生產潤滑油基礎油的加氫裂化技術

張 霞，白振民，吳子明，范思強，曹正凱

（中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116041）

潤滑油的主要生產國家的平均潤滑油產量為45 Mt/a，在潤滑油生產工藝中，85%是傳統的基礎油［1-6］。傳統基礎油的黏度指數低，很難生產更高牌號的潤滑油基礎油。傳統潤滑油基礎油的生產通常采用溶劑精制工藝，但該工藝對原料油質量的要求過高，原料油適應性差［7-10］。近年來，加氫工藝成為國外生產潤滑油基礎油最主要的技術路線。采用加氫工藝生產的潤滑油黏度指數高［11-12］。另外，由于潤滑油基礎油的生產通常采用加氫異構脫蠟工藝，使得鏈烷烴轉化為異構烷烴并保留在潤滑油基礎油中，因此該工藝的產品收率高、損失低。加氫裂化尾油富含大量的鏈烷烴和環烷烴，芳烴含量低，可作為優質的潤滑油基礎油原料［13-15］。國外采用加氫工藝生產潤滑油主要以蠟油為原料，加氫裂化所產的尾油黏度指數高，經過異構脫蠟后可生產高質量的潤滑油基礎油。

本工作通過考察加氫裂化過程中精制溫度、轉化深度、氫分壓以及原料油類型對加氫裂化尾油黏度指數的影響，優化了加氫裂化工藝條件，為采用加氫裂化工藝生產優質潤滑油基礎油提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

加氫精制催化劑FF-36：山東公泉催化劑有限公司；加氫裂化催化劑FC-26、異構脫蠟催化劑FIW-1、補充精制催化劑FHDA-1：中國石化催化劑公司撫順分公司。原料油：鎮海煉化減壓蠟油（鎮海VGO）、沙特餾程較輕的減壓蠟油（沙輕VGO）、大慶油田減壓蠟油（大慶VGO）。原料油的主要性質見表1。

表1 原料油的主要性質Table 1 Main properties of feedstock

1.2 實驗方法

實驗在小型加氫裂化實驗裝置上進行，選用傳統加氫精制催化劑FF-36 以及加氫裂化催化劑FC-26。該裝置配備精密的機泵設備、先進的自動控制系統、氫氣循環系統和分離系統等，可用來模擬工業裝置的工藝流程和操作工況。小型加氫裂化實驗裝置的簡易工藝流程見圖1。

圖1 小型加氫裂化實驗裝置的簡易工藝流程Fig.1 Simple flow chart of the hydrocracking unit with a small scale.

實驗所用氫氣為脫氧、脫水后的電解氫，純度大于99.9%（φ），氧含量小于5 μL/L。

2 結果與討論

2.1 轉化深度對加氫裂化產品的影響

以鎮海VGO 為原料，反應壓力為14.7 MPa，加氫精制催化劑FF-36、加氫裂化催化劑FC-26、后加氫精制催化劑FF-36 的體積空速分別為1.4，1.6，18.6 h-1，精制反應器和裂化反應器的氫油體積比分別為850∶1 和1 250∶1，控制精制油氮含量小于10 μg/g。在以上反應條件不變的前提下，考察了轉化深度（即不同單程轉化率）對加氫裂化產品分布及其性質的影響。轉化深度對加氫裂化產品分布的影響見圖2。由圖2 可知，隨著轉化率的提高（轉化率=100%-尾油收率），干氣、液化氣、輕石腦油（干點低于65 ℃）、重石腦油（餾程范圍為65 ～140 ℃）及航空煤油（餾程范圍為140 ～210 ℃）收率增加，柴油（餾程范圍為210 ～380 ℃）收率降低。尾油（初餾點大于370 ℃）收率為25%（w）時，柴油收率最高，為43.47%（w）；尾油收率為10%（w）時，航空煤油收率最高，為20.06%（w）。

圖2 轉化深度對加氫裂化產品分布的影響Fig.2 Influence of conversion on the distribution of hydrocracking products.

轉化深度對氫耗、中油選擇性及液體收率的影響見圖3。由圖3 可知，隨著轉化深度的提高，氫耗逐漸增加，中油選擇性和液體收率逐漸降低。尾油收率為10%（w）時，氫耗最高，為3.30%；尾油收率為25%（w）時，中油選擇性及液體收率最高，分別為78.0%和98.71%。

圖3 轉化深度對氫耗、中油選擇性及液體收率的影響Fig.3 Influence of conversion on the hydrogen consumption，selectivity of middle distillates and liquid yield.

轉化深度對輕石腦油性質的影響見表2。由表2 可知，隨著轉化率的提高，輕石腦油中異構烷烴含量逐漸增加。由于鏈烷烴的裂解遵循碳正離子機理，異構烷烴是主要產物。因此，隨著轉化深度的提高，鏈烷烴裂解選擇性增加，輕石腦油中異構烷烴含量隨之增加。

表2 轉化深度對輕石腦油性質的影響Table 2 Influence of conversion on the properties of light naphtha

轉化深度對重石腦油性質的影響見表3。由表3 可知，隨著轉化率的增加，重石腦油密度逐漸降低。在重石腦油餾程相同的前提下，這是由組成變化導致的。隨著轉化率的增加，重石腦油中烷烴含量逐漸增加，環烷烴與芳烴含量逐漸降低。重石腦油芳潛含量的降低是由芳烴飽和及轉化深度增加引起的。當尾油收率為10%（w）時，重石腦油的芳潛含量為56.9%（w），仍可作為優質的催化重整原料。

表3 轉化深度對重石腦油性質的影響Table 3 Influence of conversion on the properties of heavy naphtha

轉化深度對航空煤油性質的影響見表4。由表4 可知，隨著轉化深度的提高，航空煤油的密度呈降低的趨勢，這與它的組成變化有關。航空煤油的芳烴含量逐漸降低，煙點逐漸增加。尾油收率為18%（w）時，航空煤油的煙點為25.7 mm，冰點和萘系烴含量低，各項指標均滿足3#航空煤油要求。

表4 轉化深度對航空煤油性質的影響Table 4 Influence of conversion on the properties of jet fuel

轉化深度對柴油性質的影響見表5。由表5 可知，隨著轉化率的增加，柴油的冷濾點、傾點及凝點降低，環烷烴和芳烴含量降低，鏈烷烴含量增加，這部分鏈烷烴是由尾油轉化而來的。

表5 轉化深度對柴油性質的影響Table 5 Influence of conversion on the properties of diesel

轉化深度對尾油性質的影響見表6。由表6 可知，隨著轉化深度的提高，尾油中鏈烷烴與單環環烷烴的總量減少。在餾程相同的前提下，尾油的黏度指數與鏈烷烴和單環環烷烴的總量正相關。因此當轉化率大于75%（即尾油收率小于25%）時，隨著轉化深度的增加，尾油黏度指數逐漸降低。尾油的BMCI 值與芳烴含量正相關，隨著轉化率的增加，尾油中芳烴含量逐漸降低，BMCI 值也隨之降低。當轉化率為75%時，尾油黏度指數最高，達到136，BMCI 值為8.8，此時尾油中高黏度指數的單環環烷烴與鏈烷烴含量最高，為76.1%（w）。因此，控制適當的轉化率可有效提高尾油的黏度指數。

表6 轉化深度對尾油性質的影響Table 6 Influence of conversion on the properties of tail oil

2.2 精制溫度對尾油性質的影響

以鎮海VGO 為原料，控制精制段體積空速為1.0 h-1、氫油體積比為850∶1、氫分壓為14.7 MPa，考察了精制溫度對生成油性質的影響，實驗結果見表7。由表7 可知，隨著精制溫度的升高，精制油的硫、氮含量逐漸降低，當溫度為384 ℃時，精制油的氮含量為10 μg/g；芳烴與鏈烷烴含量逐漸降低，但當溫度超過381 ℃后，鏈烷烴含量變化不大。重要的是環烷烴含量隨著精制溫度的升高明顯增加，而尾油中單環環烷烴是高質量潤滑油基礎油的組分，它的黏度指數高、凝點低。

控制轉化率為75%，精制溫度對尾油BMCI值的影響見圖4。由圖4 可知，隨著精制溫度的升高，尾油的BMCI 值逐漸降低，這是由芳烴飽和深度的增加引起的。當精制溫度為369 ℃時，尾油的BMCI 值最高，為11.0；當精制溫度為384 ℃時，尾油的BMCI 值最低，為9.2。

表7 精制溫度對生成油性質的影響Table 7 Influence of refinement temperature on the properties of product oil

圖4 精制溫度對尾油BMCI 值的影響Fig.4 Influence of refinement temperature on the BMCI value of tail oil.Reaction conditions referred to Table 7.

圖5 精制溫度對尾油黏度指數的影響Fig.5 Influence of refinement temperature on the VI of tail oil.Reaction conditions referred to Table 7.

控制轉化率為75%，精制溫度對尾油黏度指數的影響見圖5。由圖5可知，隨著精制溫度的升高，尾油黏度指數逐漸增大。這是因為隨著精制深度的增加，精制油中環烷烴含量遞增，芳烴含量明顯降低，而尾油中則富集了更多優質的環烷烴組分，使得它的黏度指數增大。當精制溫度為369 ℃時，尾油黏度指數最低，為122；當精制溫度為384 ℃時，尾油黏度指數最高，為132。

2.3 氫分壓對尾油性質的影響

控制轉化率為75%，氫分壓對尾油黏度指數和BMCI 值的影響見圖6。由圖6 可知，隨著氫分壓的降低，尾油黏度指數由145 降至140。尾油的BMCI 值隨著氫分壓的提高逐漸降低，這是由于高的氫分壓有利于芳烴飽和，飽和后的芳烴開環轉化為環烷烴及鏈烷烴。尾油中環烷烴和鏈烷烴含量的增加有利于尾油黏度指數的提高及BMCI 值的降低。整體來說，氫分壓越高，尾油質量越好。

圖6 氫分壓對尾油黏度指數和BMCI 值的影響Fig.6 Influence of H2 pressure on VI and BMCI of tail oil.Reaction conditions：LHSV=1.0 h-1，V(H2)∶V(Oil)= 850∶1.

2.4 原料油類型對尾油性質的影響

控制尾油收率約為70%（w），原料油類型對尾油黏度指數的影響見圖7。由圖7 可知，三種加氫裂化尾油黏度指數由小到大的順序為沙輕VGO＜鎮海VGO＜大慶VGO。尾油的黏度指數與原料油組成有直接關系。沙輕VGO 中芳烴含量最高，鏈烷烴含量最低，因此由它制得的尾油黏度指數最低，為136。而大慶VGO 為石蠟基原料油，鏈烷烴含量高，芳烴含量低，由它制得的尾油黏度指數最高，為140。

圖7 原料油類型對尾油黏度指數的影響Fig.7 Influence of type of feedstock on the viscosity index of tail oil.Reaction conditions referred to Table 7.

2.5 加氫裂化尾油異構脫蠟

以FF-36 為加氫精制催化劑、FC-26 為加氫裂化催化劑、FIW-1 為異構脫蠟催化劑、FHDA-1為補充精制催化劑，加工兩種原料油，分別為加氫裂化尾油-1 和加氫裂化尾油-2。加氫裂化裝置原料油性質見表8，加氫裂化及異構脫蠟的工藝條件見表9，異構脫蠟與溶劑脫蠟的實驗結果見表10 ～11。原料油經加氫裂化后，根據尾油密度、餾程等性質的不同將其分為加氫裂化尾油-1 和加氫裂化尾油-2。加氫裂化尾油-1 經溶劑脫蠟后，基礎油的收率僅為55.00%（w），損失嚴重。加氫裂化尾油-2 經異構脫蠟后，基礎油的黏度指數為121，可以滿足API Ⅲ類潤滑油基礎油黏度指數標準，基礎油收率為68.91%（w）。異構脫蠟工藝將正構烷烴轉化為異構烷烴并保留在基礎油中，因此基礎油的傾點低于溶劑脫蠟后的基礎油。另外，加氫裂化尾油-1 經溶劑脫蠟后，基礎油黏度指數損失25 個單位；加氫裂化尾油-2 經異構脫蠟后，基礎油黏度指數損失22 個單位，表明異構脫蠟工藝通過將直鏈烷烴異構為異構烷烴，使基礎油的黏度指數損失降低。

表8 加氫裂化原料油的性質Table 8 Properties of hydrocracking feedstock

表9 加氫裂化及異構脫蠟的工藝條件Table 9 Conditions of hydrocracking and isodewaxing processes

表10 異構脫蠟與溶劑脫蠟的實驗結果Table 10 Experimental results of isodewaxing and solvent dewaxing

表11 異構脫蠟前后尾油的性質Table 11 Properties of tail oils before and after isodewaxing

3 結論

1）以鎮海VGO 為原料，轉化率為75%時，尾油中鏈烷烴與單環環烷烴含量最高，黏度指數最大，達到136。

2）以鎮海VGO 為原料，隨著精制溫度的升高，生成油中環烷烴含量逐漸增加，尾油黏度指數增大，而BMCI 值逐漸降低。

3）氫分壓對尾油的黏度指數影響顯著，較高的氫分壓有利于生產高黏度指數與低BMCI 值的尾油。

4）原料油的鏈烷烴含量越高、芳烴含量越低，尾油黏度指數越高。當加工大慶VGO 時，尾油黏度指數最高為140。以加氫裂化尾油為異構脫蠟工藝原料，可以生產滿足API Ⅲ類標準的潤滑油基礎油，且基礎油收率明顯高于溶劑脫蠟工藝。