毛俊義，秦 婭，袁 清

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

提高減壓蒸餾進(jìn)料汽化率技術(shù)研究

毛俊義，秦 婭，袁 清

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

為提高原油減壓蒸餾裝置餾分油的拔出率，研究了減壓塔原料汽化過(guò)程，提出了一種新的強(qiáng)化汽化進(jìn)料方法——噴嘴汽化進(jìn)料，并在減壓蒸餾裝置上考察了不同進(jìn)料方式下原料汽化率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在相同的系統(tǒng)壓力和進(jìn)料溫度下，噴嘴汽化進(jìn)料的汽化率高于無(wú)噴嘴進(jìn)料和氣液混相進(jìn)料的汽化率，且更加接近該條件下的平衡汽化率。模擬工業(yè)減壓蒸餾操作，減壓塔產(chǎn)品分離效率提高，塔頂油品收率可以增加2～5百分點(diǎn)，說(shuō)明噴嘴汽化進(jìn)料方法是一種有效提高油品汽化率的方法。

減壓塔 汽化率 強(qiáng)化汽化

常減壓蒸餾是原油加工的第一道工序，在煉油廠(chǎng)具有至關(guān)重要的地位。原油蒸餾裝置的設(shè)計(jì)、操作對(duì)煉油廠(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生很大影響。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求日趨緊張，目前我國(guó)有超過(guò)一半的原油進(jìn)口，而且多為高硫、高金屬含量的劣質(zhì)、重質(zhì)原油。對(duì)于這些原油，提高減壓蒸餾塔蠟油拔出率和改善拔出餾分質(zhì)量的重要性越來(lái)越突出[1-3]。常減壓蒸餾裝置總拔出深度通常以減壓渣油的切割點(diǎn)表示。減壓渣油的切割點(diǎn)是指減壓渣油收率對(duì)應(yīng)于原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線(xiàn)(TBP)上的溫度。對(duì)減壓深拔的定義國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)為減壓渣油切割點(diǎn)溫度超過(guò)565 ℃[4]。國(guó)內(nèi)所指的原油減壓深拔有一個(gè)演變過(guò)程，在20世紀(jì)80—90年代，減壓渣油切割點(diǎn)溫度達(dá)到540 ℃則稱(chēng)為深拔[5]，目前所指的深拔主要是指減壓渣油切割點(diǎn)達(dá)到565 ℃及以上[6]。在原油減壓蒸餾特別是減壓深拔技術(shù)領(lǐng)域，荷蘭的Shell公司和英國(guó)KBC公司占有大半市場(chǎng)份額。荷蘭Shell公司開(kāi)發(fā)的深度閃蒸高真空裝置(HVU)技術(shù)，采用壓降極低的空塔噴射，使閃蒸段到塔頂?shù)膲航迪陆档?.8 kPa以下，減壓蒸餾切割點(diǎn)提高到600 ℃以上，減壓蠟油(VGO)收率達(dá)到最大，并能有效脫除VGO中的金屬和瀝青質(zhì)。該技術(shù)采用獨(dú)有的加熱爐設(shè)計(jì)工藝，爐出口溫度達(dá)420 ℃時(shí)也能保證長(zhǎng)達(dá)4年的運(yùn)行周期[7]。英國(guó)KBC公司在原油深度切割技術(shù)方面擁有豐富的原油數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)資料數(shù)據(jù)庫(kù)。用該公司開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得到不同原油的結(jié)焦曲線(xiàn)和加熱爐爐管的逐管計(jì)算結(jié)果，能夠使加熱爐出口溫度超過(guò)420 ℃時(shí)加熱爐仍然可以在安全區(qū)域保持4年以上的長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)在高性能的填料(塔板)和塔內(nèi)件、低壓降進(jìn)料分布器開(kāi)發(fā)、大直徑減壓爐管轉(zhuǎn)油線(xiàn)設(shè)計(jì)、常減壓蒸餾過(guò)程的模擬等方面做了大量工作。中國(guó)石化洛陽(yáng)石油化工工程公司(LPEC)開(kāi)發(fā)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的減壓深拔技術(shù)，中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司開(kāi)發(fā)了減壓深拔技術(shù)并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用[9]。雖然減壓深拔技術(shù)已經(jīng)推廣，但是減壓塔塔底產(chǎn)品中還有一定的輕餾分未能完全汽化。通過(guò)研究減壓塔進(jìn)料在汽化爐、轉(zhuǎn)油線(xiàn)和汽化段氣液兩相質(zhì)量傳遞的熱力學(xué)平衡發(fā)現(xiàn)，輕餾分未能完全汽化，一方面是由于油品的夾帶，另一個(gè)重要原因是氣液兩相在汽化過(guò)程中接觸時(shí)間短、接觸不夠充分[10]。本研究在現(xiàn)有原油蒸餾技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種強(qiáng)化原料汽化的方法，即原料經(jīng)加熱爐預(yù)熱后通過(guò)壓力型進(jìn)料系統(tǒng)(如噴嘴)等噴入轉(zhuǎn)油線(xiàn)或蒸餾塔，利用噴嘴對(duì)液體一次破碎以及可汽化餾分在減壓條件下從液滴中的急劇汽化對(duì)液滴產(chǎn)生二次破碎生成微小的液滴，為減壓塔內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)提供極大的接觸面積，同時(shí)加快餾分油的汽化，使原料的實(shí)際汽化率更加接近平衡汽化率，進(jìn)而提高餾分油的拔出率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)減壓蒸餾過(guò)程原料強(qiáng)化汽化的構(gòu)思，設(shè)計(jì)了減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置以評(píng)價(jià)壓力型進(jìn)料系統(tǒng)的性能，裝置流程示意見(jiàn)圖1。主要設(shè)備為減壓塔，全塔分為精餾段、汽化段及塔底出料段。其中汽化段直徑400 mm，高700 mm，中間裝有噴嘴；精餾段高1 000 mm，裝滿(mǎn)Φ12 mm散堆填料。常壓渣油從原料罐經(jīng)泵送至加熱爐，采用兩級(jí)加熱方式將原料預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)所需溫度后進(jìn)入減壓塔，減壓塔共有兩種進(jìn)料方式：①經(jīng)管線(xiàn)1通過(guò)汽化段內(nèi)放置的噴嘴噴入汽化段；②經(jīng)管線(xiàn)2直接進(jìn)入汽化段，管線(xiàn)2上裝有減壓閥，可以控制進(jìn)塔前的壓力。原料在汽化段汽化后，較重的物料經(jīng)塔底出料段連續(xù)采出進(jìn)入塔底產(chǎn)品罐；汽化的物料經(jīng)精餾段分離后從塔頂排出，經(jīng)塔頂冷凝后一部分回流、一部分進(jìn)入塔頂產(chǎn)品罐，回流量通過(guò)控制閥V-1和V-2進(jìn)行調(diào)節(jié)。減壓塔、冷凝器、塔頂產(chǎn)品罐、塔底產(chǎn)品罐均與真空系統(tǒng)相連。

圖1 減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置流程示意

1.2 霧化噴嘴的選型

強(qiáng)化原料汽化方法的關(guān)鍵設(shè)備是噴嘴。實(shí)驗(yàn)選用Spraying System公司的準(zhǔn)型機(jī)械霧化噴嘴，噴嘴標(biāo)稱(chēng)噴孔直徑為0.51 mm，噴霧形狀為實(shí)心圓錐。噴嘴的性能參數(shù)見(jiàn)表1。噴嘴的霧化效果主要取決于噴嘴前物料的壓力(簡(jiǎn)稱(chēng)噴前壓力)。

表1 噴嘴的性能參數(shù)

注：該噴嘴噴出液滴平均直徑的測(cè)試條件為常壓、21 ℃，以水為介質(zhì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)原料

采用兩種常壓渣油為實(shí)驗(yàn)原料，主要性質(zhì)見(jiàn)表3。從表3可以看出：原料1餾分較寬，540 ℃以前的蠟油餾分占60%左右；原料2餾分相對(duì)集中，540 ℃之前的餾分占65%左右。減壓深拔要求拔出560 ℃以上的餾分，原料中65%左右的餾分要在減壓塔汽化段汽化。

表2 常壓渣油的主要性質(zhì)

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

工業(yè)裝置減壓塔塔頂壓力通常為1～5 kPa，減壓塔進(jìn)料溫度為在380～430 ℃。這種條件下實(shí)驗(yàn)進(jìn)料中的重油特別是減壓渣油很容易結(jié)焦，導(dǎo)致裝置無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。因此實(shí)驗(yàn)采取高真空、低溫下操作以減少渣油的結(jié)焦。減壓塔操作壓力控制在0.1 kPa(絕)，換算成該壓力下的進(jìn)料溫度在280～370 ℃的范圍內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選噴嘴的性能以及減壓塔的處理能力限制，減壓塔進(jìn)料量控制在9～12 kg/h。

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要考察不同噴前壓力下油品汽化率的變化規(guī)律，比較了3種不同進(jìn)料方式對(duì)油品汽化率的影響，模擬工業(yè)操作模式比較不同進(jìn)料方式下的輕質(zhì)油品收率。

1.5.1 進(jìn)料方式1 進(jìn)料方式1為壓力噴嘴進(jìn)料，原料經(jīng)進(jìn)料泵加壓后在加熱爐加熱到一定溫度，然后通過(guò)管線(xiàn)1經(jīng)噴嘴噴入到減壓塔內(nèi)汽化段。原料在噴嘴噴出前狀態(tài)為液相，噴出后液體被機(jī)械破碎成小液滴，同時(shí)由于壓力的急劇降低，原料中可汽化餾分迅速汽化。

1.5.2 進(jìn)料方式2 進(jìn)料方式2為液相無(wú)噴嘴進(jìn)料，原料進(jìn)料量、進(jìn)料溫度等與進(jìn)料方式1完全相同，以保證兩種進(jìn)料條件原料吸收的熱量相同。不同點(diǎn)在于物料不是經(jīng)過(guò)壓力噴嘴噴出，而是通過(guò)管線(xiàn)2上的控制閥減壓后引入汽化段進(jìn)行汽化。

1.5.3 進(jìn)料方式3 進(jìn)料方式3為氣液混相進(jìn)料，這種方式模擬工業(yè)裝置的進(jìn)料模式，管線(xiàn)2上的控制閥完全打開(kāi)，加熱爐壓力為負(fù)壓，原料在加熱爐中邊加熱邊開(kāi)始汽化，然后經(jīng)管線(xiàn)2引入到減壓塔汽化段，在汽化段完成進(jìn)料汽化和氣液相分離。

以上實(shí)驗(yàn)減壓塔均采用絕熱操作，保證汽化后的餾分油通過(guò)冷凝完全收集下來(lái)。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴嘴進(jìn)料方式對(duì)進(jìn)料汽化率的影響

實(shí)驗(yàn)采用原料1，固定噴前壓力為225 kPa(表壓)，考察不同進(jìn)料溫度下，噴嘴進(jìn)料與液相無(wú)噴嘴進(jìn)料兩種進(jìn)料方式對(duì)進(jìn)料汽化率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，相同進(jìn)料溫度下，即吸收相同熱量的情況下，采用噴嘴進(jìn)料時(shí)，油品汽化率較無(wú)噴嘴液相進(jìn)料提高2～5百分點(diǎn)。分析這兩種進(jìn)料方式的不同，主要在于通過(guò)噴嘴噴出后，液相被破碎成細(xì)小的液滴，而進(jìn)料方式2液體減壓后通過(guò)Φ12 mm的鋼管進(jìn)入汽化段，對(duì)液體的破碎效果有限。破碎的液滴越小，其與汽相的傳質(zhì)面積越大，液滴中的油品也易于快速汽化出來(lái)，從而造成二者汽化率的差異。

圖2 噴嘴進(jìn)料方式對(duì)油品汽化率的影響●—噴嘴進(jìn)料； ○—液相無(wú)噴嘴進(jìn)料

機(jī)械噴嘴對(duì)液體的破碎作用主要取決于噴前壓力，噴嘴進(jìn)料量越大，噴前壓力越高，對(duì)液滴的破碎效果越好。實(shí)驗(yàn)考察了進(jìn)料溫度為320 ℃，噴前壓力對(duì)油品汽化率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，在實(shí)驗(yàn)考察參數(shù)范圍內(nèi)，噴前壓力對(duì)油品汽化率的影響不大，噴前壓力從210 kPa變化到330 kPa，油品汽化率從43.5%減小到42.82%。

表3 噴前壓力對(duì)進(jìn)料汽化率的影響

2.2 噴嘴進(jìn)料與氣液混相進(jìn)料方式的對(duì)比

噴嘴進(jìn)料與氣液混相進(jìn)料方式進(jìn)行對(duì)比的目的是模擬與現(xiàn)有工業(yè)裝置進(jìn)料方式的比較。實(shí)驗(yàn)考察汽化段溫度、壓力相同時(shí)，兩種進(jìn)料條件下的汽化率差異，并且與該狀態(tài)下的理論平衡汽化率進(jìn)行對(duì)比。在噴前壓力為225 kPa的條件下，控制相同汽化段溫度、噴嘴進(jìn)料方式和氣液混相進(jìn)料方式下的油品汽化率以及與該條件下模擬計(jì)算得到的平衡汽化率之間的關(guān)系見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，在噴嘴進(jìn)料條件下，原料的汽化率高于氣液混相進(jìn)料方式原料的汽化率，但低于該條件下計(jì)算的平衡轉(zhuǎn)化率。一般認(rèn)為工業(yè)裝置進(jìn)料在加熱爐開(kāi)始汽化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)油線(xiàn)和進(jìn)料段后，基本達(dá)到熱力學(xué)氣液平衡。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原料的汽化還依然沒(méi)有達(dá)到氣液平衡，原料的汽化不僅是熱力學(xué)問(wèn)題，還存在動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，在汽化過(guò)程中氣液兩相的接觸時(shí)間和接觸面積還沒(méi)有滿(mǎn)足氣液達(dá)到平衡所需要的條件。在工業(yè)裝置中，原料從加熱爐開(kāi)始汽化，通過(guò)轉(zhuǎn)油線(xiàn)進(jìn)入減壓塔汽化段，因?yàn)樵O(shè)備空間有限，停留時(shí)間只有數(shù)秒。在轉(zhuǎn)油線(xiàn)中，90%以上的空間為氣體，部分液體以較大的液塊貼壁流動(dòng)，氣液接觸的面積有限，不容易達(dá)到氣液間的熱力學(xué)平衡。通過(guò)噴嘴進(jìn)料，液體被破碎成很小的液滴，有效增加氣液接觸面積，同時(shí)小液滴內(nèi)可汽化的餾分也更容易汽化出來(lái)。這種突然減壓的汽化，會(huì)形成液滴的爆裂，從而液滴進(jìn)一步破碎，形成液滴破碎和汽化過(guò)程的相互促進(jìn)強(qiáng)化。因此，與傳統(tǒng)的進(jìn)料方式相比，噴嘴的強(qiáng)化進(jìn)料汽化過(guò)程可增加氣液相間接觸面積，加快原料的汽化速率，有效提高餾分油的汽化率。

2.3 噴嘴進(jìn)料與氣液混相進(jìn)料方式對(duì)油品收率的影響

進(jìn)料段汽化往往會(huì)帶來(lái)一定的霧沫夾帶，使得減壓塔拔出的餾分油性質(zhì)超標(biāo)，無(wú)法滿(mǎn)足下游的加工要求，采用噴嘴進(jìn)料，更容易產(chǎn)生夾帶。通過(guò)調(diào)節(jié)減壓塔塔頂回流量，在保證減壓塔分離效率的情況下對(duì)比了噴嘴霧化進(jìn)料方式和氣液混相進(jìn)料方式塔頂餾分油收率的變化，進(jìn)料原料采用原料2，進(jìn)料流量10 kg/h，減壓塔壓力0.1 kPa，減壓塔回流比1.0～1.5，不同進(jìn)料方式對(duì)塔頂餾分油收率的影響見(jiàn)圖4。兩種方式的分離效果通過(guò)比較兩種不同進(jìn)料方式下產(chǎn)品重疊度差異來(lái)表示，重疊度采用塔頂輕餾分95%餾出溫度與塔底重組分5%餾出溫度的差值表示。從圖4和表4可以看出：與氣液混相進(jìn)料相比，采用噴嘴進(jìn)料方式減壓塔塔頂產(chǎn)品收率高2～5百分點(diǎn)；從分離效率看，噴嘴進(jìn)料時(shí)產(chǎn)品重疊度小于氣液混相進(jìn)料時(shí)產(chǎn)品重疊度，這也是由于油品汽化較充分，渣油中含輕餾分減少造成的，且隨進(jìn)料溫度提高，重疊度有減少趨勢(shì)。380 ℃時(shí)可能是汽化量太大，塔頂攜帶量較多，造成重疊度有所提高。

圖3 不同進(jìn)料方式對(duì)油品汽化率的影響●—噴嘴進(jìn)料； ○—?dú)庖夯煜噙M(jìn)料； ——平衡汽化率

圖4 不同進(jìn)料方式對(duì)塔頂餾分油收率的影響●—噴嘴進(jìn)料； ○—?dú)庖夯煜噙M(jìn)料

表4 不同進(jìn)料方式對(duì)產(chǎn)品重疊度的影響

項(xiàng) 目進(jìn)料溫度∕℃320340360380噴嘴進(jìn)料重疊度∕℃26252325氣液混相進(jìn)料重疊度∕℃31303133

3 結(jié) 論

(1) 在減壓蒸餾塔原料吸收相同熱量的情況下，采用噴嘴進(jìn)料的油品汽化率高于無(wú)噴嘴液相進(jìn)料方式的油品汽化率。而在一定范圍內(nèi)噴嘴壓力的變化對(duì)進(jìn)料汽化率的影響不大。

(2) 噴嘴進(jìn)料與類(lèi)似工業(yè)減壓塔進(jìn)料方式的氣液混相進(jìn)料相比，噴嘴進(jìn)料條件下的油品汽化率高于氣液混相進(jìn)料方式的油品汽化率，更接近理想的平衡汽化率，說(shuō)明噴嘴進(jìn)料條件下由于破碎和汽化作用形成微小的液滴提供了更大的氣液接觸面積，強(qiáng)化了餾分油的汽化作用。

(3) 在保證減壓塔分離效率的情況下，噴嘴汽化進(jìn)料比氣液混相進(jìn)料方式塔頂餾分油收率增加2～5百分點(diǎn)，且塔頂、塔底產(chǎn)品重疊度減小。說(shuō)明噴嘴汽化進(jìn)料方法是一種有效的提高油品汽化率的方法。

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DEVELOPMENT OF NEW EVAPORATION TECHNOLOGY FOR VACUUM DISTILLATION

Mao Junyi， Qin Ya， Yuan Qing

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

To improve the deep-cut operation of vacuum distillation， an enhanced feed evaporation technology-nozzle atomizing technology was developed based on the principle of vacuum distillation. The changes of evaporation rate of feed in different feeding modes were investigated in an experimental vacuum distillation device. The results show that on the premise of the same system pressure and feed temperature， the pressurized atomizing evaporation rate of the feed through nozzle is closer to equilibrium vaporization rate and higher than that of non-nozzle feeding and vapor-liquid mixture feeding modes. The vacuum distillation operation under simulated industrial conditions shows that by a pressurized atomizing feed model the oil yield can increase by 2 percentage points—5 percentage points， indicating a higher separation efficiency of the vacuum distillation. It is concluded that the nozzle pressurized atomizing feeding is an effective method to improve the evaporation rate of oil.

vacuum distillation tower； evaporation rate； enhanced evaporation

2016-01-05； 修改稿收到日期：2016-02-21。

毛俊義，碩士，高級(jí)工程師，主要從事化學(xué)工藝與工程方面的研究工作。

毛俊義，E-mail：maojunyi.ripp@sinopec.com。