现代原油常减压蒸馏技术

2022-09-14

0 引言

常压蒸馏、减压蒸馏的基本物理过程是:原油在蒸馏塔里按蒸发能力分割成沸点不同的油品, 其中一些油经调和、掺添加剂后, 以产品形式出厂, 相当大的部分是为下游二次加工设备或化工设备提供高质量的原材料。

常压和减压蒸馏是炼油厂的第一步石油加工处理, 主要包括三个过程:原油脱盐脱水、常压蒸馏、减压蒸馏。

1 原材料

石油, 是从地下深处开采的深棕色易燃粘稠液体。为0.8~1.0克/立方厘米的密度, 粘度范围很广, 凝固点差别非常大, 沸点范围为室温到500℃以上, 可溶于许多种有机溶剂, 不溶于水, 但可与水形成乳液。石油的化学成分主要是碳、氢, 其余为硫、氮、氧和微量金属元素。其主要由烷烃、环烷烃和芳香烃为主。

2 原油蒸馏过程的原理

将原油按沸点在一定的范围内, 分为不同的馏分, 然后再根据油品的需求, 使用二次加工设备进行处理。除去馏分油中的非理想组分, 或通过化学反应转化为所需的组分, 以获得合格的燃料、润滑油和其他产品。

3 产品

原油通过常压和减压蒸馏后可得到沸点范围不同的馏分, 如直馏汽油、煤油、灯用煤油、轻重柴油、燃料油、道路沥青等。在上述的产品中, 除了低辛烷值的汽油, 不是直接作为一种产品, 其余的可以直接或适当的精制后作为一般的产品出厂。

(1) 从常压蒸馏开始溜出的温度到小于200℃的馏分为汽油馏分。 (2) 200~350℃的常压蒸馏馏分为煤油、柴油馏分。沸点高于350℃的馏分, 进行减压分馏, 在减压下蒸出馏分的沸点转换为常压沸点。 (3) 沸点相当于350~500℃的馏分为减压馏分。 (4) 沸点相当于常压下大于500℃的馏分为减渣馏分。

4 主要设备

(1) 常压下的原油蒸馏, 所用的蒸馏设备为原油常压精馏塔。为了使石油中的重油在低温下沸腾、蒸发, 所以在蒸馏的过程中, 保持向蒸馏原油中通入高温水蒸汽, 以降低石油气体的分压。但是要消耗很多蒸汽和增加冷却水的量, 因此与减压配合更好。

石油蒸馏, 通常塔底部的提馏段温度在350℃左右, 不设置重沸器。通常向底部吹入少量的400~450℃, 大约3MPa的过热水蒸汽, 为了降低塔内的石油气分压, 使混入重油中的轻组分蒸发。

在常压塔的旁边设置几个侧汽提塔, 汽提塔重叠, 但彼此分开, 侧线的产品从常压塔中部抽出, 送入上部的汽提塔, 从该塔下部注入水蒸气, 汽提出的低沸点成分与水蒸气从汽提塔顶部回主塔, 侧线产品则送出装置。

从精馏塔上部引出部分液体热油, 和其他冷流换热或冷却后返回塔, 返回口高于抽出口2~3层板。在相同处理量下塔直径缩小, 或在相同塔直径下可以提高塔的处理能力, 可回收高温热源的这一部分。

(2) 为了提取更多的轻质组分, 在压力不到100k Pa的负压条件下, 减少了被蒸馏的原料油沸点范围。低于大气压的压力下加热重油, 高沸点馏分在低温蒸发, 以避免高沸点馏分的裂解。塔底部是沸点为500℃以上的减压渣油。

减压蒸馏的核心设备是减压蒸馏塔和蒸汽喷射器。将塔内不凝气体和吹入的水蒸气不断地抽走以确保减压塔的压力降至几千帕, 从而提高蒸发部分的真空度。

塔内压力较低, 一方面使气体体积增大, 塔直径大;另一方面由于低压组分之间的相对挥发度变大, 容易分离, 所以与常压塔相比, 减压蒸馏塔的塔板数减少了。

减压塔底部温度一般在390℃左右, 如果停留时间太长, 减压渣油分解和缩合反应会显著增加, 塔的真空度下降, 底部结焦。为此, 减压塔底部采用减小塔直径。

此外, 各种减压蒸馏馏分之间比较容易分离和分离精度要求不高, 与塔的顶部不出一种产品, 所以中间循环回流取热多、减压蒸馏塔的上部气相负荷小, 可以缩径。

5 工艺流程 (见图1) 。

5.1 原油脱盐脱水

原油用油泵抽送到热交换器, 热交换到80~120℃后加水、破乳剂, 通过静态混合器充分混合后从底部到一级脱盐罐。原油脱盐温度一般选择在105~140℃;工作压力为0.8~2MPa;注水量是5%~7%;破乳剂的用量是10~30μg/g;炼油厂采用的实际强电场梯度是500~100V/cm, 弱电场梯度是150~300 V/cm。一级脱盐罐脱盐率在90%~95%之间。脱水后的原油从电脱盐罐顶部收集管流出后, 再注入破乳剂和洗水充分混合后进入二级电脱盐罐, 也在高压电场的作用下, 进一步的油水分离。一级是注水溶解悬浮盐, 二级注水是提高原油的水量, 增加水滴偶极聚结。脱水原油从脱盐罐顶部引出, 经增压泵送至热交换、蒸馏系统。脱盐水后原油盐含量小于3mg/L, 含水量小于0.2%;脱出的盐污水从罐底排放, 经隔油池分离油后排出设备。

5.2 原油脱酸

原油中环烷酸为油溶性, 通过向原油添加适当的中和剂和增溶剂, 使原油中环烷酸和其他酸与中和剂反应, 将它先转化为水溶性或亲水性的化合物, 再进入溶剂相和水相, 在破乳剂的联合作用下, 在900~1000 V/cm的电场强度和脱酸温度为110~130℃工况下去除原油中的环烷酸。

5.3 三段蒸馏

预处理后的原油换热至230~240℃, 到初蒸馏塔, 轻汽油和水蒸汽从塔的顶部蒸出, 冷却到室温后进入分离器分离出水和不冷凝气体, 得到轻汽油或催化重整原料油, 另一部分回到塔顶作回流。不凝气体占原油重量的0.15%~0.4%, 可以用作燃料或生产烯烃的裂化原料。初蒸馏塔侧线不出产品, 但可抽出和重汽油类似的馏分, 经换热后, 一部分进入常压塔侧一线和二线回流之间的入口, 通过这种方式, 可以减轻常压炉和常压塔负荷;其他回到初蒸馏塔作循环回流。

初分馏塔底部的油用泵抽到换热器加热到280℃以上, 然后经常压炉加热至360~370℃进入常压塔, 在塔顶冷回流和中段循环回流的作用下, 从蒸发部分至塔顶温度逐渐降低, 组分是越来越轻的, 塔顶蒸出直馏汽油。常压塔有3~5根侧线和相应的汽提塔, 直馏煤油、轻重柴油、变压器原料油等组分则呈液相按轻重依次馏出, 侧线馏分油经汽提塔用蒸汽提出轻组分后, 经增压泵, 和原油换热, 回收一部分热量后经冷却到一定温度才送出装置。

常压塔底部的重油, 利用泵抽出送至减压炉, 加热至380~400℃进入减压蒸馏塔。塔顶分离掉不冷凝气体和水蒸气, 进入大气冷凝器。冷凝冷却后, 使用2~3级蒸汽抽真空器抽出不凝性气体, 维持塔顶剩余压力0.027~0.1MPa, 以利于馏分油蒸出。减压蒸馏塔配备4~5根侧线和相应的汽提塔, 经汽提后和原油换热并冷却到适当的温度送出设备。减压蒸馏塔侧线油和常压塔三、四线油, 为炼油厂催化裂化等装置的原材料。减压塔底油, 经增压泵与原油换热回收热量, 并经适当的冷却后送出装置。

6 蒸馏数据比较与优化

1—原油实沸点精馏过程。精馏塔顶馏分油的气相温度和蒸馏釜中的液体温度仍然有数十度的温差, 曲线斜率最大。2—逐渐蒸发蒸馏过程。由于蒸馏瓶颈散热产生少量的回流, 有一些精馏, 造成气相馏出温度与瓶子液相温度之间有几度至十几度的温差, 曲线陡峭一些。3—平衡蒸发, 气相温度和液相的温度是一样的, 是最平稳的曲线。见图2。

因此, 在分离精度没有严格要求的情况下, 使用平衡蒸发可以用低的温度获得高的蒸发率。所以它不仅可以减小加热设备的负荷, 而且可以减少或避免油的过热分解造成降质和设备结焦。

根据平衡蒸发曲线, 可以确定油在不同蒸发率时的温度和泡点温度、露点温度等。

(1) 生产航空煤油时, 原油最高的加热温度为360~365℃, 而在生产一般的石油产品时可以扩展到约370℃。 (2) 原油蒸馏装置的初蒸馏塔、常压塔和减压塔的底部温度一般低于蒸发段温度5~10℃。 (3) 侧线抽出温度是没有汽提的侧线产品在油气分压下的泡点温度。其产品在同等条件下比汽提后的泡点温度稍微低点。 (4) 塔顶温度是塔顶产品在它的石油气分压下的露点温度。 (5) 当使用水蒸汽汽提时, 汽提塔的底部温度低于侧线温度约8~10℃, 有时可能更低。

7 能源消耗和节能优化问题

炼油厂的原油蒸馏装置能耗为消耗燃料最多的生产设备。因此, 常压和减压蒸馏装置主要采用新技术、新设备和优化操作的节能技术, 对于企业降低生产成本、合理利用石油资源、提高竞争能力具有重要的意义。

7.1 新技术

(1) 原油电脱盐技术之深度过滤方法是一种乳化原油破乳的新技术。该技术必须首先选择一种好的固体吸附剂作为过滤材料, 并制成破乳过滤柱。这个过滤过程具有明显的节能、节水、节省破乳剂、减轻设备结垢和腐蚀、降低催化剂的能量消耗和改善产品质量的效果。

(2) 添加活化剂提高原油蒸馏能从根本上提高轻油的拔出率, 所带来的经济效益体现在蒸馏设备、下游加工装置、产品调和、化工产品生产上。

一般添加激活剂0.5%~0.6%, 拔出率会增加2%~17%。炼油单元使用的强化技术, 可不改动原有的流程和操作条件, 对设备、产品和环境保护没有不利影响。

7.2 新设备

(1) 使用波纹填料, 规整填料的压降低、传质效率高、处理量大、塔的放大效应小。

对减压蒸馏塔内部元件使用填料代替塔盘, 这样使塔的总压降大大降低;真空系统采用带增压器的3级蒸汽喷射器, 可以使闪蒸区的剩余压力下降到低于4k Pa, 有效降低湿蒸馏的烃分压。

(2) 使用矩形、梯形和组合导向浮阀塔盘, 提高分离效率。

(3) 原油蒸馏主要使用螺纹管式热交换器, 可以有效地节省建设投资, 提高热交换器的热回收;折流棚换热器可以提高外膜的传热系数, 减少壳程的压降。

(4) 加热炉是主要的能量转换装置。所以提高加热炉热效率和热负荷的措施是:高效率大型节能燃烧器的开发和应用, 可以降低过剩空气系数和减少雾化蒸汽的技术措施;使用各种形式的扩面管和除灰技术;陶瓷纤维类隔热材料的广泛应用, 减少了热量损失;加强烟气热回收, 减少排烟热损失, 开发和应用各种形式的空气预热器, 配置余热锅炉;采用有效的监测仪器, 微机控制管理。

(5) 厂家蒸馏装置生产波动较大, 利用变频调速技术, 降低装置能耗的效果是非常重要的。

7.3 优化

常减压蒸馏单元进一步提高热回收的关键是低温热量经过利用, 可以节约燃料, 减少冷却水的用量和空气冷却器的电力消耗, 有很大的节能效果。低温热回收, 可以从两个方面入手:第一是选择合适的工艺流程, 采用先进的换热网络技术;其次是用新的换热设备, 用高效热交换器可以改善传热的效果。

(1) 含硫原油, 不需要从加热炉获得热量, 只是通过和低温热源更多段换热, 充分利用低温热源换热到150~250℃, 经过初蒸馏塔、闪蒸塔, 实现轻组分在低温下充分的蒸发分离。在分离出轻组分后的拔头原油之后, 可以进一步与中低温热源换热, 进入常压炉的温度达到294℃左右。

(2) 经常减压蒸馏得到的各种各样的馏分从蒸馏塔内馏出时, 具有不同的温度。利用窄点技术, 每一种热馏分油将分几个温度段和原油等冷媒体进行换热。热源和冷源都被分成许多的温度段, 换热网络的优化就有了数量上的保证。

(3) 炼油厂为了回收更多较高能量水平的热量, 采用常压塔第三处中段循环回流。

(4) 在减压塔底部打入急冷油以降低温暖, 减少残油分解、结焦倾向。

(5) 在减压炉的入口注入蒸汽, 为了提高油在炉管内的流速, 对大粘度和高残炭值的原油可以达到提高传热效率、防止炉管结焦、延长操作周期的作用, 在塔底吹进少量的过热蒸汽, 还有助于残留物中轻组分的挥发, 残留物<500℃的含量低于5%。塔底吹蒸汽和炉管注蒸气总和小于1%, 此量远低于传统的塔底部汽提量的2%~3%。

8 结语

可以利用窄点技术对炼油厂常减压工段换热网络扩建时进行优化改造;积极研究高酸值原油炼制时用的脱酸剂和通过原油过滤法脱除盐水的技术;在工业上利用活化剂去强化原油的常减压蒸馏;在常压塔应用L1条型浮阀和梯形浮阀塔板并在减压塔的改造中应用规整填料。

摘要：原油在炼油厂的成本占总成本的85%90%, 所以有必要选择价位低的含酸、硫和高硫原油进行加工;在炼油厂, 原油蒸馏装置能耗约占总量的25%30%, 因此, 常压和减压蒸馏单元应该采用节能技术。这些措施可以使企业有效的降低成本、增加效益。如何才能实现节能减排的目标, 这是摆在每一位石油人面前的一道技术课题。

关键词：石油,三段汽化,馏分油品,汽化温度优化,能源消耗优化