催化裂解(DCC)裝置直接生產混合C5烯烴的工業實踐

趙 長 斌

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

某石化公司2.2 Mt/a催化裂解(DCC)裝置，采用中國石化石油化工科學研究院(石科院)開發的增強型催化裂解(DCC-plus)技術，以常壓渣油和加氫尾油為原料，以乙烯、丙烯等低碳烯烴為目的產品，副產C5烯烴、輕芳烴等產品[1]。

催化裂解汽油中含有一定數量的C5組分，其中含有60%～70%的C5烯烴，包含化工利用價值較高的異戊烯(約26.75%)、環戊烯(約2.22%)和異戊二烯。這些單烯烴和雙烯烴由于其特殊的分子結構，化學性質活潑，可以合成許多高附加值的產品，是寶貴的化工資源[2]，如用作石油樹脂及異戊橡膠產品的原料，應用于塑料、醫藥、有機合成、高分子化學等領域，具有較高的產品附加值和經濟效益[3]。為了調整產品的靈活性，增加高附加值產品，實現效益最大化，該公司經過可行性論證后制定了DCC裝置直接生產C5烯烴的技術方案，并在模擬核算的基礎上在輕重汽油分離塔塔頂回流線上增設了直接生產C5烯烴的工藝流程，開展催化裂解裝置直接生產C5烯烴的工業試驗。

1 工藝流程簡述

來自催化裂解裝置的穩定汽油作為輕重汽油分離塔的進料，將穩定汽油中的C5組分進行分離。該塔共設計30層塔盤，塔頂產品(輕汽油)為純度91.8%(質量分數，以下同)的C5組分，在滿足輕汽油回煉量的基礎上，將剩余的 C5作為產品送出裝置，設計產量為1.5 t/h；中部的第20層側線抽出輕汽油C5+組分進入第二提升管反應器進行回煉；塔底產品為裂解石腦油，送至罐區或直接為下游石腦油加氫裝置提供原料。

2 存在的問題

(1)自2016年6月投料開工以來，輕重汽油分離塔操作頻繁出現異常，由于C5烯烴從塔頂餾出導致產品中C5以下組分含量一直偏高，遠大于設計質量分數不大于2%的指標，具體見圖1。從圖1可以看出，C5餾分中C5以下組分質量分數基本都在20%以上。另外，C5烯烴純度只有78.4%，遠遠低于91.8%的質量指標。因此，按原設計流程在當前操作條件下無法產出合格C5產品。

圖1 輕重汽油分離塔塔頂回流C5餾分中C5以下組分含量

(2)輕重汽油分離塔實際操作壓力比設計值高，已接近臨界點。塔頂回流C5餾分中C5以下組分含量超標，致使塔頂壓力升高，為確保塔分離效果及設備運行安全，塔頂回流罐不凝氣排放火炬閥常開，向火炬系統持續排放輕烴，導致部分輕烴損失。

(3)塔底裂解石腦油中C5烯烴含量高，為保證裂解石腦油合格，塔底熱源取熱負荷過大，造成能耗增加。

(4)由于裂解石腦油中C5含量已超過設計值，嚴重影響到下游石腦油加氫裝置的操作，可能導致石腦油加氫裝置催化劑床層頂部積炭，溫升大，反應器壓降升高，影響石腦油加氫裝置的長周期運行[4]。另外，過量的C5還會導致加氫裝置分餾單元汽提塔的負荷增加，限制裝置的處理量，嚴重時被迫降量生產，導致罐區石腦油庫容日趨緊張，直接影響公司的生產經營計劃。

(5)由于C5產品中C5以下輕組分含量超標，產品質量不合格，導致C5產品無法出廠。同時裂解石腦油中的C5烯烴經加氫處理后變成C5烷烴，而C5烷烴的市場價格遠低于C5烯烴的價格，這樣既增加了加工成本又損失了部分經濟效益。

3 解決措施

3.1 優化操作

3.1.1優化穩定塔操作

通過產品質量分析可看出，影響輕重汽油分離塔頂部C5純度的主要因素為C5以下組分含量高，C4和C5分別為穩定塔的輕、重關鍵組分[5]，在通過調整穩定塔操作來降低穩定汽油中C5以下組分含量時，可能導致液化氣中攜帶微量C5，從而影響MTBE產品質量。因此，在調整操作時既要降低穩定石腦油中C5以下組分含量，又要控制好液化氣中C5+組分含量，兩個產品質量控制需要兼顧，以保證上下游裝置操作平穩。

穩定塔塔底設有兩臺重沸器，一臺以分餾塔的二中段回流物料為熱源，另一臺以3.5 MPa中壓過熱蒸汽為熱源，操作思路為在保證分餾單元操作平穩的前提下盡量加大分餾塔二中段的取熱量，取熱不足時由3.5 MPa中壓過熱蒸汽補充。優化前，分餾二中段回流物料流量為280 t/h。在滿足分餾塔操作的前提下，逐漸加大二中回流物料循環量到320 t/h，在增大塔底取熱負荷的同時，相應增加頂部回流量，加強傳質傳熱，以提高穩定塔分離效果。在確保塔頂液化氣中C5+組分體積分數小于0.1%的前提下，將穩定汽油飽和蒸氣壓控制在70 kPa以下。通過調整，降低了輕重汽油分離塔進料中攜帶的C5以下組分含量，并降低塔頂產品中C5以下組分含量。

3.1.2優化輕重汽油分離塔操作

實際操作中，輕重汽油分離塔進料C5含量高于設計值，C5含量高意味著C5以下組分的攜帶量亦較高，若此時仍按原設計的操作條件進行操作，則存在超壓的危險。前期通過一系列的摸索調整，確定了關鍵操作參數并進行了優化調整，結果見表1。

表1 輕重汽油分離塔優化前后操作參數對比

3.2 流程的改進

3.2.1輕重汽油分離塔塔頂回流罐不凝氣排放流程改造

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C5烯烴產品中C5以下組分含量一直偏高，導致塔頂回流罐向火炬系統持續排放輕烴，盡管這部分輕烴可以通過氣柜回收，但也有一定的損失。為減少輕烴損失，對塔頂不凝氣排放流程進行了改造(見圖2)，保留原回流罐頂部放火炬管線，新增罐頂輕烴至分餾塔塔頂粗汽油罐(V-201B)進行回收的流程，改造后塔頂回流罐的輕烴去火炬管網閥門可以常閉。同時，優化塔頂和回流罐壓力控制方法。原設計塔頂壓力控制方法為塔頂充壓與卡脖子分程控制，回流罐壓力控制方法為不凝氣與熱旁路分程控制。通過優化調整，采用卡脖子控制塔頂壓力、熱旁路控制塔頂回流罐壓力的方法。這樣在保證產品合格的前提下，解決了塔頂回流罐長期排放火炬的問題。

圖2 輕重汽油分離塔塔頂回流罐不凝氣改造流程示意

3.2.2C5烯烴改為側線抽出，塔頂輕汽油改去提升管回煉

考慮到輕重汽油分離塔進料中C5含量較高，經優化調整操作參數，控制合理的操作溫度及壓力，自塔中部側線抽出的回煉輕汽油組分可以滿足純度合格的C5產品標準。基于這一思路，將C5改為側線抽出，塔頂輕汽油改去提升管回煉[6]，同時對中部回煉輕汽油產品質量變化進行監控。

通過不斷調整、摸索操作參數，塔中部回煉輕汽油組分各項指標均滿足C5產品質量要求，在進料組成不發生大幅變化的情況下可控制輕汽油中C5組分純度在92%以上。

(1)第一次改造

利用MTBE裝置閑置的一臺冷卻器作為C5產品冷卻器，改造后實現從輕重汽油分離塔中部抽出C5烯烴直接作為合格產品出裝置，最大流量雖然僅為5.5 t/h，但有效降低了裂解石腦油中的C5烯烴含量，有利于下游石腦油加氫裝置的長周期運行。同時裂解石腦油中C5含量的減少能有效降低石腦油加氫裝置分餾單元汽提塔的操作負荷，達到了節約裝置能耗的目的。經過改造C5產量由設計的1.5 t/h提高到5.5 t/h，取得了一定的經濟效益。

(2)第二次改造

經過第一次改造C5烯烴最大流量僅為5.5 t/h，雖然能保證C5產品質量完全符合要求，但受制于流程和設備冷卻負荷限制無法滿足裝置負荷增加的要求，而且無法從根本上解決下游石腦油加氫裝置超負荷運行和平穩生產的問題。

經過對改造方案的反復研討，重新改進C5出裝置流程，盡量減少對原有流程的改動，最終確定了改造方案，如圖3所示。從輕汽油回煉泵(C5產品泵)出口閥前重新引出一條DN80分支管線至原設計C5出裝置閥前，并且將原有的C5出裝置切斷閥改為調節閥，利用原有的C5出裝置管線將C5產品送至罐區，同時增設一臺冷卻器控制C5出裝置溫度。2017年6月14日裝置完成改造并投用，通過不斷優化調整操作參數，截止到目前C5烯烴產量已提高到12 t/h，既解決了下游裝置平穩生產問題，又帶來了可觀的經濟效益。

圖3 輕重汽油分離塔C5烯烴改為側線抽出流程示意——原C5出裝置流程； ——首次改造后C5出裝置流程； ——擴能改造后C5出裝置流程

4 改造效果

(1)經過第一次、第二次的改造，自輕重汽油分離塔中部抽出的合格C5產品的產量從5.5 t/h增加到12 t/h，C5產品中C5以下組分有效控制在2%以下，產品C5烯烴純度大幅提高。穩定汽油、裂解石腦油及回煉輕汽油的性質見表2。從表2可以看出，穩定塔、輕重汽油分離塔操作平穩，分離效果理想，物料性質穩定，達到了在保證產品質量的前提下增產C5的目的。優化前后C5產品性質見表3。由表3可見，C5產品中C5以下組分質量分數由26.9%下降到0.72%，烯烴質量分數提高到62.01%，C5純度達到93.64%，說明C5烷烴及烯烴組分、C5以下組分在輕重汽油分離塔內得到了有效合理的分離。改造效果表明，C5烯烴本身產生的效益遠大于經加氫處理后轉化為C5烷烴的效益，同時C5烯烴產品質量和產量的提高，不僅提高了產品市場競爭力和銷售靈活性，而且增加了產品附加值，經濟效益顯著提高。

表2 穩定汽油、裂解石腦油及回煉輕汽油的性質

表3 C5產品的性質

(2) 穩定汽油和裂解石腦油的蒸氣壓變化趨勢見圖4。由圖4可以看出，裂解石腦油中C5及C5以下組分的含量已得到有效控制。相對于改造前而言，穩定汽油中C5含量已得到控制，特別是C5烯烴含量大幅度下降，有效地解決了裂解石腦油中C5烯烴含量超高的問題。經此次改造，從根本上保證了下游石腦油加氫裝置的長周期運行，同時還能有效降低石腦油加氫裝置分餾單元汽提塔操作負荷，節約裝置能耗，產生一系列的間接效益。

圖4 穩定汽油和裂解石腦油飽和蒸氣壓

(3) 裂解C5烯烴價格比普通C5價格高400元/t左右，改造后C5烯烴產量為12 t/h，按年開工時間8 400 h計算，每年可生產100.8 kt C5烯烴產品，創造4 000多萬元的經濟效益。

5 結 論

經過近一年工業實踐，在催化裂解裝置上直接生產出了合格的混合C5烯烴產品，產品質量和產量均達到了理想指標，表明該項目的工業實踐獲得成功。

(1)將C5烯烴組分由輕重汽油分離塔的頂部抽出改為從塔的側線抽出，解決了C5及裂解石腦油產品質量難以控制和C5產量低的關鍵問題。

(2)輕重汽油分離塔塔頂輕汽油由去產品罐區改為去DCC提升管反應器回煉，相對提高了DCC高附加值產品乙烯和丙烯的產率，同時也解決了塔的物料平衡問題。

(3)將C5烯烴從裂解石腦油中分離出來進入C5目的產品，不僅提高了C5產品的純度而且提高了產品產量，大幅度提高了產品的附加值。

(4)催化裂解(DCC)裝置直接生產C5烯烴工業實踐的成功，開創了催化裂解(DCC)裝置直接生產混合C5烯烴產品的先例，每年可生產100.8 kt C5烯烴產品，為企業創造4 000多萬元的經濟效益。