催化裂化油浆膜过滤技术工业应用研究

陈庆岭，王 宁

(中国石化长岭分公司，湖南 岳阳 414012)

催化裂化是炼油工艺中最重要的重质油轻质化过程之一，为提高装置处理量，降低能耗，增加轻质产品收率，外甩油浆工艺得到了普遍的采用[1-2]。一般炼油厂催化裂化装置外甩油浆的量约占原料量的3%～5%，油浆中芳烃质量分数达50%以上。芳烃是一种极有价值的化工产品，能够进一步深加工生产附加值较高的产品，但由于油浆中含有少量的固体催化剂颗粒(质量分数为2～6 mgg)，限制了下游产品的高值利用。油浆中固体催化剂粉末的粒径范围为0～80 μm，其中20 μm以下微粒的占比较高。目前，工业上去除油浆中固体颗粒使用的分离方法主要有自然沉降法[3]、过滤分离法[4-5]、静电分离法[6-8]和离心分离法。

如何根据油浆的特性，脱除其中催化剂颗粒(固含量)，充分利用资源，达到资源利用的最大效率，成为炼油厂乃至全石化行业均急需解决的关键问题。国内中国石油大学和北京钢铁研究总院等单位也在开发多孔过滤材料，并实现工业化生产，在国内已有多套过滤装置建成投用或正在建设中。2008年，中国石化长岭分公司(简称长岭分公司)与湖南中天元环境工程有限责任公司联合开发了针对催化裂化油浆过滤处理的耐高温特种陶瓷膜及其错流过滤处理技术，该技术具有过滤精度高的特点，克服了传统的金属丝网过滤器需频繁切换、滤芯易堵塞且清洗再生困难等不足。长岭分公司于2010年8月完成陶瓷膜错流过滤处理工艺中型试验，并与2012年2月建成100 kta催化裂化油浆膜过滤工业试验装置，但由于厂区搬迁问题导致工业装置一直闲置，于2018年4月开始进行工业装置的正常运转。由于原料油浆性质与中试原料有较大差异，导致系统运行不正常，主要存在密封泄漏和过滤通量小等问题。本课题通过考察催化裂化油浆过滤通量的影响因素，确定该装置的工业试验条件，在2018年4月至2019年9月期间，除了催化裂化装置检修，同批次陶瓷膜组件连续稳定运转14个月。以下主要对该陶瓷膜错流过滤处理技术的工业应用状况进行介绍。

1 实 验

1.1 原 料

原料油浆来自长岭分公司1号催化裂化装置，主要性质见表1。

表1 原料油浆主要性质

1.2 装置介绍

催化裂化油浆陶瓷膜错流过滤技术采用的耐高温陶瓷膜是以不同规格的氧化铝、氧化锆和氧化钛等无机陶瓷材料作为支撑体，经表面多次覆膜、高温烧制而成的具有多孔结构的精密陶瓷过滤材料。陶瓷膜错流过滤示意见图1。以错流方式进行过滤，即在压力驱动下，介质在膜管内侧膜层表面高速流动，小分子物质沿与之垂直方向透过微孔膜，大分子物质(或固体颗粒)被膜截留并被高速流动的循环液带走。

图1 陶瓷膜错流过滤示意

图2 100 kta催化裂化油浆膜过滤装置原则流程

2 结果与讨论

2.1 中型试验

工业试验前期，油浆系统运行不正常，主要存在过滤通量小的问题，因此在4 kta中型试验规模下对油浆过滤通量的影响因素进行考察。

2.1.1 油浆沥青质含量原料油浆中沥青质含量随着过滤时间的延长对过滤通量的影响见图3。由图3可以看出：原料油浆中沥青质质量分数低于15%时，陶瓷膜过滤通量稳定；当沥青质质量分数高于15%时，陶瓷膜过滤通量下降明显；沥青质含量越高，过滤通量下降越快，当沥青质质量分数超过20%时，已无法实现过滤。

图3 沥青质含量对油浆过滤通量的影响沥青质质量分数，%：◆—8.67； ▲—10.02； ■—14.89； ★—15.92； ●—17.98； ◆—22.87；

2.1.2 过滤温度过滤温度对陶瓷膜过滤通量的影响见图4。由图4可以看出，随着过滤温度的提高，过滤通量呈逐级上升的趋势，当过滤温度从190 ℃上升至310 ℃时，过滤通量可以稳定在245～255 L(m2·h)。陶瓷膜油浆过滤系统对温度的适应性较好，在温度为190～310 ℃范围均可以稳定运行。

图4 过滤温度对油浆过滤通量的影响

2.1.3 过滤压差过滤压差是指油浆通过膜组件管程和壳程的压力差，过滤压差对过滤通量的影响见图5。由图5可以看出：在运行压差小于80 kPa时，压差对过滤通量的影响较大；当压差大于80 kPa时，随着压差的增加过滤通量变化不大。综合考虑操作条件，原料油浆过滤压差的适宜范围为160～200 kPa。

图5 过滤压差对油浆过滤通量的影响

2.2 工业标定数据

表2 标定期间的操作条件

表3 标定期间原料油浆、滤后油浆和浓缩油浆的主要性质

由表3可以看出：标定期间原料油浆性质较差，密度(20 ℃)高于1 140 kgm3，沥青质质量分数高于10%，灰分(w)高于0.2%；与一般催化裂化装置油浆相比，沥青质较高(中国石化催化裂化装置油浆沥青质质量分数一般为4%～8%)，性质差，过滤难度大，具有一定的代表性；滤后油浆与原料油浆相比，灰分(w)由高于2 000 μgg降至50 μgg以下，最低达到30 μgg，灰分脱除率达到97.5%；灰分的主要成分为金属，油浆过滤后的金属质量分数由40 μgg左右降至低于2 μgg，金属大部分进入到浓缩油浆中，滤后油浆的金属脱除率达到95%，起到一定的脱金属作用；滤后油浆收率达88%，族组成无明显变化，尤其是芳烃质量分数维持在60%以上。对橡胶填充油、针状焦等利用油浆芳烃为主的高附加值下游产品而言，这种滤后油浆是灰分低、芳烃含量高的优质原料，为投建以油浆为原料的生产橡胶填充油、针状焦大规模工业化装置提供了契机。

2.3 长周期工业应用数据

2018年4月至2019年10月，除2019年1—2月催化裂化装置停工检修期间装置停运外，同一批过滤膜组件累计运行达14个月，实现了工业长周期稳定运行。

工业运转过程中，操作温度为290～310 ℃，原料油浆进料量为9～13 m3h，过滤压差约为200 kPa，原料油浆和滤后油浆的流量随着运转时间的变化见图6。由图6可以看出，原料油浆、滤后油浆的流量较平稳，收率平均达到85%以上。停工后再次运转时，由于该催化裂化装置调整操作，原料油浆进料略微降低致使滤后油浆流量降低，但流量相对比较平稳。

图6 油浆流量随运转时间的变化◆—原料油浆； ▲—滤后油浆

工业运转过程中，原料油浆、浓缩油浆和滤后油浆的灰分随运转时间的变化见图7。由图7可以看出：原料油浆灰分(w)稳定在0.2%～0.5%；浓缩油浆灰分(w)为1.5%～4%，浓缩倍数大于5，最高达到10，浓缩油浆甩出后，则灰分立即下降；滤后油浆灰分(w)稳定在50 μgg以下。

图7 油浆灰分随运转时间的变化▲—原料油浆； ■—浓缩油浆； ◆—滤后油浆

工业运转过程中，滤后油浆的收率随运转时间的变化见图8。由图8可以看出，滤后油浆收率最高约93%，平均收率高于85%，在保证过滤效果的同时，获得大量的滤后油浆，为下游规模利用提供有力支持。

图8 滤后油浆收率随运转时间的变化

3 结 论

(1)催化裂化油浆沥青质含量、反应温度和过滤压差是影响陶瓷膜错流过滤处理装置过滤通量的主要因素，通过对这些因素的考察，得到工业装置稳定运行的最佳条件为：催化裂化油浆中沥青质质量分数低于15%、反应温度190～310 ℃、过滤压差160～200 kPa。