流化催化裂化油漿硅藻土預涂過濾靜態試驗研究

陳 超, 陳 強, 盛維武, 李小婷

(1.中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510620;2.中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術研發中心,河南 洛陽 471003)

1 固體顆粒的危害和脫固中的問題

流化催化裂化(以下簡稱催化裂化)油漿是重油催化裂化工藝過程中所產生的一種性質極為特殊的副產品,可以用作生產針狀焦和碳纖維等多種高附加值產品的原料,但前提是將油漿中催化劑顆粒的含量降低到一定程度[1],否則催化劑顆粒會隨著流體一同流動,撞擊后續加工設備的內壁面,造成設備的磨損,加劇設備的磨損腐蝕[2];此外,原油重質化趨勢已不可逆轉,催化裂化原料品質逐年降低,對于高硫原料,高溫下經催化劑作用后其硫化物轉變成活性硫,從而造成設備的高溫硫腐蝕,在催化劑顆粒的沖刷下,腐蝕速率成倍增加,嚴重威脅裝置的長周期穩定運行。因此,多數煉油廠都會選擇一種高效經濟、安全穩定的生產工藝來降低催化裂化油漿的固含量[3]。這不僅可以將催化劑回收再利用、避免設備結焦,還能減少外甩油漿對環境造成的污染[4]。

采用過濾管對催化裂化油漿進行脫固處理是目前應用比較廣泛的技術,但在實際應用過程中過濾管易堵塞,導致過濾設備壓力快速增大,不得不停工進行反沖洗[5]。過去學術研究和工程上普遍認為過濾管堵塞是由于油漿的黏度過大,因此過濾時都采用高溫來降低黏度,但是效果并不明顯。2017年第22屆世界石油大會上首次提出了過濾堵塞的根本原因為:油漿中的膠質、瀝青質、稠環芳烴與催化劑顆粒形成具有較強內聚力和黏附力的膠團,濾芯被膠團堵塞。

通過觀察過濾管的微觀結構可以發現,在過濾管內部存在復雜的迷宮結構,過濾時膠團可以進入到迷宮內部,但是難以反方向順利出去,這就造成了過濾管再生困難及再生后過濾面積損失等問題[6]。

為解決上述問題,提出了硅藻土預涂過濾方法,其原理是使用硅藻土在過濾管表面先形成濾餅對油漿中的催化劑顆粒進行攔截,避免膠團與過濾管直接接觸,防止膠團堵塞過濾管。

為了確定硅藻土預涂過濾的最佳操作參數,通過單因素試驗考察了硅藻土粒徑、涂層厚度以及操作壓力對于催化裂化油漿過濾性能的影響,并由此確定了正交試驗各因素的水平,對正交試驗結果進行極差分析后確定了最佳操作參數。

2 試驗部分

2.1 試驗物料

試驗所用硅藻土宏觀形態以及微觀形態如圖1所示。從圖1可以看出,硅藻土內部大孔隙和小孔隙都很發達。

圖1 硅藻土顆粒的基本形態

該試驗所用的催化裂化油漿是某煉油廠Ⅱ催化裂化裝置產生的外甩油漿,在常溫下呈黃褐色,并且流動性很差,其四組分分析結果和固含量測定結果見表1,油漿中催化劑顆粒粒徑分布如圖2所示?？梢钥闯鲇蜐{的固含量較高,且催化劑顆粒的粒徑較小,使用常規過濾方法效果不好。

表1 原料油漿性質

圖2 油漿中催化劑粒徑分布情況

油漿的黏度使用型號為NDJ-5S的數字式旋轉黏度計進行測定,測試方法參考GB/T 265—1988標準執行,測試結果如圖3所示。

圖3 催化裂化油漿黏溫曲線

從圖3可以看出,油漿的黏度在常溫狀態下非常大,隨著溫度升高逐漸降低,當油漿溫度在100 ℃左右時,其流動性已經較好。

2.2 試驗裝置

參考GB/T 24265—2014標準搭建了硅藻土靜態預涂過濾試驗裝置。該試驗裝置主要由溫度控制系統和壓力穩定系統組成。在試驗過程中由高壓氮氣將被加熱的催化裂化油漿吹入到硅藻土靜態預涂過濾裝置中,根據試驗設計條件,調節油溫以及氮氣的壓力。在裝置的出口處收集油漿,并記錄試驗過程穩定后的濾速。試驗過程中采用隔膜壓力表測定壓力,熱電偶傳感器測定溫度,計時法測量濾速。試驗操作條件的改變主要通過調節各個閥門來實現。

試驗所用過濾器的直徑為59 mm,高度為800 mm,底部采用四層金屬絲網,其規格由上至下依次為50目、50目、150目和200目,硅藻土在金屬絲網上方預涂形成過濾層。

3 試驗結果與討論

3.1 分析方法

油漿過濾前后的固含量采用GB/T 508所述的方法進行測定。具體操作流程:首先在溫度為500～600 ℃(使用氮氣保護)的高溫燒結爐中將要測定的油漿樣品干餾碳化。然后再通入溫度為600 ℃的高溫空氣,將殘炭完全燃燒。最后對冷卻至常溫下的剩余粉末進行稱重,通過計算可以得到油漿過濾前后的固含量。

為評價催化裂化油漿的過濾效果,對凈化效率定義如下:

凈化效率E=(油漿原樣固含量-過濾后油漿固含量)/油漿原樣固含量×100%

3.2 單因素試驗結果及分析

3.2.1 硅藻土粒徑對過濾效果的影響

理論上相同宏觀體積的過濾介質,顆粒的尺寸越小,其比表面積越大,但也會增大過濾阻力。因此需要在過濾阻力可接受的范圍內選擇尺寸盡可能小的過濾介質。為探究硅藻土粒徑對過濾效果的影響,在靜態過濾器中分別裝填40 mm厚的粒徑為10,100,200和400 μm的硅藻土顆粒,分別取1 L催化裂化油漿,在油漿溫度為120 ℃、壓力為0.2 MPa的條件下進行過濾。待過濾穩定后,取樣分析油漿濾后固含量,并計算凈化效率,結果如圖4所示。

圖4 硅藻土粒徑對過濾效果的影響

從圖4中可以看出,隨著硅藻土粒徑的增大,過濾后油漿的固含量明顯增大,凈化效率明顯降低。這是由于硅藻土粒徑較小時,顆粒之間的間隙也較小,有利于提高油漿中催化劑顆粒被攔截的概率;而硅藻土粒徑增大后其顆粒之間的間隙增大且比表面積變小,進而使得油漿中催化劑顆粒被攔截的概率降低。此外隨著硅藻土粒徑的增大,過濾的濾速也增大,從而降低了凈化效率。

當硅藻土粒徑選用400 μm時,濾后油漿固含量超過1 000 μg/g,遠遠達不到現有工業水平。但是此結果與國外技術宣傳材料公布的結果存在較大差距,分析主要原因:靜態預涂過濾試驗沒有硅藻土穩定循環的環節,預涂循環次數較少,硅藻土預涂層并未完全穩定,梯級過濾層沒有完全形成。

3.2.2 涂層厚度對過濾效果的影響

理論分析可知,涂層越厚則所得的濾液越澄清。這是因為涂層越厚其所提供的接觸面積越大,因而油漿中固體顆粒被攔截的概率也越大,過濾效果也就越好。但過濾阻力也會隨著涂層厚度的增加而增大,使得過濾速率大大降低。若要涂層較厚的條件下保持較高的過濾速率則必須增大裝置的操作壓力,進而增加裝置的運行成本。因此,為尋求最具性價比的濾層厚度,在靜態過濾器中分別裝填高度為20 mm,30 mm,40 mm,50 mm的硅藻土顆粒,分別取1 L催化裂化油漿,在硅藻土粒徑為100 μm、油漿溫度為120 ℃、壓力為0.2 MPa的條件下進行過濾。待過濾穩定后,取樣分析過濾后的油漿固含量,其結果如圖5所示。

圖5 涂層厚度對過濾效果的影響

由圖5可知,過濾后油漿的固含量隨著涂層厚度的增加而降低,凈化效率隨著涂層厚度的增加而提高,當涂層厚度為40 mm時,過濾后油漿的固含量為196 μg/g,計算得到此時的分離效率高達94.8%。這是因為涂層厚度越大,含有的硅藻土顆粒就越多,增大了硅藻土顆粒與油漿中催化劑顆粒的接觸概率。但當涂層厚度過大時,過濾阻力也會非常大,實際應用價值并不可取。

3.2.3 壓力對過濾效果的影響

化工生產中常用的過濾方式有恒速過濾和恒壓過濾兩種。目前工業生產中硅藻土預涂過濾通常使用的是恒速過濾。但考慮到試驗的可操作性,本試驗采用恒壓過濾來探究壓力對于過濾效果的影響。在硅藻土粒徑為100 μm、涂層厚度為40 mm、油漿溫度為120 ℃的條件下,將壓力分別設定為0.1,0.2,0.3和0.4 MPa,分別取1 L催化裂化油漿,進行加熱并過濾。待過濾穩定后,取樣分析過濾后的油漿固含量,其結果如圖6所示。

圖6 壓力對過濾效果的影響

從圖6可以看出,隨著壓力的升高,過濾后油漿的固含量明顯升高,凈化效率明顯降低。這主要是因為油漿的濾速會隨著壓力的增加而增大,縮短油漿在硅藻土顆粒中的停留時間;同時也會降低硅藻土顆粒對油漿中催化劑顆粒的吸引力。當試驗操作壓力為0.1 MPa時,僅依靠重力過濾,過濾速度相當慢,基本沒有實際應用價值;當試驗操作壓力為0.4 MPa時,過濾后油漿的固含量過高,分離效率僅為73.5%,也沒有實際應用價值。增大操作壓力雖然會提高裝置的處理量,但也會增加生產成本,并且會使油漿中催化劑顆粒的去除效率降低。因此,在實際應用過程中需要綜合考慮其利弊。

3.3 正交試驗結果及分析

為了給工業側線試驗提供設計和操作依據,對催化裂化油漿進行了硅藻土預涂過濾的正交試驗,以確定最佳的操作條件。在考察單因素試驗的基礎上,結合各因素對油漿硅藻土預涂過濾效果的影響規律、并考慮實際的可行性,選擇各因素和水平,如表2所示。正交試驗的設計表格選用4因素3水平的正交表即L9(34)正交表[2],正交試驗方案結果如表3所示。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗方案結果

在該次正交試驗結果中,由于RD>RA>RB>RC,所以各因素對凈化效率的影響程度從主到次的順序為:D(操作壓力),A(硅藻土粒徑),B(涂層厚度),C(油漿溫度)。由單因素試驗結果可知,凈化效率隨操作壓力、硅藻土粒徑變大為下降趨勢,而隨涂層厚度、油漿溫度變大為上升趨勢,因此,凈化效率最高的方案為A1B3C3D1,即硅藻土粒徑10 μm,涂層厚度40 mm,油漿溫度 130 ℃,操作壓力0.2 MPa。

在實際生產中,不能只關注凈化效率而忽視裝置的能耗和生產效率,因此需要多方面綜合考慮,從而確定最終的操作條件。根據單因素試驗結果來看,當硅藻土粒徑越小、涂層越厚、操作壓力越大時,則能耗越高;當硅藻土粒徑越大、涂層越薄、操作壓力越大時,則生產效率越高。故在保證凈化效率不低于90%的前提下,優化后的操作條件為:硅藻土粒徑100 μm、涂層厚度40 mm、油漿溫度100 ℃、操作壓力0.2 MPa。

4 結 論

針對催化裂化油漿硅藻土預涂過濾進行了單因素試驗研究和正交試驗研究,根據試驗結果得到以下結論:

(1)由單因素試驗結果可知,凈化效率隨操作壓力、硅藻土粒徑變大為下降趨勢,而隨涂層厚度、油漿溫度變大為上升趨勢。

(2)由正交試驗結果可知,各因素對凈化效率的影響程度從主到次的順序為:操作壓力,硅藻土粒徑,涂層厚度,油漿溫度。

(3)試驗過程中,凈化效率最高的操作條件為:硅藻土粒徑10 μm、涂層厚度40 mm、油漿溫度130 ℃、操作壓力0.2 MPa。

(4)在實際生產中,應綜合考慮裝置的凈化效率、能耗及生產效率等因素。該研究得出優化后的操作條件為:硅藻土粒徑100 μm、涂層厚度40 mm、油漿溫度100 ℃、操作壓力0.2 MPa。