原料空速和轉化率，必須采用合適的循環尾油餾程和尾油外甩比。

關鍵詞：常壓渣油； 懸浮床加氫裂化； 尾油循環； 生焦； 瀝青質

目前，世界原油重質化、劣質化程度加劇，石油化工市場對優質燃料和化工產品需求增加，環保法規對產品質量的要求日益嚴格[1-2]，使劣質重油的清潔利用成為石油化工行業必須面臨的重要問題之一[3]。在眾多重油輕質化技術中，重油懸浮床加氫裂化技術既可處理催化裂化、固定床加氫裂化等工藝不能處理的高殘炭、高金屬含量的劣質重油，又可生產出比延遲焦化工藝性質更優良的清潔產品[4]，顯示出其獨特的優勢以及市場推廣潛力，吸引了多家石油公司及科研機構對其進行開發和研究[5-9]，以期加快其工業化進程。

重油懸浮床加氫裂化技術實質是在分散型催化劑作用下，使劣質重油原料在10～23 MPa、420～450℃下發生臨氫熱裂化的工藝過程[10-12]，在生產大量輕質燃料油的同時，也產出20%～30%(質量分數)的加氫裂化尾油(簡稱加氫尾油)。相對于反應原料，加氫尾油性質較差，主要含有重油懸浮床加氫裂化未轉化的重質組分、反應縮合生成的焦炭以及催化劑，二次加工性能相對較差，經濟價值不高[13-17]，因此，如何減少加氫尾油產率，成為提高重油懸浮床加氫裂化技術經濟性的關鍵問題之一。

當重油懸浮床加氫裂化采用一次通過方案時，一般通過提高反應苛刻度來提高反應單程轉化率，由此產生的生焦問題會影響裝置的長周期運轉，而在較緩和條件下進行尾油循環的方案可在少量生焦的前提下，保證較高的全程轉化率，是維持裝置長周期運轉的有效途徑。目前，關于重油懸浮床加氫裂化尾油循環的研究僅限于考察加氫尾油的二次反應性能[18-21]，以及加氫尾油中催化劑的二次加工活性[22-23]，未有關于尾油循環工藝可行性及影響因素的相關研究，不能對重油懸浮床加氫裂化尾油循環工藝條件的選擇提供有效的指導，也不能為該工藝的推廣提供有力的理論支持。

筆者以委內瑞拉常壓渣油為原料，設計尾油循環實驗流程，采用高壓釜研究了不同餾程循環尾油的重油懸浮床加氫裂化反應。測定不同循環次數下體系生焦的情況以及瀝青質含量、結構變化，考察了循環尾油餾程及尾油外甩比[22,24]對重油懸浮床加氫裂化尾油循環反應的影響，分析了尾油循環方案的可行性，以期為重油懸浮床加氫裂化尾油循環工藝的進一步研究和開發提供理論指導。

1實驗部分

1.1原料及催化劑

委內瑞拉常壓渣油(MRAR)，其主要性質如表1 所示；油溶性鉬/鎳復配催化劑，實驗室自主研制。

表1　委內瑞拉常壓渣油(MRAR)的主要性質

1.2實驗步驟

1.2.1尾油循環流程及方案

按照外甩尾油與新鮮原料質量比(外甩比)恒定的方式進行尾油循環反應，反應流程示于圖1。

如圖1所示，每次循環反應的釜反應原料質量恒定，第一次反應(R0，無循環)的釜反應原料為MRAR新鮮原料，在一定的溫度、壓力和反應時間下進行懸浮床加氫裂化反應后，產品分成氣體、壁相焦以及含液相焦的液體產物。含液相焦的液體產物經蒸餾分為汽油(<180℃餾分)、柴油(180～350℃餾分)、部分蠟油和加氫尾油(加氫尾油為含液相焦的減壓渣油或減壓渣油與部分蠟油的混合餾分)。加氫尾油按外甩比外甩一部分作為外甩尾油產品，外甩尾油通過進一步蒸餾切割成蠟油(<500℃餾分)和含液相焦的減壓渣油(>500℃餾分)，含液相焦的減壓渣油通過甲苯離心分離得到液相焦和減壓渣油餾分；加氫尾油的剩余部分作為循環尾油和部分新鮮MRAR混合作為第一次循環反應(R1)的原料。每次循環反應(R2、R3…)均按上述步驟進行反應和產品分離，并測定每次循環反應的產品質量分布。

圖1　尾油循環反應流程示意圖

在反應條件固定的情況下，外甩尾油或加氫尾油的流程和尾油外甩比是影響尾油循環反應產物分布的關鍵因素，本研究中在相同釜式反應條件下進行4種尾油循環方案的實驗。

方案Ⅰ，尾油外甩比為20%，外甩尾油為產品中>500℃餾分；

方案Ⅱ，尾油外甩比為20%，外甩尾油為產品中>400℃餾分；

方案Ⅲ，尾油外甩比為20%，外甩尾油為產品中>350℃餾分；

方案Ⅳ，尾油外甩比為10%，外甩尾油為產品中>400℃餾分。

1.2.2釜反應條件及產物分布測定

釜式反應原料質量為150 g，催化劑添加量按金屬質量計算為150 μg/g，反應溫度425℃，反應壓力14 MPa，反應時間1.0 h。

反應原料加入高壓釜中后，稱取高壓釜和反應原料總質量(m0)，再充入H2，試壓后進行釜式反應。反應結束后，將反應釜急冷至室溫，緩慢放出氣體至壓力為常壓，再測定高壓釜和釜內產品總質量(m1)，m1與m0的差值計為氣體質量；將高壓釜中液相產品(含液相焦)移至蒸餾燒瓶中，進行常減壓蒸餾，切割為汽油餾分(IBP～180℃，m2)、柴油餾分(180～350℃，m3)、部分蠟油餾分(m4)和加氫尾油(m5)。加氫尾油中外甩尾油(m6)進一步蒸餾切割成蠟油(350～500℃，m7)和含液相焦的減壓渣油(m8)，含液相焦的減壓渣油經甲苯離心分離得到減壓渣油(>500℃，m9)和液相焦(m10)；加氫尾油中的剩余部分作為循環尾油(m5-m6)和新鮮原料(150-(m5-m6))混合，作為下一次循環反應進料。高壓釜中攪拌桿、釜壁和釜底的焦炭經甲苯離心，干燥后計為壁相焦(m11)。上述m0～m11分別為各物料的質量，g。

每次循環反應的產物收率為各產物質量與釜反應原料(150 g)的比值。

尾油循環反應達到平衡后，新鮮原料空速為新鮮原料質量與釜反應原料(150 g)的比值，各產物的平衡收率為各產物質量與新鮮原料的比值。

1.3產物性質分析

1.3.1瀝青質含量分析

參照行業標準SH/T0509-92測定渣油原料、反應后加氫尾油的瀝青質含量。將得到的正庚烷瀝青質進行收集，用于后續的性質分析。

1.3.2瀝青質微觀結構表征

采用荷蘭FEI公司Sirion-200型掃描電鏡觀察樣品的表面形貌。

1.3.3瀝青質結構參數測定

采用德國Elementar公司Elementar vario el Ⅲ 型元素分析儀測定瀝青質的碳、氫、硫、氮元素含量，絕對誤差在0.1%以內。

采用德國Bruker公司Bruker Avance 2500型核磁共振波譜儀測定得到瀝青質1H-NMR數據，共振頻率為500 MHz，所用溶劑為CDCl3，內標為四甲基硅烷(TMS)。

根據瀝青質元素含量和類型氫分布數據，采用改進B-L法[20]計算所需要的瀝青質的平均結構參數。

2結果與討論

2.1尾油循環反應的可行性研究

2.1.1尾油循環反應產物分布變化趨勢

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4種尾油循環方案反應產物總焦(液相焦+壁相焦)含量示于圖2，方案Ⅱ生焦的形貌如圖3所示，方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3種循環方案反應產物分布列于表2、表3和表4。

圖2　不同尾油循環方案的生焦率

由圖2可知，當循環尾油初餾點過大(>500℃餾分，方案Ⅰ)時，體系生焦嚴重，并隨著循環次數增加，生焦量持續增加，因此該餾分在此反應條件下不適合作為循環尾油。而當減小循環尾油初餾點(>400℃餾分和>350℃餾分，方案Ⅱ、方案Ⅳ和方案Ⅲ)時，在考察的循環次數范圍內，生焦量隨著循環次數的增加先逐漸增加，但在循環反應4次后基本保持不變，約為2.0%。這是因為采用低餾分段(>400℃和>350℃)的餾分作為循環尾油時，循環尾油中含有部分蠟油餾分，蠟油中的芳香類化合物是優良的供氫劑和生焦基團捕捉劑，能夠有效提高反應體系的膠體穩定性，減少反應生焦[21,25]，從而使體系循環反應一定次數后，尾油循環體系趨于穩定，體系生焦量基本不再變化。

由圖3可見，隨著循環次數增加，方案Ⅱ生成的液相焦粒在尺寸上有一定幅度增大(R0→R2→R4)，焦炭形貌也有輕微的改變；而當循環反應4次后，焦炭粒徑和形態基本不再變化(R4→R8)，與循環反應生焦量變化規律相一致。方案Ⅲ和方案Ⅳ的焦炭形貌也具有相似規律。

方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3種循環方案反應產物分布規律(見表2～4)也可證明上述結論。

由表2～4可知，在考察的尾油循環反應次數范圍中，隨著循環反應次數的增加，循環反應產物的餾分分布呈規律性變化。采用>400℃餾分和>350℃餾分作為循環尾油時，隨著循環次數的增加，產物中氣體、汽油、柴油和蠟油餾分收率呈下降趨勢，尾油收率呈增加趨勢；當循環反應4次后各餾分收率基本不再變化，說明循環反應4次后，尾油循環體系趨于穩定，由新鮮原料生成尾油量和外甩尾油量基本相等，體系生焦量將不再增長，反應產物收率和生焦量均趨于恒定；循環反應體系趨于穩定，可保證尾油循環反應持續進行。因此，當循環尾油餾程合適時，重油懸浮床加氫尾油循環工藝可行。

2.1.2瀝青質含量及結構的變化趨勢

瀝青質是渣油膠體體系的核心，也是裂化縮合反應生焦的主要前驅物[19]。瀝青質的質量分數和結構對渣油膠體穩定性有重要的影響，瀝青質的結構特性決定了其反應活性，主要決定了渣油加氫反應的生焦性能[20-21]。

圖4為尾油循環方案Ⅱ不同循環次數下瀝青質含量的變化。由圖4可知，在考察的循環次數范圍內，隨著循環次數的增加，瀝青質含量逐漸增加，在循環反應4次后基本不再變化，說明在循環4次后，反應生成的瀝青質和體系轉化成焦炭的瀝青質含量達到平衡，尾油循環體系趨于穩定。

圖3　尾油循環方案Ⅱ生成的焦炭的SEM照片

Recyclingtimesw/%GasGasolineKeroseneLightlubeoil(350-400℃)Hydrocrackedresidue(>400℃)R04.59.713.311.960.6R12.78.612.610.166.0R22.08.911.29.868.1R33.38.710.49.468.2R42.08.810.78.969.6R52.38.510.69.569.1R62.58.710.89.168.9R72.38.810.59.369.1R82.28.610.69.469.2

表3　尾油循環方案Ⅲ不同循環次數時的產物分布

表4　尾油循環方案Ⅳ不同循環次數時的產物分布

圖4　尾油循環方案Ⅱ不同循環次數時的瀝青質質量分數

表5、表6列出了尾油循環方案Ⅱ不同循環次數下瀝青質的元素組成、氫類型分布及結構參數。由表5可知，在一定循環次數內，隨著循環次數的增加，瀝青質H/C原子比、S元素和N元素含量均逐漸減小，當循環反應4次后，它們基本不再變化。這是因為在尾油循環反應過程中，新鮮原料中加入性質較差的循環尾油，使體系膠體穩定性下降，新鮮原料和循環尾油中的瀝青質分子發生縮合反應的程度增加，從而導致產物中瀝青質H/C原子比減小；同時，由于存在一定的加氫脫硫和加氫脫氮反應，使瀝青質中的S、N元素含量也逐漸減小。當循環次數達到4次后，新鮮原料中的瀝青質分子發生縮合反應生成的瀝青質分子與循環尾油中瀝青質分子發生縮合反應生成的瀝青質分子結構基本保持一致，循環體系達到穩定狀態，瀝青質中元素含量不再發生變化。

表5　尾油循環方案Ⅱ不同循環次數時瀝青質的元素組成

表6　尾油循環方案Ⅱ不同循環次數時瀝青質的類型H含量和結構參數

HA, Hα, Hβ, Hγ—Hydrogen types

由表6可知，隨著循環反應次數的增加，瀝青質中與芳香碳直接相連的氫(HA)、芳香側鏈α氫(Hα)比例增加，芳香側鏈β氫(Hβ)和芳香環γ碳及其更遠的氫(Hγ)比例降低，尤其是Hβ在循環反應過程中降低得較明顯，這主要是由于瀝青質芳香片層烷基長側鏈的斷裂引起的。循環反應4次后，各種類型H的含量基本不再變化，HA、Hα、Hβ總含量超過90%，說明在循環反應過程中瀝青質分子主要以芳香環系連接短的烷基側鏈的形式穩定存在。此外，隨循環反應次數的增加，瀝青質芳香碳分率fA和縮合指數CI增大，芳香環系周邊取代率σ隨循環反應而減小，在循環反應4次后均趨于恒定，說明瀝青質分子芳香環系發生加氫開環、烷基側鏈斷裂以及縮合反應達到一定程度后，瀝青質結構趨于穩定，不再生成縮合度更高的瀝青質分子。

綜合圖4、表5和表6可知，方案Ⅱ循環反應4次后，體系中瀝青質含量和分子結構基本保持不變，說明反應體系生成的瀝青質和轉化為焦炭的瀝青質在含量和結構上均保持一致，循環反應體系達到平衡(方案Ⅲ和方案Ⅳ也具有相同變化規律)，進一步證明重油懸浮床加氫尾油循環工藝可行。

2.2循環尾油流程及尾油外甩比對尾油循環反應的影響

尾油循環方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中新鮮原料空速的變化情況如圖5所示，體系穩定后的產物分布列于表7。

圖5　不同尾油循環方案的新鮮原料空速

ProductYieldofonce-throughreaction/%Equilibriumyield/%ProjectⅡProjectⅢProjectⅣGas7.06.011.67.6Gasoline(IBP-180℃)8.823.029.631.9Kerosene(180-350℃)14.428.137.024.3Vacuumgasoil(350-500℃)35.731.514.127.5Vacuumresidue(>500℃)34.111.47.78.7

由圖5和表7可知，尾油循環方案下新鮮原料的空速隨著循環反應進行而降低，并逐漸達到一個恒定值；相對于一次通過方案，尾油循環方案能明顯提高原料轉化率，生成更多的汽、柴油產品。方案Ⅱ與方案Ⅲ相比，當循環尾油由>400℃餾分變為>350℃餾分后，新鮮原料空速降低，新鮮原料轉化率升高，說明當尾油外甩比一定時，采用初餾點較低的循環尾油可以增加原料的轉化率，但會使新鮮原料空速下降；與方案Ⅳ相比，當尾油外甩比由20%減小為10%后，新鮮原料空速降低，新鮮原料轉化率升高，說明當循環尾油餾程一定時，減小尾油外甩比也可提高原料的轉化率，同時使新鮮原料空速有所下降。上述結果說明，在尾油循環方案中，原料轉化率除與反應溫度有關外，采用初餾點較低的餾分作為循環尾油和采用較小的尾油外甩比也可以提高原料轉化率，但同時會使新鮮原料的空速有所降低。因此，為在保證較高新鮮原料空速的前提下具有較高的原料轉化率，必須采用合適的循環尾油餾分和尾油外甩比。

3結論

(1)當選擇合適餾分作為懸浮床加氫裂化循環尾油時，重油的懸浮床加氫裂化尾油循環工藝可行；并且，相對于一次通過方案，尾油循環方案能有效提高原料轉化率。

(2)當重油懸浮床加氫裂化尾油循環工藝的反應溫度和壓力一定時，降低循環尾油的初餾點或減小外甩尾油比可提高原料的轉化率，同時會使新鮮原料空速降低。

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Experimental Study on Slurry-Bed Hydrocracking Bottom Oil Recycling Reactions ofVenezuela Atmospheric Residue

LI Chuan, CHEN Lei, DENG Wenan

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract：The reactions of slurry-bed hydrocracking bottom oil recycling of Venezuela atmospheric residue at 425℃ under a hydrogen pressure of 14 MPa were processed in autoclave with three kinds of products (>500℃ fractions, >400℃ fractions and >350℃ fractions) as recycling bottom oil, and the effects of distillation range of recycling bottom oil and ratio of swing bottom oil to fresh oil on coke yield, asphaltene content and distribution of liquid products were investigated. And then the microstructure of coke and structural parameters of asphaltene during recycling reactions were characterized by SEM and1H-NMR. The results showed that compared with once-through reaction, the bottom oil recycling reaction could increase the conversion rate of raw oil effectively. With >500℃ fractions as recycling bottom oil, the coke yield increased as the times of recycling reactions increased, but with >400℃ fractions or >350℃ fractions as recycling bottom oil, after four times of recycling reactions, the yield and microstructure of coke, the distribution of liquid products and the content and structure of asphaltene were almost unchanged, indicating that with suitable cut fractions as recycling bottom oil the bottom oil recycling technology of slurry-bed hydrocracking of heavy oil was feasible. In addition, under certain reaction temperature and hydrogen pressure, decreasing the initial boiling point of recycling bottom oil or increasing the ratio of swing bottom oil to fresh oil could increase the conversion rate of raw oil, but decrease the space velocity of fresh oil. Therefore, in order to get higher space velocity and conversion rate of fresh oil during bottom oil recycling reactions, appropriate distillation range of recycling bottom oil and ratio of swing bottom oil to fresh oil are necessary.

Key words：atmospheric residue; slurry-bed hydrocracking; bottom oil recycling; coke; asphaltene

收稿日期：2015-05-11

基金項目：國家自然科學青年基金項目(21106186)資助

文章編號：1001-8719(2016)03-0569-09

中圖分類號：TE624.4

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.018

通訊聯系人： 李傳，男，副教授，博士，從事重質油化學與加工研究；Tel：0532-86981852；E-mail：lichuan_upc@163.com