提高環烷基潤滑油基礎油加氫裝置收率的措施

顧善龍，張向英，陳春保，肖亞梁

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

環烷基原油是一種稀缺資源，其儲量僅占原油總儲量的2.2%[1]。環烷基原油經加工可得到環烷基潤滑油基礎油(簡稱基礎油)，而環烷基基礎油具有傾點低、黏度指數低、相容性好等特點，市場應用前景廣闊[2-4]。中海油綏中SZ36-1原油即屬于環烷基原油[5-6]，因此中海油氣(泰州)石化有限公司利用潤滑油基礎油高壓加氫裝置，以綏中SZ36-1減一線、減二線、減三線餾分油為原料，采用加氫處理/脫蠟-加氫后精制兩段串聯式全加氫工藝生產環烷基基礎油，產品主要用作變壓器油和橡膠增塑劑基礎油。然而，在對該裝置生產環烷基基礎油的收率進行標定時發現，產品收率比設計值低。

針對該問題，本研究以SZ36-1減三線餾分油加氫生產U30變壓器油和N4010橡膠增塑劑的過程為例，分析影響環烷基基礎油產品收率的因素，并采取相應改善措施，以提高基礎油收率，滿足市場需求。

1 餾分油加氫工藝流程

餾分油加氫工藝流程如圖1所示。由圖1可知，餾分油加氫工藝流程主要包括一段反應系統、二段反應系統和常減壓分餾系統。其中，一段反應系統的加氫處理反應器(R101)、脫蠟反應器(R102)均具有3個催化劑床層，從上至下分別為第一、第二、第三床層，裝有保護劑、加氫處理劑、脫蠟劑等催化劑，床層入口設有冷氫輸送管線，用以調節反應溫度。減三線原料油先進入一段反應系統，經過R101、R102進行脫金屬、脫硫、脫氮、脫芳烴及催化脫蠟反應；之后，進入二段反應系統的后精制反應器(R103)進行進一步的芳烴飽和反應；最后，進入常減壓分餾系統，由減壓塔(C202)的減二線餾出U30變壓器油，由減壓塔塔底得到N4010橡膠增塑劑。

圖1 工藝流程示意

2 標定前基礎油收率

標定前，環烷基基礎油的收率變化情況如圖2所示。由圖2可知，在2020年5月27日至2020年9月25日期間，共加工4批次減三線原料油，生產過程平穩且產品全部合格。環烷基基礎油的收率最低80.73%、最高86.18%，平均83.67%，比設計值(89%)低5.33百分點。而且，基礎油收率超過85%的日期僅占總生產日期的12.3%。

圖2 標定前基礎油的收率

3 基礎油收率標定及分析

以2020年5月27日至2020年9月25日期間裝置加工減三線蠟油生產U30變壓器油及N4010橡膠增塑劑的工藝參數為基礎，于2020年10月20日9：00至2020年10月22日9：00對該裝置加工減三線油生產環烷基基礎油的收率進行了標定。標定期間原料性質、操作條件穩定，產品合格。

3.1 原料油性質

標定時原料油的性質與工藝設計原料油性質指標如表1所示。為使減三線原料油的實際性質與設計值相接近，上游常減壓蒸餾裝置對其減壓塔減三線油的餾出條件進行了調整，使減三線油的餾程為390.5～470.0 ℃。由表1可知：實際減三線油的30%～90%餾出溫度與設計值較為接近；上游減壓塔的減三線油略微拔重，重組分增加，相應地100 ℃運動黏度提高至18.3 mm2/s，比設計值高2.7 mm2/s；原料油的硫含量、氮含量、密度與設計值接近，芳烴質量分數比設計值高9.12百分點，而金屬含量和傾點均在控制指標范圍內。

表1 原料油的性質

3.2 工藝參數

在脫蠟降凝的過程中，原料油發生加氫裂化反應，即長鏈烷烴裂化為具有較低沸點和傾點的短鏈烷烴。裂化反應深度越大，則生成的輕組分越多，從而導致基礎油收率相應降低，因此反應體系中對基礎油收率影響最大的因素為脫蠟反應深度。影響脫蠟反應深度的主要因素有反應空速(加工量)、反應溫度、反應壓力、氫油比等，因此必須調整減三線原料油的加工工藝參數，以控制脫蠟反應深度。調整后，裝置加工減三線油的主要工藝參數如表2所示。

由表2可知，加工參數調整后，裝置加工量為27 t/h、反應壓力為14.91 MPa、一段氫油體積比為1 100、二段氫油體積比為600、脫蠟反應器第二和第三床層的平均溫度分別為363 ℃和359 ℃。將裝置加工量增加至設計上限(27 t/h)，可以提高反應空速，縮短原料在脫蠟催化劑表面的停留時間，從而降低脫蠟反應深度；將脫蠟反應器第二床層的入口冷氫閥開至最大(100%)，可以降低第二床層的入口溫度，從而降低原料油的脫蠟反應溫度。

除增大加工量和冷氫閥開度外，還可采用反應熱前移的方法降低脫蠟反應溫度。由圖1可知，脫蠟催化劑裝配在脫蠟反應器的第二床層和第三床層，而第一床層、第二床層的上下部均為加氫處理劑。由于原料油在加氫處理劑上發生的加氫脫硫、脫氮和脫芳烴反應均為放熱反應，而在脫蠟催化劑上發生的脫蠟反應為吸熱反應，因此脫蠟反應器第二床層中的實際脫蠟反應溫度至少為第二床層入口溫度與第二床層的溫升之和。通過升高第一床層的加氫反應溫度，可以提高第一床層原料油中硫、氮、芳烴的脫除率，從而減少第二床層上部加氫脫硫、脫氮、脫芳烴反應的放熱量，降低第二床層上部的溫升，進而降低脫蠟反應溫度。通過平衡上述措施的效果，可將第二床層的實際脫蠟溫度調控為371 ℃，第三床層脫蠟溫度控制在359 ℃。

此外，對基礎油收率影響較大的因素為減壓塔分離效果。減壓塔的分離效果可以通過各側線的抽出溫度體現，其中減一線、減二線、減壓塔塔底油的抽出溫度分別為103，183，272 ℃。

3.3 產品性質

加氫工藝的中間產品為一段反應生成油，而環烷基基礎油產品主要包括減二線產品(U30變壓器油)、減壓塔塔底產品(N4010橡膠增塑劑)，其主要性質分別如表3～表5所示。

表3 一段反應生成油的主要性質

表4 減二線產品(U30變壓器油)的主要性質

表5 減壓塔塔底產品(N4010橡膠增塑劑)的主要性質

一段反應生成油的硫、氮含量是保護貴金屬后精制劑的重要指標。在控制一段反應生成油硫、氮含量不超標的前提下，應最大限度地按設計上限控制加工參數，以降低加氫處理反應溫度，減少反應放熱，從而降低脫蠟反應溫度。由表3可知，此次標定過程中一段反應生成油的硫質量分數控制在3 μg/g、氮質量分數控制在3.5 μg/g，其中氮質量分數接近指標上限(5 μg/g)。

減二線產品(U30變壓器油)的閃點(閉口)下限為135 ℃。通常，上一側線拔出的餾分多，則減二線產品的抽出量減少，閃點升高；反之，則減二線產品抽出量增加，閃點降低。因此，需控制減二線產品的閃點(閉口)趨近但不低于135 ℃，盡量提高其收率。由表4可知，此次標定過程中，減二線產品的閃點(閉口)控制在142 ℃。

由表5可知，N4010橡膠增塑劑的傾點上限為-15 ℃。由于減壓塔塔底產品的傾點與脫蠟反應深度直接相關，因此應盡量降低脫蠟反應深度，減少輕組分的產生，提高N4010橡膠增塑劑收率。標定過程中，塔底產品的傾點控制在-18 ℃。

3.4 收率

標定期間，對裝置入方、出方物料量進行統計，并計算得到基礎油的收率。裝置物料平衡計算結果如表6所示。其中：基礎油收率=(變壓器油質量+橡膠增塑劑質量)/原料油質量×100%。

從表6可知，標定期間基礎油收率分別為86.58%、86.27%，平均為86.42%。雖然基礎油標定收率高于前期生產收率的最高值(86.18%)，但仍比設計值(89%)低2.58百分點。

表6 標定期間裝置物料平衡計算結果

基礎油收率標定結果比設計值低，可能的原因有以下幾個方面：

(1)雖然原料油的各項性質接近設計值，但其10%，30%，50%餾出溫度分別比設計值低17，5，7 ℃，說明原料油輕組分含量較高，進而促進原料油裂化產生更多輕組分，造成產品中輕組分收率提高，而基礎油的收率相應減少。

(2)脫蠟反應器優化工藝條件為：在保證兩個床層平均溫度為365 ℃的前提下，降低第二床層反應溫度，提高第三床層反應溫度，則可保證脫蠟降凝的效果。脫蠟反應溫度每升高10 ℃，基礎油的收率則會降低2～3百分點。雖然已采用各種方法降低催化脫蠟反應溫度，但脫蠟反應器第二床層的反應溫度仍高達371 ℃，比第三床層(359 ℃)高12 ℃，比兩個床層的平均溫度(365 ℃)高6 ℃，導致基礎油收率相應降低1.2～1.8百分點。

(3)減二線產品(U30變壓器油)的閃點(閉口)為142 ℃，比指標下限高7 ℃，仍有可調控的空間。如果將減二線產品的閃點(閉口)控制在138～140 ℃，由變壓器油餾程可知，基礎油的收率將增加0.8百分點左右。

(4)減壓塔塔底產品(N4010橡膠增塑劑)傾點為-18 ℃，比指標上限低3 ℃。若產品傾點控制在-15 ℃，則基礎油總收率會增加0.9～1.2百分點。

實際生產過程中，上述因素相互制約，需平衡調控，但難以在每次調整過程中同時實現，因此盡可能從總體效果出發進行綜合調控。

3.5 綜合改進措施

為了進一步提高基礎油收率，主要采取以下綜合改進措施：①在保持最大加工量和最低脫蠟反應溫度的前提下，提高SZ36-1減三線原料油中重組分(基礎油餾分)的含量；②在保證指標合格的情況下，調控一段反應生成油的硫、氮含量，U30變壓器油的閃點，N4010橡膠增塑劑的傾點，使其更接近于設計值，以進一步降低第二床層脫蠟反應溫度、增加基礎油餾分的比例。

采取綜合改進措施后，裝置每天生產基礎油的收率如圖3所示。在2020年10月22日至2021年5月25日期間，該裝置共加工7批次減三線原料油，裝置運行正常且生產產品質量全部合格。由圖3可知，在該生產期間，基礎油收率最低為82.49%，最高為89.42%，平均為86.50%，平均收率比標定時提高0.08百分點，最高收率可以達到設計值。

圖3 采取措施后基礎油的收率

4 結 論

以綏中SZ36-1減三線餾分油為原料，采用高壓加氫裝置成功生產環烷基基礎油(U30變壓器油、N4010橡膠增塑劑)。在加工過程中，通過采取提高原料油中基礎油餾分含量、保持最大反應空速、降低脫蠟溫度、最大限度接近設計值調控原料和產品指標等綜合改進措施，可以提高環烷基基礎油的收率。采取綜合改進措施后的環烷基基礎油(包括U30變壓器油和N4010橡膠增塑劑)收率為82.49%～89.42%，平均收率為86.50%，比改進前提高2.83百分點。