原料性质对连续重整装置能耗的影响

2012-01-13王弘历王广河

石油炼制与化工 2012年12期

王弘历，龚燕，王广河，郭彦

（中国石油规划总院，北京100083）

能效对标是指企业为提高能效水平，与国际国内同行业先进企业能效指标进行对比分析，确定标杆，通过管理和技术措施，达到标杆或更高能效水平的实践活动［1］。随着炼化企业对用能水平重视程度的显著提升，通过能效对标寻找企业之间的差距，进而挖掘节能潜力的工作方法越来越受到重视。但是，由于不同装置的原料性质、产品质量要求、工艺流程等基础条件不同，导致比较基准不同，因而，不能简单地以装置综合能耗指标作为对标和节能挖潜的依据。对于连续重整装置，国内目前多采用UOP或IFP公司的专利技术，已有研究表明采用不同专利技术对装置能耗的影响并不大［2］。因而，在进行不同企业连续重整装置能耗对比时，比较基准的差别主要在于原料性质和产品要求的不同。对于重整石脑油原料，实际生产中多采用芳烃潜含量（以下简称芳潜）和芳构化指数（N＋2A，N、A分别表示原料中环烷烃和芳烃的质量分数）作为原料评价指标。原料的芳潜或芳构化指数越高，表明原料中环烷烃和芳烃含量越高，重整生成油的芳烃产量就越大、辛烷值越高。因此，可以利用原料的芳潜或芳构化指数估算重整反应操作条件、重整产率和产品辛烷值。但是，在相同的产品辛烷值要求下，上述参数能否有效表征装置能耗大小尚无研究。本课题旨在研究一种新的原料表征指标，用以关联装置能耗变化，为实现不同连续重整装置能效的科学合理对标奠定基础。

1 研究方法

实际生产中，同一套装置的原料性质和产品要求一般变化不大；而不同装置的实际能耗数据由于操作条件不同等原因往往不能直接用于研究。通过软件工具建立装置模拟模型，则可以方便地控制装置的原料性质、产品要求和操作参数，因而在进行原料性质和产品要求对能耗影响的研究时具有明显优势。

首先利用英国先进技术公司（KBC）的REFSIM重整反应动力学模型和Petro－SIM流程模拟软件，依据某炼油厂实际数据建立典型燃料型连续重整装置模拟模型；然后在保持生产方案、工艺流程和操作条件不变的情况下，利用模型计算13种典型重整原料及5种产品辛烷值要求下装置能耗的变化情况；进一步研究常用原料评价指标与装置能耗间的关系，并基于对重整反应过程的分析和数学回归方法，提出一种新的原料评价指标。研究所用的连续重整装置模型包括预分馏、预加氢、重整反应及产品稳定单元，不包括芳烃抽提和芳烃精馏单元；主要操作条件为：重整反应压力0.35MPa，氢油摩尔比2.0，产品研究法辛烷值（RON）范围95～102［3－5］。能耗计算依据GB/T 50441—2007的相关规定进行，涵盖了模型涉及的所有流程。

2 结果与讨论

2.1 常用原料表征指标与装置能耗的关系

在重整汽油RON为95的条件下，计算得到的装置能耗与原料芳潜和芳构化指数的关系见图1和图2。由图1和图2可见，图中数据点分布的规律性较差，采用线性回归获得的决定系数分别为0.108 8和0.434 3，说明芳潜和芳构化指数不能很好地表征原料性质对装置能耗的影响。这是因为芳潜和芳构化指数只能说明生产芳烃的可能性，在同样的生产条件和产品辛烷值要求下，实际的芳烃转化率主要取决于环烷烃的分子结构［6］，同时也受到烷烃芳构化反应的影响。不同分子结构的环烷烃和烷烃的转化率有所不同，并且苯、甲苯等芳烃产物的辛烷值差别也较大。因此，即使两种芳潜或芳构化指数接近的原料进行重整反应后达到同样的产品辛烷值要求，其产氢率和C5＋液体收率仍可能有所不同，导致反应能耗及后续分馏部分能耗不同，从而引起装置总体能耗指标的不同。

图1 重整原料芳潜与装置能耗的关系

图2 重整原料芳构化指数与装置能耗的关系

由于芳潜、芳构化指数等常用的原料评价指标不能很好地将原料性质与装置能耗进行关联，因此需要对原料组成与装置能耗之间的关系进行进一步的研究，建立新的原料评价指标及其与装置能耗间的关联关系，为更加合理地开展装置能效对标奠定基础。

2.2 新的原料表征指标及其与装置能耗的关系

通过分析重整反应机理可知，重整汽油产品辛烷值的提高主要是由生成芳烃的反应贡献的，而生成芳烃的主要反应有六元环烷烃脱氢反应、五元环烷烃脱氢异构化反应以及烷烃脱氢环化反应，这3类反应均为强吸热反应，且反应热值相近，如环己烷脱氢生成苯的反应热为221kJ/mol，正己烷脱氢环化生成苯的反应热为266kJ/mol［6］。因此，原则上来说，重整原料中芳烃含量越少，产品达到相同辛烷值所需的反应热越多、装置能耗越大。同时，由于部分烷烃会发生异构化、少量烷烃会发生氢解和加氢裂化等放热反应，对于芳烃含量相近而环烷烃含量相差较大的重整原料，装置能耗仍然会有一定的差别。因此重整装置能耗主要受到原料中芳烃含量的影响，同时也因环烷烃（或链烷烃）含量不同而有所变化。

考虑到环烷烃、链烷烃中发生芳构化反应的主要组分为C6～C10组分，本研究针对C6～C10范围内芳烃、环烷烃、链烷烃含量进行了多种形式组合，建立了不同的原料评价指标，并通过回归分析各评价指标与装置能耗数据之间的关系，筛选获得了可以较好地关联原料性质与装置能耗的新的重整原料表征指标（R），即：式中：A为原料中芳烃的质量分数；N和P分别为C6～C10环烷烃和链烷烃的质量分数。