催化裂化工艺设计（毕业论文）完美版.docx

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沈阳化工大学

本科毕业论文

题 目：

120万吨/年催化裂化装置的工艺设计

院 系：

化工学院

专 业：

化学工程与工艺

班 级：

2006-03班

学生姓名：

孙 杰

指导教师：

于 萍

论文提交日期：

2010年

月

日

论文答辩日期：

2010年

月

日

毕业设计（论文）任务书

化学工程学院 化学工程与工艺专业 0603班 学生孙杰

毕业设计（论文）题目:

120万吨/年催化裂化装置的工艺设计

毕业设计（论文）内容:

1. 工艺论述

2. 工艺计算

3. 绘制工艺流程图

设计（论文）专题部分:

反应—再生系统工艺设计

指导教师:

签字

2010年

月

日

教研室主任:

签字

2010年

月

日

院长（系主任）:

签字

2010年

月

日

2

沈阳化工大学学士学位论文 摘要

摘要

随着世界经济发展，环境问题日益突出，同时能源需求日益旺盛，各国对汽油等轻质油特别是高质量的清洁燃料的需求量急剧增加，同时随着石油化工业的发展，需要多产轻质油。

将重质油更多的转化成轻质油品，且转化成清洁能源是以后催化裂化领域的重要课题。

催化裂化是石油炼制过程之一，是在热和催化剂的使用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化汽，汽油和柴油等的过程。

本设计题目是120万吨/年催化裂化装置的工艺设计。

所用工艺对重油加工程度较深且产品收率很高，同时具有较好的经济效益和环保效益，同时以大庆常压渣油为原料生产高质量汽油的方案通过综合评定后的经济效益较为合理，通过汽油的方案及反-再系统工艺的计算，达到了设计的目的。

本设计加工弹性大，汽油产率较高，并充分考虑了能量的综合利用问题与环境保护问题。

关键词：

重油；催化裂化；装置；同轴式；设计

沈阳化工大学学士学位论文 Abstract

Abstract

AstherapideconomicdevelopmentofChina,moreandmoreattentionaretakentotheworld'senvironmentalproblems,ledingwithgasoline,lightandsweetoilespeciallyforbetterqualityofcleanerfuelsdramaticlyincreaseindemand,whilethedevelopmentofpetrochemicalindustryneedsmoreeffectivelyprolificlightoil.HowtotransformmoreheavyoilintolightoilandcleanenergyistheimportanttopicsoffutureFCC.FCCisoneofthepetroleamrefiningprocessistheuseofheatandacatalystforheavyoilundercarckingreactionoccurs,intoasteamcracker,sushasgasolineanddieselprocess.

Thetopicofthisdesignis1.2milliontons/yearofFCCprocessdesign.Therearedeeperontheprocessingofheavyoilandhighyield,andcomprehensiveevaluationofeconomicbenefitsarereasonablebyDaqingatmosphericresidueasrawmaterialstoproducegasolineprogram,aimedatproducinghigh-qualitygasoline.Gasolineprogramandanti-andthenthecalculationoftheprocesssystemtechnologyandisdesignedtoreach.

Theflexibledesignandprocessinghashighyieldofgasoline,andgivefullconsiderationtothecomprehensiveutilizationofenergyandenvironmentalissues.

Keyword:

Heavyoil；catalyticcracking；installment；sameshafttype；

design

沈阳化工大学学士学位论文 目录

目 录

第一章、综述 1

1.1原油催化裂化的重要性以及必要性 1

1.2常压渣油催化裂化的可行性 1

1.3同轴式催化裂化装置的特点 2

1.4我国催化裂化现状以及未来发展趋势 3

第二章、催化裂化生产参数和装置设备的说明 6

2.1生产方案详述 6

2.2装置形式特点详述 7

2.3生产流程简述 8

2.3.1反应—再生系统 8

2.3.2分馏系统 9

2.3.3吸收—稳定系统 10

2.3.4烟气能量回收系统 10

2.4操作条件说明 10

2.4.1反应温度 10

2.4.2再生温度 11

2.4.3原料预热温度 12

2.4.4反应压力 12

2.4.5再生压力 12

2.4.6反应时间 13

2.4.7反应器藏量 13

2.4.8再生器藏量 13

2.4.9剂油比和回炼比 14

2.4.10烟气中的过剩氧量 14

2.4.11CO2/CO 15

2.4.12H/C 15

2.4.13提升管各点的蒸汽喷入量 16

2.5设计特点 17

2.5.1采用倒L型快速分离器 17

2.5.2预提升段 17

2.5.3进料喷嘴 17

2.5.4采用耐磨弯头 18

2.5.5旋风分离器 18

2.5.6汽提段挡板 18

2.5.7空气分布管 19

2.5.8辅助燃烧室 19

2.5.9折叠式提升管 19

2.5.10用外集气管 20

2.5.11塞阀 20

2.5.12两器两段完全再生 20

2.5.13取热器 20

2.6催化剂和助剂的选取 21

沈阳化工大学学士学位论文 目录

2.6.1 OB—3000型催化剂 21

2.6.2 DNFVN-1复合金属钝化剂 22

第三章 能量回收和环境保护 23

3.1能量回收 23

3.2环境保护 24

3.2.1催化裂化环境污染的来源与防治 24

3.2.2清洁生产 26

第四章、催化裂化反-再系统工艺计算 28

4.1再生器物料平衡和热平衡计算及再生系统计算 28

4.2.2反应系统耗热方（用催化碳法计算）【19】 34

4.3.2取热分配 37

4.3.3管根数的确定 38

4.3.5外取热器管径 39

4.3.6外取热器高H 40

4.4再生器结构计算 40

4.4.1密相段直径D 40

4.4.5稀相、密相段过渡段高度h 41

4.4.6再生器高度H。

41

4.5催化剂输送 41

4.5.1待生管的直径和长度 41

4.5.2淹流管的直径和高度 41

4.6旋风分离器 42

4.6.1选型 42

4.6.2计算旋风分离器组数 42

4.6.3核算料腿的复合 43

4.6.4旋风分离器平衡 44

4.7再生器空气分布管 45

4.7.2分布压降计算 46

4.8辅助燃烧室 47

4.8.1热负荷 47

4.8.2结构尺寸 48

4.8.3一、二次空气分配 48

4.8.4辅助燃烧室环隙面积 49

4.8.5空气进口管线的直径：

49

4.9反应系统 49

4.9.1提升管反应器基础数据 49

4.9.2提升管进料处的工艺计算 52

4.9.4汽提段工艺计算 56

4.9.5旋风分离器 57

4.10两器压力平衡数据 58

致 谢 63

沈阳化工大学学士学位论文 第一章综述

第一章、综述

1.1原油催化裂化的重要性以及必要性

我国原油一般较重，常压渣油占原油的60%～75%，减压渣油占原油的40%～50%，又因为我国渣油充足，所以发展重油的催化裂化是提高轻质油产量的有效途径。

重油催化裂化是原油二次加工中最重要的工艺过程，是液化石油气、汽油、煤油和柴油的主要生产手段，在炼油厂中占有举足轻重的地位。

催化裂化一般以减压馏分油和焦化蜡油为原料，但是随着原油的日趋变重的增长趋势和市场对轻质油品的大量需求，部分炼厂开始掺炼减压渣油，甚至直接以常压渣油作为裂化原料。

我国掺炼减压渣油的经验较丰富技术熟练，但直接以常压渣油为原料的催化裂化起步较晚，所以常压渣油催化裂化技术有很大的发展空间，大力发展常压渣油催化裂化技术对提高轻质油产品品质和燃料清洁生产仍是是十分重要和必要的。

石油现在是不可替代的运输燃料原料，且世界石油资源有限，面对下世纪石油需求的增长，发展重油深度转化增加轻质油品仍是21世纪炼油行业的重大发展战略，催化裂化仍将是下世纪的重要转化技术。

催化裂化对促进我国的炼油工业和国民经

济发展所起的作用是难以估量的。

但人类进入21世纪以来，保护生态环境、维护可持续发展、使用清洁能源，特别是可再生能源将得到更大的重视和发展。

如何将重质油更多的转化成轻质油品，且转化成清洁能源是以后催化裂化的重要议题。

【1】

1.2常压渣油催化裂化的可行性

流化催化裂化经过几十年的发展，技术成熟；催化裂化能最大量的生产高辛烷值汽油组分；原料适应性广；转化深度大，轻质油品和液化气收率高；装置压力等级低，操作条件相对缓和，投资省。

选用催化裂化加工渣油最可行。

据统计，截止到2009年1月1日，全球原油加工能力为6015.48Mt/a，其中催化裂化装置的加工能力为668.37Mt/a，约占一次加工能力的16.6%，居二次加工能力的首位。

美国原油加工能力为821.13Mt/a，催化裂化能力为271Mt/a，居

84

界第一，催化裂化占一次加工能力的比例为33.0%。

我国催化裂化能力达66.08Mt/a，约占一次加工能力的38.1%，居世界第二位。

目前我国催化裂化装置总能力已经达到1亿吨／年，其中大部分是重油催化裂化。

催化裂化装置是我国炼油工业第一位的深度加工装置，催化裂化一直是我国加工重油、提高轻油收率最为重要的手段。

【2】

我国第一套大型工业化常压渣油催化裂化装置于1983年9月试运投产成功。

大庆常压渣油经过该催化裂化装置加工可以得到76%的汽油和柴油，及9-10%的液化气。

1977年12月在洛阳石油化工工程公司实验厂油建成投产了我国第一套50kt/a同轴式带两段再生的催化裂化装置。

渣油中一般含有很多的沥青，重金属含量高对催化剂污染比较严重，焦炭的产率也很高，使再生器焦烧负荷很大，导致所需的费用很高且含有硫氮生产过程中对环境有一定污染。

以渣油为原料的催化裂化的主要问题就是生焦量的问题。

但大庆常压渣油具有高H/C（H/C为1.74）金属含量低，残碳值低（4.3%），密度小（密度为0.896）平均分子量大（分子量563）的特点，是比较理想的重油催化裂化原料，可直接进行催化裂化。

综上所述，以常压渣油为原料的同轴式催化裂化十分可行。

1.3同轴式催化裂化装置特点

同轴式催化裂化装置是指反应器和再生器布置在同一轴线上。

反应沉降器在上部，再生器在下部。

同轴式的两器除具有并列式两器的一些优点外，还具有以下一些特点:

（1）钢材耗量少，投资省（见表1-1）。

（2）省掉了反映应器的框架，布置紧凑，占地面积小。

（3）适合于采用分子筛催化剂,可提高轻质油产率。

（4）施工周期短，设备安装方便。

（5）抗事故能力强，操作方便。

（6）采用塞阀调节催化剂循环量。

【3】

沈阳化工大学学士学位论文 第一章综述

表1-1 材料性质对比表【4】

项目

并列式

同轴式

钢材（吨）

设备

74.94

63.83

土建

87

15.7

合计

投资（万元）

161.94

84.53

设备

32.65

28.2

土建

6.2

2.25

合计

38.85

30.45

占地面积（平方米）

50

28

但同轴式的装置有一个突出的缺点：

装置高度较高。

对于同轴式催化裂化装置来说，必须采用各种措施降低装置总高度，以便施工操作维修。

如采用卧式辅助燃烧室;将汽提段伸入再生器内;采用外部烟气集合管及折叠式外提升管;提升管出口设置快速分离器等办法来降低高度。

（详见第二章）

1.4我国催化裂化现状以及未来发展趋势

我国催化裂化催化剂的科研开发和生产是从60年代开始的，30多年来在科研、设计、生产、应用各方的密切配合和共同努力下，取得了长足的进步。

到1997年，全国催化裂化催化剂生产能力已达65 kt/a。

基于我国原油资源的特点，决定了必须走深加工的路线，催化剂研究开发的指导思想即为多加工渣油为目标。

开发的催化剂较好地满足了不同的需要，达到了多掺炼重油，多产轻质产品的目的。

国内近期在催化裂化催化剂的研制和生产上主要取得了两大成就：

一是裂化催化剂的制造技术取得了突破，兰州炼油化工总厂催化剂实现了过去作坊式的生产制备为现代化的生产；从过去小群体设备过渡到大型规模经济生产，催化剂的制造水平有了很大的提高，使NaY分子筛的硅利用率、改性沸石收率和催化剂收率均达到了95％以上。

二是渣油裂化催化剂的开发取得了很大的进展。

开发了许多渣油裂化催化剂新品种，采用双多沸石复合组分制备催化剂的发展也很快。

影响FCC未来发展的重要因素将是：

原油价格、满足环保要求、新燃料规格、石油化工原料需求和渣油加工。

环保法规已成为FCC技术发展的主要推动力。

FCC已从简单解决诸如汽油、柴油、液化气、抗金属等其中的一、二个问题转向要同时解决多个矛盾的组合。

80年代以来，催化裂化技术的进展主要体现在两个方面：

①开发成功掺炼渣油（常压渣油或减压渣油）的渣油催化裂化技术（称为渣油FCC，简写为RFCC）；②催化裂化家族技术，包括多产低碳烯烃的DCC技术，多产异构烯烃的MIO技术和最大量生产汽油、液化气的MGG技术。

从近十年的发展情况来看，在目前和今后一段时期内，催化裂化技术将会围绕以下几个主要方面继续发展：

（1）加工重质原料:

传统的催化裂化原料主要是减压馏分油。

由于对轻质油的需求不断增长以及原油价格的提高，利用催化裂化技术加工重质原料油如常压重油、脱沥青残渣等可以得到较大的经济效益。

如何解决在加工重质原料油时焦碳产率高、重金属污染催化剂严重等问题，是催化裂化催化剂和工艺技术发展中的一个重要方向。

（2）降低能耗:

催化裂化装置能耗较大，降低能耗的潜力也较大。

降低能耗的主要方向是降低焦碳产率、充分利用再生烟气中CO的燃烧热以及发展再生烟气热能利用技术等。

（3）减少环境污染:

催化裂化装置的主要污染源是再生烟气中的粉尘、

CO、SO2和NOx。

随着环境保护立法日趋严格，消除污染的问题也日益显得重要。

（4）适应多种生产需要的催化剂和工艺:

例如，结合我国国情多产柴油；又如多产丙烯、丁烯、甚至是多产乙烯的新催化剂和工艺技术。

（5）过程模拟和计算机应用:

为了正确设计、预测以及应用计算机优化控制，都需要有正确的模拟催化裂化过程的数学模型。

由于催化裂化过程的复杂性，在这方面还有许多要研究和开发的技术。

【5】

随着石油产品需要量的增加及石油资源的短缺，对原油的深度加工和合理利用提出了更高的要求。

为了适应这种情况，必须使催化裂化原料由减压蒸馏的馏出油逐步变重，直至加工常压渣油或减压渣油，以大幅度增加轻质油品（汽油和柴油）和石油液化气的产量。

大庆原油不同加工方案的比较说明，采用常压渣油直接催化裂化，可以省掉减压蒸馏装置，并且比焦化和溶剂脱沥青工艺的轻质油收率高，产值高，利税高，而投资和加工费用低。

因此，开发大庆常压渣油催化裂化工艺对发展

沈阳化工大学学士学位论文 第一章综述

我国国民经济具有重大意义。

【6】

第二章、催化裂化生产参数和装置设备的说明

2.1生产方案详述

本设计采用汽油方案。

随着我国经济快速发展，交通日益发达，以及世界对环境问题的重视，以汽油为首的轻质油特别是对质量更好更清洁的燃料的需求量急剧增加，同时石油化工的发展，又需要更有效多产轻质油。

其次，大庆常压渣油具有高H/C（H/C为1.74）金属含量低，残碳值低（4.3%），密度小（密度为0.896）平均分子量大（分子量563）产率较高的特点，是比较理想的重油催化裂化原料，可直接进行催化裂化。

大庆常压渣油各种数据如下表2-1至

2-5：

表2-1 大庆常压渣油性质【13】

实沸点 收率 密度 运动粘度

>350℃ 71.5% 0.8902g/m3 48.8（80℃）

碳氢比 凝点 残炭 100℃

1.80 44℃ 4.3 28.9

表2-2 大庆常压渣油产品产率【13】

裂化气m% 汽油m% 轻柴油m% 焦炭m%13.82 50.08 26.20 9.9

表2-3 大庆常压渣油裂化汽油性质【13】

密度ρ20（g/m3）

0.7082

t10

52

馏程 t50

96

t90

161

马达法辛烷值

79.0

沈阳化工大学学士学位论文 第二章催化裂化生产参数和装置设备的说明

表2-4 大庆常压渣油裂化柴油性质【13】

密度ρ20（g/m3） 0.8754

t10 216

馏程 t50 255

t90 319

凝点 13.0

十六烷值 34

4 4 4 5

表2-5 大庆常压渣油重油裂化产品气体组成（体积%）【13】

H2 C1 C2 C2 C3 C3 iC0 nC0 C= iC0 H2S21.57 9.81 5.26 6.84 6.27 18.15 11.10 3.20 18.20 0.03 0.09

由以上个表可知，对大庆常压渣油的催化裂化采用汽油方案可行，汽油+柴油收率可达76%以上，而焦碳收率只有9.9%，从产品的性质来看，汽油的质量很好，与馏分油相近，很容易达到产品要求；虽然柴油质量不是很好十六烷值偏低，但综合平衡，采用汽油方案效益还是可行的。

2.2装置形式特点详述

同轴式催化裂化装置是指反应器（沉降器）和再生器布置在同一轴线上。

虽然此类装置有诸多优点，但对同轴式催化裂化装置来说，必须采取各种措施降低装置总高度，以便于施工和操作维修。

此次设计采用以下措施，以便降低总高度：

（1）采用两器两段再生：

本装置采用第一再生器与反应沉降器同轴，第二再生器与第一再生器串联的设计。

两段再生的优点：

在其他条件大体相同的情况下，两段再生和一段再生相比，催化剂藏量可以减少60%，使再生器高度可以降低。

（2）采用卧式辅助燃烧室：

实验厂高低并列式催化裂化装置采用立式辅助燃烧室，再生器框架标高8米，而同轴式采用卧式辅助燃烧室（6m），再生器框架标高

4米。

同时由于同轴式催化裂化装置再生器底部有塞阀等各种部件，辅助燃烧室不宜直接放在框架下面。

（3）强化气体过程，缩短汽提段。

设计中采用新型环形汽提挡板（一般8～10层），挡板与水平方向约成30°，在挡板上与提升管同心垂直均匀安装数圈蒸汽喷嘴，以提高汽提蒸汽与催化剂的接触效果，提高了汽提效率，同时缩短了汽提段。

（4）取消两器集气式，采用外集气管分别汇集再生烟气和反应油气，采用外

集气管不仅降低高度，而且还便于待生立管进入再生器和提升管，从反应沉降器顶部进入。

（5）在同轴式催化裂化装置中，再生器框架的高度是由提升管底部的标高和再生斜管的高度决定的，为了降低再生斜管高度，在布置是要尽量使提升管靠近再生器，同时适当的增加再生斜管与垂直方向的夹角。

【7】

2.3生产流程简述

催化裂化装置一般由三部分组成：

反应—再生系统，分馏系统，吸收—稳定系统。

由于本设计处理量较大、反应压力较高（例如0.25MPa），特别设有再生烟气能量回收系统。

（以下主要介绍反应—再生系统）【8】

2.3.1反应—再生系统

本装置处理的原料——大庆常压渣油，由常压蒸馏装置或渣油灌区送入装置内的原料油缓冲罐中，再由原料油泵抽出加压到油浆原料换热器加热到200℃与350℃的回炼油经过多路并联喷嘴从反应器下部均匀混合进入提升管和从再生斜管经预提段处理的催化剂充分混合，上升同时发生裂化反应，在提升管顶端经耐磨弯头到达快速分离器，反应油气和催化剂快速分离，防止了二次反应。

原料在进入喷嘴之前，用泵注入DMP-1复合金属钝化剂（钝化剂加入具体方法见2.6.2）。

【9】

提升管反应器出口温度控制在510℃左右，反应油气进入沉降器后，经两组单级旋风分离器进一步除去携带的催化剂后，从沉降器顶部引入分馏塔，进行后序操作。

【10】

反应生成的焦炭沉积在催化剂上，待生催化剂沉降进入汽提段。

在气体蒸汽汽提下，除去催化剂粒间、粒内所携带的烃蒸汽，然后经汽提段沿待生立管下流，经待生塞阀节流，再经待生立管套筒进入第一再生器的密相床，进行烧焦再生，压力为0.25MPa（绝），再生温度控制在680℃，多余的热量由外取热器取走，通过主风控制烟气中的过剩氧量不超过3%（体），使第一再生器烧掉焦炭中所有氢和85%～95%的焦炭。

经过第一再生器再生过的催化剂经淹流管进入催化剂提升输送管，用增压

沈阳化工大学学士学位论文 第二章催化裂化生产参数和装置设备的说明

风做输送介质把催化剂提升到第二再生器，第二再生器操作压力为0.21MPa（绝），温度控制在710℃，过剩氧为3%（体），进行高温完全再生，使再生催化剂含炭量降到0.05%以下，经第二再生器再生的催化剂由再生斜管输送到二再外脱气罐脱除

CO、CO2后经再生单动滑阀控制的再生斜管进入提升管反应器下部，经预提升后与原料油混合，重复上述循环。

【11】

由于渣油催化裂化生焦率高，催化剂再生过程中放出大量热量，再生器过热不仅损坏再生器还使催化剂破裂降低活性产生大量气体液体收率下降。

为了维持反应-

-再生系统热平衡特设上流式外取热器。

在第一再生器中再生的催化剂经输送管送至外取热器，与饱和水换热后取走过剩的热量。

再生器烧焦需要的空气，由主风机供给。

空气由主风机加压后，经两个辅助燃烧室分别引入