溶劑脫瀝青工藝優化

廖志新，王 紅，羅 濤，孔佳駿，王翠紅，佘玉成，申海平，管翠詩

(中石化石油化工科學研究院有限公司，北京 100083)

全球石油資源正呈現重質、劣質化趨勢，促使重油加工技術發展穩中有進，溶劑脫瀝青(SDA)可高效脫除重油中的金屬和瀝青質，其作為一種低操作溫度的物理分離法重油加工技術將越來越受重視[1-2]。重油經SDA分離得到低雜質含量、低殘炭值的脫瀝青油(DAO)[3]及高殘炭值富集瀝青質和金屬的脫油瀝青(DOA)，DAO可作催化、加氫和潤滑油基礎油原料，DOA可生產瀝青產品或用作氣化和焦化原料。SDA技術可根據煉油廠需要靈活調整產品收率，與多種工藝組合實現重油價值的最大化利用，是煉油廠提質增效、優化重油加工的重要手段。國際上廣泛工業應用的SDA技術有UOP公司抽提脫金屬(Demex)技術[4]和KBR公司渣油超臨界抽提(ROSE)技術[5]，國內有中石化石油化工科學研究院有限公司(簡稱石科院，RIPP)的渣油靈活脫瀝青(Residue flexible solvent deasphalting，RFSD)技術和中國石油大學的SELEX Asp技術[6]等。在原油日益短缺、進口原油劣質化加劇、環保標準嚴苛的形勢下[7]，SDA技術將在重質油加工中發揮重要作用。

在煉油能力過剩及“油轉化”、“油轉特”背景下，以丁烷SDA生產DAO用于催化裝置增產化工原料，DOA用于調合生產瀝青產品的重油加工路線備受關注，中國SDA技術與國外前沿技術相比在能耗方面存在差距[8]，在節能降耗方面研究不足，優化SDA工藝可提高抽提效率并降低能耗，有效提升企業經濟效益并為“雙碳”[9]作貢獻。SDA裝置的成本與綜合能耗取決于抽提單元工藝參數與溶劑回收工藝流程，為整體優化SDA工藝降低成本和綜合能耗，需要同時對抽提單元和溶劑回收單元進行優化。筆者通過處理量為3 kg/h的SDA連續評價裝置對管輸減壓渣油(VR)進行工藝實驗，考察了不同抽提條件和抽提方式的分離效果，獲得優化的抽提工藝參數。在此基礎上通過Aspen Plus軟件對1×106t/a的SDA工業裝置進行全流程模擬，考察了超臨界溶劑回收塔操作條件、最小換熱溫差和溶劑/減壓渣油質量比(劑/油質量比)對換熱成本和綜合能耗的影響，為SDA工業現有裝置的操作優化和新建裝置的設計提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

實驗原料取自中國石油化工股份有限公司武漢分公司混煉管輸原油(勝利原油占30%，其他為罕戈、杰諾、阿布扎庫姆、賽巴、阿曼原油等)>500 ℃的減壓渣油(VR)餾分，其性質見表1。溶劑為河南濮陽中煒精細化工有限公司生產的純度> 99%的正丁烷。

表1 用于SDA實驗的管輸減壓渣油性質

1.2 SDA評價實驗

采用石科院處理量為3 kg/h的SDA連續評價裝置進行抽提單元優化，其工藝流程見圖1。

SDA—Solvent deasphalting；VR—Vacuum residue；DAO—Deasphalted oil；DOA—Deoiled asphalt

丁烷SDA實驗條件：抽提壓力為4.5 MPa，抽提溫度范圍為100～140 ℃，劑/油質量比范圍為2.0～3.0。抽提方式包括逆流-抽提、溶劑預混-逆流-抽提和混合-沉降。其中，逆流-抽提是指減壓渣油與溶劑在抽提塔內逆流接觸萃取，處理效率高且占地面積小；溶劑預混-逆流-抽提是在逆流-抽提基礎上，將部分溶劑與減壓渣油預混合后再送入抽提塔，實驗所采用的預混劑/減壓渣油質量比為0.5；混合-沉降是指減壓渣油與溶劑在抽提塔外的靜態混合器充分混合接觸后送到沉降塔分離，單級效率高、結構簡單、易放大、運轉穩定可靠，但占地面積較大。

DAO收率(y(DAO)，%)計算如式(1)所示。

(1)

其中：m為質量，kg。

DOA收率(y(DOA)，%)計算如式(2)所示。

(2)

殘炭、Ni、V、S、N脫除率(R，%)計算如式(3)所示。

(3)

其中：w為質量分數，%；x代表殘炭或Ni、V、S、N。

1.3 SDA工業裝置流程模擬

丁烷SDA工業裝置流程見圖2。與圖1相比，在DAO汽提塔前增加了超臨界溶劑回收塔(DAO分離器)。SDA工業裝置超臨界溶劑回收[10]工藝流程有所不同，高壓溶劑泵可設在抽提塔與高壓溶劑換熱器之間，對抽提塔頂的抽出相溶液加壓和換熱后送入超臨界溶劑回收塔，超臨界溶劑回收塔操作壓力高于抽提塔(流程A)；或如圖2所示將高壓溶劑泵設在高壓空冷器后，對回收的溶劑加壓后送入抽提塔，抽提塔的操作壓力高于超臨界溶劑回收塔(流程B)。

SDA—Solvent deasphalting；VR—Vacuum residue；DAO—Deasphalted oil；DOA—Deoiled asphalt

溶劑回收單元決定SDA換熱成本和綜合能耗，其先進性是SDA裝置經濟性的關鍵[11]，核心參數是超臨界溶劑回收操作條件和全系統的劑/油質量比。為給工業裝置提供精準支撐應優選過程模擬物性方法，研究表明，采用PENG-ROB和PSRK物性方法計算SDA過程[12-14]與現場操作數據接近。選取應用最廣的PENG-ROB物性方法及管輸減壓渣油性質數據(見表1)，以Aspen Plus軟件模擬SDA工業裝置全流程，考察不同超臨界溶劑回收條件、最小換熱溫差和劑/油質量比對SDA過程換熱成本和綜合能耗的影響。

2 結果與討論

優化SDA裝置應在保證產品質量前提下重點降低換熱器熱負荷及綜合能耗，而超臨界溶劑回收條件與換熱成本和能耗直接相關。通過連續評價實驗優選操作參數并在保證產品質量前提下，可進一步通過優化超臨界溶劑回收條件、最小換熱溫差和劑/油質量比來降低換熱器成本及能耗，使煉油廠效益最大化。

2.1 抽提單元優化

抽提塔是SDA核心設備，其分離效率直接影響產品收率和質量[15]。抽提溫度和劑/油質量比是抽提塔核心操作參數，抽提溫度是調節DAO收率既靈敏又方便的手段，劑/油質量比直接關聯SDA裝置的投資與操作費用。SDA工業裝置常用抽提方式有逆流-抽提和混合-沉降，為加強原料油分散可設置溶劑預混。采用處理量為3 kg/h的SDA連續評價裝置，先以逆流-抽提方式考察管輸VR丁烷SDA抽提溫度和劑/油質量比對分離效果的影響，再對比溶劑預混、混合-沉降等不同抽提工藝。

2.1.1 抽提溫度對產品收率和性質的影響

抽提溫度過低會使渣油黏度增大、傳質慢，抽提溫度過高易接近溶劑臨界溫度使溶劑密度及溶解度隨溫度變化敏感而影響操作穩定性，丁烷臨界溫度為151.9 ℃，抽提溫度范圍宜為100～140 ℃。在抽提壓力4.5 MPa、劑/油質量比3.0條件下考察抽提溫度對DAO收率的影響，結果如表2所示。由表2可以看出，100 ℃時DAO收率最高達到75.4%，隨著抽提溫度升高，丁烷密度逐漸變小，溶劑和四組分之間的溶解度參數差值越來越大[16-18]，相溶性變差，膠質、芳香分和飽和分依次析出，DAO收率明顯降低，140 ℃時僅為53.7%，抽提溫度對DAO收率影響顯著。

表2 不同抽提溫度的DAO收率(y(DAO))和性質結果

提高DAO收率應兼顧其產品質量，表2和表3為管輸減壓渣油丁烷SDA抽提溫度評價結果。溶劑對渣油四組分溶解度由高到低依次為飽和分>芳香分>膠質，幾乎不溶瀝青質，低抽提溫度DAO收率高，丁烷對重組分溶解度亦提高，部分更難溶、雜質含量更高的大分子芳香分和膠質更易進入DAO中，使S、N和金屬等非理想組分含量隨DAO收率升高而增加。在100 ℃時S質量分數最高，達到1.31%，比140 ℃的1.10%提高了19.1%，100 ℃時Ni和V質量分數則分別為140 ℃時的3.2、4.8倍。

表3 不同抽提溫度的DOA收率(y(DOA))和性質結果

DAO殘炭值是重油催化裝置的重要指標，通常應不超過 8%。如表2數據所示，隨抽提溫度升高，殘炭值與金屬含量呈明顯下降趨勢，DAO質量快速提升。綜合考慮裝置溫度波動及能耗等因素，抽提溫度優選為120 ℃。

2.1.2 劑/油比對產品收率和性質的影響

劑/油比是SDA另一重要參數，受原料特性和產品質量制約，適宜劑/油比可提高工藝經濟性，保持SDA過程操作穩定。在抽提壓力4.5 MPa、抽提溫度120 ℃條件下考察劑/油質量比對產品收率的影響，結果如表4和5所示。由表4可以看出，劑/油質量比在2.0～3.0范圍內調整對DAO收率影響不大，隨著劑/油質量比的增加，DAO收率先減小后增加，在劑/油質量比為2.5時DAO收率最低為60.4%。

表4 不同劑/油質量比的DAO收率(y(DAO))和性質結果

表5 不同劑/油質量比的DOA收率(y(DOA))和性質結果

抽提過程中各組分參與相際間傳質活躍[19]，劑/油質量比由2.5降低時，DAO收率不降反升。這是由于飽和烴和芳烴溶解于溶劑中并達到一定濃度后，溶液對膠質分子的溶解力更強，進一步從減壓渣油中抽提出更重組分，且劑/油質量比低時，輕、重兩相密度差小，一些密度較大的芳烴和膠質易進入輕組分相，劑/油質量比降到2.0時DAO收率最高達到63.0%；同時DAO性質明顯變差，劑/油質量比為2.0時殘炭、Ni、V質量分數比劑/油質量比為2.5時分別提高了10.4%、52.4%、96.6%。

劑/油質量比為2.5時，溶劑的量達到一臨界點，溶液溶解度與溶劑接近。隨著劑/油質量比的增加，溶液總量增加，溶劑溶解更多膠質，DAO收率隨劑/油質量比的增加而增大，劑/油質量比由2.5升到3.0時，DAO收率增加2.2百分點，殘炭、S和N質量分數變化不明顯，金屬Ni、V質量分數分別增加1.5 μg/g和0.9 μg/g。

綜合考慮劑/油質量比對DAO收率和性質的影響及能耗等因素，劑/油質量比優選為2.5。

2.1.3 不同抽提方式對產品收率和性質的影響

優選抽提方式，結合新型高效填料可增加液泛通量提高裝置處理能力，更好地分散液滴并減少軸向返混提高傳質效率[20]，大幅提升單塔最大處理能力，處理能力≥1.5×106t/a的抽提塔塔徑可降至3.5 m。以連續評價裝置在抽提壓力4.5 MPa、抽提溫度120 ℃、劑/油質量比為2.5的優選條件下對比逆流-抽提、溶劑預混-逆流-抽提和混合-沉降3種不同抽提方式的結果見表6和表7。

表6 不同抽提工藝的DAO收率(y(DAO))和性質結果

表7 不同抽提工藝的DOA收率(y(DOA))和性質結果

在劑/油質量比均為2.5條件下，溶劑預混-逆流-抽提比逆流-抽提方式前置了溶劑預混，溶劑預混降低了原料渣油黏度，使渣油液滴更易被分散，增加了比表面積，使渣油液滴與溶劑充分接觸促進了傳質。當預混溶劑/減壓渣油質量比為0.5時，與逆流-抽提相比，DAO收率提高0.6百分點，且殘炭、S、N和金屬質量分數均降低，DAO質量提高，全面提高了SDA抽提效果。

逆流-抽提與混合-沉降總溶劑用量相等，逆流-抽提過程中減壓渣油與新鮮溶劑通過密度差作用持續逆流接觸，一些性質較好、相對較輕的組分更易被萃取到DAO相中。不同抽提方式的殘炭、S、N、Ni和V的脫除率對比如表8所示。由表8可以看出，相比混合-沉降方式，逆流-抽提方式的DAO收率高0.5百分點，殘炭、S、N、Ni、V脫除率略高。雜質脫除率由高到低的抽提方式順序為溶劑預混-逆流-抽提、逆流-抽提、混合-沉降。故新建SDA裝置優選抽提效率高、DAO質量好且設備占地面積小的溶劑預混-逆流-抽提方式。

表8 不同抽提方式的管輸減壓渣油(VR)丁烷SDA過程抽提效果對比

2.2 工業裝置全流程優化

2.2.1 輸入條件和流程模擬結果

流程模擬工業SDA過程邊界條件和操作條件見表9。優化的抽提塔反應條件為：劑/油質量比2.5，抽提溫度120 ℃，抽提壓力4.5 MPa(以保證抽提塔操作壓力高于超臨界溶劑回收塔(流程B)時，塔頂抽出相靠自壓送到超臨界溶劑回收塔)。超臨界狀態下溶劑溶解能力和其密度直接相關，為保證2種溶劑回收流程下超臨界溶劑回收塔的分離效果相同，當流程B超臨界溶劑回收塔的操作條件為溫度200.8 ℃、壓力4.2 MPa時，與流程A中的操作條件溫度240 ℃、壓力5.0 MPa下的溶劑密度相同，均為96.4 kg/m3。設置4種不同方案(如表9所示)，分別考察超臨界溶劑回收操作條件、最小換熱溫差和劑/油質量比對SDA過程換熱成本和綜合能耗的影響。

表9 流程模擬的工業SDA過程邊界條件和操作條件

利用Aspen Plus軟件對表9中4種方案進行流程模擬和計算，渣油處理量為1×106t/a，開工時間8400 h/a，計算結果列于表10。

表10 工業SDA過程熱負荷和功率流程模擬結果

2.2.2 超臨界溶劑回收條件和最小換熱溫差對換熱成本和綜合能耗的影響

方案1～方案3中抽提塔采用溶劑預混-逆流-抽提方式的產品收率數據(見表8)進行流程模擬，考察超臨界溶劑回收操作條件和最小換熱溫差對換熱成本和綜合能耗的影響，結果見表10。由表10可以看出，相比方案1，方案2的高壓空冷器(1#空冷器)熱負荷增加256 kW，高壓溶劑泵和低壓溶劑泵功率降低，導熱油總熱負荷降低429 kW，綜合能耗僅增加4.69 MJ/t。方案2高壓溶劑換熱器熱負荷降低至23736 kW，比方案1降低了24%，換熱成本大幅降低。

由表10還可以看出，與方案1和方案2不同，方案3中高壓溶劑換熱器采用的是高效換熱器，最小換熱溫差從15 ℃降至10 ℃，高壓溶劑換熱器熱負荷為25129 kW，比方案1節約6128 kW；導熱油換熱器總熱負荷為19160 kW，比方案1節約1822 kW；方案3綜合能耗最低，比方案1低143.63 MJ/t。方案3換熱成本和綜合能耗大幅降低，有效提高了SDA裝置經濟性。

超臨界溶劑回收塔的優化需統籌考慮能耗與換熱成本之間的關系，優選適宜的超臨界溶劑密度范圍，在保證超臨界塔分離效果的前提下，盡可能降低操作溫度和換熱成本，可采用高效換熱器降低最小換熱溫差從而降低能耗。綜上所述，超臨界溶劑回收塔操作條件優化為壓力4.2 MPa、溫度200.8 ℃，高壓溶劑換熱器最小換熱溫差為10 ℃。

2.2.3 劑/油比對換熱成本和綜合能耗的影響

方案4中，劑/油質量比為2.8，抽提塔采用逆流-抽提，其產品收率與方案1～方案3接近。由表10可見，劑/油質量比從2.8(方案4)降低至2.5(方案3)時，高壓溶劑換熱器熱負荷降低3463 kW，高壓溶劑-導熱油換熱器(1#換熱器)熱負荷降低358 kW，導熱油換熱器總熱負荷317 kW，綜合能耗降低42.89 MJ/t。在保證產品收率和質量的前提下降低劑/油質量比可有效提高SDA裝置經濟性。

3 結 論

(1)管輸減壓渣油丁烷溶劑脫瀝青抽提優化條件為：抽提壓力4.5 MPa，抽提溫度120 ℃，劑/油質量比2.5。

(2)不同抽提方式實驗結果表明，增加溶劑預混提高了溶劑脫瀝青抽提效果；逆流-抽提方式比混合-沉降方式脫瀝青油收率更高；對雜質的脫除率由高到低的抽提方式順序為預混-逆流-抽提>逆流-抽提>混合-沉降。

(3)輸入優選條件、產品收率、性質等基礎數據進行管輸減壓渣油丁烷SDA工業裝置全流程模擬，將超臨界溶劑回收塔操作條件從壓力5.0 MPa、溫度240 ℃優化為壓力4.2 MPa、溫度200.8 ℃，將高壓溶劑換熱器最小換熱溫差從15 ℃優化為10 ℃，可使高壓溶劑換熱器熱負荷降低6128 kW，綜合能耗降低143.63 MJ/t；劑/油質量比從2.8優化至2.5時，高壓溶劑換熱器熱負荷降低3463 kW，綜合能耗降低42.89 MJ/t。