催化裂化實驗簡易裝置

A. 怎麼從重油里變出汽油來

目前，在石油產品中，作為汽車燃料的汽油和柴油的數量要佔到一多半，而一般原油中含有的汽油、柴油這樣的輕質餾分只有1/4左右，光是從數量上看就有很大差距，同時在質量上也達不到要求。

因而，人們便想方設法要把約占原油3/4的較重成分變成輕質燃料，以滿足交通事業發展的需要。根據原油在350℃起就開始分解這個特點，20世紀初就有人開發了石油熱裂化生產汽油的方法，並大規模工業化，基本滿足了當時的需要。但是到了20世紀40年代，汽車數量激增，汽油機的工作條件越來越苛刻，熱裂化汽油無論在數量上還是質量上都已經不能滿足需要，此時一種稱為催化裂化的新生產工藝便應運而生。自那時起，催化裂化迅速發展，逐漸成為生產汽油的主角，而熱裂化則逐漸退出歷史舞台，現在已幾乎絕跡。

所謂催化裂化就是指在催化劑存在下進行裂化反應，與單純的熱裂化相比，它可以在較低的溫度下、較短的時間內完成反應，大大提高了生產的效率和汽油的質量。其反應溫度大體在500℃左右，反應時間只有幾秒鍾。催化裂化的原料比較廣泛，最初主要用沸點范圍為350～500℃的中間餾分為原料，現在大量採用重質原料（全部或部分摻入常壓渣油或減壓渣油），就是所謂重油催化裂化。催化裂化所用的催化劑現有許多品牌，但在本質上它們都是硅和鋁的化合物，現在普遍採用的是一類稱為Y型分子篩的固體酸催化材料，以分子篩為主要成分的裂化催化劑具有很高的催化活性、選擇性及穩定性。

催化裂化裝置催化裂化汽油的產率大體在50%左右，它在我國車用汽油中的份額約佔80%之多。催化裂化汽油基本可達到90號車用汽油的標准，但是從環保上更高的要求來看，其中烯烴的含量較高，硫含量一般也偏高，這是目前正在設法解決的問題。此外，催化裂化還產出25%～30%的柴油餾分，其質量較差，需要經過進一步處理後才能應用。

催化裂化在生成汽油、柴油等液體產物的同時，還生成以丙烷、丙烯、丁烷、丁烯為主要成分的氣體產物。它們在不太高的壓力下就可以變成液體，這就是常用作民用燃料的液化氣。其實，把液化氣當燃料燒掉是很可惜的。因為它們是極好的石油化工原料，可以用來製取聚丙烯和聚丙烯腈等許多十分重要的產品。近年來，還開發了一系列用催化裂化方法盡量多產氣體烯烴的過程，成為除了高溫裂解外另一條提供石油化工原料的重要渠道。

此外，還有一類也能把大分子變小，使重質的原料變輕的過程稱為加氫裂化。這種方法是在高達100多個大氣壓（約10兆帕）的氫氣下，經過加氫裂化催化劑的作用，可以生產出質地純凈的優質噴氣飛機燃料、柴油以及石油化工的原料（輕油）。

B. 描述催化裂化裝置預提升蒸汽的位置和作用

位置在提升管底部，作用是將進入提升管底部的再生催化劑提升至原料噴嘴進行催化裂化反應。催化裂化裝置前鋒預提升蒸汽的位置在提升管底部，作用是將進入提升管底部的再生催譽伍化劑提升至原料噴慧虛晌嘴進行催化裂化反應。還有少量的松動蒸汽，在斜管、立管內起松動催化劑的作用，保證催化劑輸送正常。

C. 催化裂化再生器的催化裂化再生器

再生器的主要作用是燒去結焦催化劑上的焦炭以恢復催化劑的活性，需的熱量。對再生器的主要要求有:
①生催化劑的含炭量較低，一般要求低於0.2%（質量分數）有時要求低達0.05%0.10%（質量分數）。
②有較高的燒焦強度，當以再生器內的有效藏最為基準時，燒焦強度一般為100-250 kg/（t*h）。
③催化劑減活及磨損的條件比較緩和。
④易於操作，能耗及投資較少。
⑤能滿足環境保護要求。
為了實現以上目標，工業上有各種型式的再生器，大體可分為三種類型：單段再生、兩段再生、快速流化床再生。表1列出了各種組合方式的再生型式以及它們的主要指標。圖1是單段再生的再生器簡圖，以下以此圖為例說明再生器的基本工藝結構。 再生器的殼體是鋼制的大型筒體，國外最大的直徑達16.8m（裝置處理能力8.5Mt/a）。殼體內的上部為稀相區，下部為密相區。密相區的有效藏量由燒焦負荷及燒焦強度確定，根據密相區的有效藏量和固體密度可決定密相風的容積。所謂有效藏量是指處於燒焦環境中的藏量。密相區的直徑由空塔氣用較高的氣速可以有較高的燒焦強度，從而使藏量減少，但床層密度下降而使床層體積增大，因此，氣速的選擇有一合理的范圍。密相區的直徑和容積確定後，即可確定其高度。密相區的床層高度一般為5-7m。為了避免過多地帶出催化劑及增大催化劑的損耗，稀相區的氣速不能太高，對堆積密度較小的催化劑一般採用0.6-0.7m/S，對堆積密度較入的催化劑則可採用0. 8 - 0.9 m/s。從密相區向上到一級旋風分離器入口之間的稀相空間高度應大於TDH。即使如此，稀相空間仍有一定的催化劑濃度，為了減少催化劑的損耗，再生器內裝有兩級串聯的旋風分離器，其回收固體顆粒的效率應在99.99%以上。旋風分離器的直徑不能過大，以免降低分離效率，因此，在燒焦負荷大的再生器內裝有幾組旋風分離器，它們的升氣管連接到一個集氣室將煙氣導出再生器。
為了使燒焦空氣（工廠里多稱為主風）進入床層時能沿整個床截面分布均勻，在再生器下部裝有空氣分布器，其主要結構形式有分布板式（碟形）和分布管式（平面樹枝形和環形）兩類。碟形分布板上開有許多小孔，孔直徑為16-25mm，孔數為10-20/㎡。分布板可使空氣得到良好的分布，但是大直徑的分布板長期在高溫下操作易變形而使空氣分布狀況變差。目前工業上使用較多的是管式分布器，這種分布器在樹枝形分布管或環形分布管上設有向下傾斜45°的噴嘴，空氣由噴嘴向下噴出，再返回上面的床層。
待生催化劑進入再生器和再生催化劑出再生器的方式及相關的結構形式隨再生器的結構、再生器與反應器的相對位置等因素而多種多樣，同時還應從反應工程的角度考慮如何能有較高的燒焦效率。一般來說，待生催化劑從再生器床層的中上部進入，並且以設有分配器為佳;再生催化劑從床層的中下部引出，通常是通過淹流管引出。
在以餾分油為原料的催化裂化裝置中，一般是處於熱平衡操作。但在重油催化裂化裝置中，由於焦炭產率高，再生器內產生的熱量過剩，必須另外取走一部分熱量才能維持兩器的熱平衡。工業上曾經採用在再生器內安裝取熱盤管或管束的辦法來取走過剩的熱量，稱為內取熱方式。由於操作靈活性差及取熱管易損壞，近年來，內取熱方式已被外取熱方式逐漸所替代。外取熱方式是在再生器殼體外部設一催化劑冷卻器（稱外取熱器），從再生器密相床層引出部分熱催化劑，經外取熱器冷卻，溫度降低約100-200℃，然後返回再生器。這種取熱方式可以採用調節引出的催化劑的流率的方法改變冷卻負荷，其操作彈性可在0-100%之間變動，這就使再生溫度成為一個獨立調節變動，從而可以適合不同條件下的反應—再生系統熱平衡的需要。 目前上業應用的外取熱器主要有兩種類型，即下行式外取熱器和上行式外取熱器，它們的結構分別見圖2和圖3。下行式外取熱器的操作方式是從再生器來的催化劑自上而下通過取熱器，流化空氣以0.3-0.5m/s的表觀流速自下而上穿過取熱器使催化劑保持流化狀態。在取熱器內也形成了密相床層和稀相區，夾帶了少量催化劑的氣體從卜部的排氣管返回再生器的稀相區。取熱器內裝有管束，通入軟化水以產生水蒸氣，從而帶走熱量。催化劑循環量由出口管線上的滑閥調節，取熱器內密相床層料面高度則由熱催化劑進口管線上的滑閥調節。
上行式外取熱器的操作方式是熱催化劑進入取熱器的底部，輸送空氣以1.0-1.5m/s的表觀流速攜帶催化劑自下而上經過取熱器，然後經頂部出門管線返回再生器的密相床層的中上部。在取熱器內的氣固流動屬於快速床范疇，其催化劑密度一般為100-200kg/m。催化劑的循環量由熱催化劑入口管線上的滑閥調節。

D. 催化裂化裝置吸收穩定系統的原理是什麼

催化裂化生產過程的主要產品是氣體、汽油和柴油,其中氣體產品包括干氣和液化石油氣,干氣作為本裝置燃料氣燒掉,液化石油氣是寶貴的石油化工原料和民用燃料。

所謂吸收穩定,目的在於將來自分餾部分的催化富氣中C2以下組分與C3以上組分分離以便分別利用,同時將混入汽油中的少量氣體烴分出,以降低汽油的蒸氣壓,保證符合商品規格。

吸收-穩定系統包括吸收塔、解吸塔、再吸收塔、穩定塔以及相應的冷換設備。

由分餾系統油氣分離器出來的富氣經氣體壓縮機升壓後,冷卻並分出凝縮油,壓縮富氣進入吸收塔底部,粗汽油和穩定汽油作為吸收劑由塔頂進入,吸收了C3、C4(及部分C2)的富吸收油由塔底抽出送至解吸塔頂部。

吸收塔設有一個中段迴流以維持塔內較低的溫度,吸收塔頂出來的貧氣中尚夾帶少量汽油,經再吸收塔用輕柴油回收其中的汽油組分後成為干氣送燃料氣管網。吸收了汽油的輕柴油由再吸收塔底抽出返回分餾塔。

解吸塔的作用是通過加熱將富吸收油中C2組分解吸出來,由塔頂引出進入中間平衡罐,塔底為脫乙烷汽油被送至穩定塔。穩定塔的目的是將汽油中C4以下的輕烴脫除,在塔頂得到液化石油氣〈簡稱液化氣〉,塔底得到合格的汽油——穩定汽油。

吸收解吸系統有兩種流程,上面介紹的是吸收塔和解吸塔分開的所謂雙塔流程;還有一種單塔流程,即一個塔同時完成吸收和解吸的任務。雙塔流程優於單塔流程,它能同時滿足高吸收率和高解吸率的要求。

E. 催化裂化提升管反應器的提升管反應器

提升管上端出口處設有氣—固快速分離構件，其目的是使催化劑與油氣快速分離以抑制反應的繼續進行。快速分離構件有多種形式，比較簡單的有半圓帽形、T字形的構件，為了提高分離效率，近年來較多地採用初級旋風分離器。實際上油氣在沉降器及油氣轉移管線中仍有一段停留時間，從提升管出日到分餾塔約為10-20s。，而且溫度也較高一般為450-510℃。在此條件下還會有相當程度的二次反應發生，而且主要是熱裂化反應，造成於氣和焦炭產率增大。對重油催化裂化，此現象更為嚴重，有時甚至在沉降器、油氣管線及分餾塔底的器壁上結成焦塊。因此，縮短油氣在高溫下的停留時間是很有必要的。適當減小沉降器的稀相空間體積、縮短初級旋風分離器的升氣管出口與沉降器頂的旋風分離器入口之間的距離是減少二次反應的有效措施之一。據報道，採取此措施可以使油氣在沉降器內的停留時間縮短至3s，熱裂化反應明顯減少。
提升管下部進料段的油劑接觸狀況對重油催化裂化的反應有重要影響。對重油進料，要求迅速汽化、有盡可能高的汽化率，而且一與催化劑的接觸均勻。原料油霧化粒徑小可增人傳熱面積，而.只由於原料油分散程度高，油霧與催化劑的接觸機會較均等，從而提高了汽化速率。實驗及計算結果表明，霧滴初始粒徑越小則進料段內的汽化速率越高，兩者之間呈指數關系。實驗結果還表明，對重油催化裂化，提高進料段的汽化率能改善產品產率分布。因此，選用噴霧粒徑小，而且粒徑分布范圍較窄的高效霧化噴嘴對重油催化裂化是很重要的。模擬計算結果表明，當霧滴平均粒徑從60μm減小至50μm時，對重油催化裂化的反應結果仍有明.顯的效果。除了液霧的粒徑分布外，影響油霧與催化劑的接觸狀況的因素還有噴嘴的個數及位置、噴出液霧的形狀、從預提升管上升的催化劑的流動狀況等。在重油催化裂化時，對這些因素都應予以認真的研究。 中國石油大學成功開發的催化裂化汽油輔助反應器改質技術，以常規催化裂化催化劑和常規催化裂化工藝為基礎，依託原有催化裂化裝置，增設了一個單獨的提升管與湍動床層相組合的輔助反應器，利用這一單獨的改質反應器對催化裂化汽油進行進一步改質，促進了需要的氫轉移和異構化反應並抑制了不需要的裂化反應，實現了催化裂化汽油的良性定向催化轉化，從而達到了降低烯烴含量、維待辛烷值基本不變以生產清潔汽油的目的。其工藝流程如圖5所示。工業化應用結果表明，可使催化裂化汽油烯烴含量降到20%（體積分數）以下，且維持辛烷值不變，使催化裂化裝置直接生產出烯烴含量合格的高品質清潔汽油。改質過程損失小，只佔整個重油催化裂化裝置物料平衡的0.8%（質量分數），且操作與調變靈活，通過調整改質反應器操作，可提高丙烯產率3%左右。
除此之外，有研究報道，採用渣油單獨進料並選好其注人的位置會有利於改善反應狀況。對下行式鉀式反應器也有不少研究。從原理上分析，卜行式反應器可能有以下一些優點：油氣與催化劑一起從上而下流動，沒有固體顆粒的滑落間題，流型可接近平推流而很少返混；有可能與管式再生器結合而節約投資等。這種反應器型式可能對要求高溫、短接觸時間的反應更為適合。關於下行式反應器的研究已有一些專利，但尚未見有工業化的報道。

F. 如何在催化裂化反應器中實現催化劑的循環

在催化裂化反應器中實現催化劑的循環：一般催化裂化裝置的加工過程分為反再部分、分餾部分、吸收穩定部分。

催化裂化的反應器是流化床，在再生器溫度達到650℃以上時，保持低主風量、低再生壓力，迅速向再生器加催化劑，並保證床溫不低於350℃，若床溫下降過快減慢加劑速度，等催化劑蓋過燃燒油噴嘴，可以噴燃燒油升溫。

類型

移動床催化裂化用的是小球硅酸鋁催化劑。流化床催化裂化用的是微球硅酸鋁催化劑。現代提升管催化裂化用的是微球分子篩催化裂化催化劑。控制短的接觸時間可以減少縮合反應，減少焦炭的生成。所用原料為減壓餾分油、焦化蠟油、脫瀝青油等餾分油者，稱餾分油催化裂化；所用原料為常壓渣油、減壓渣油或餾分油中摻入渣油，都稱渣油催化裂化。

G. 催化裂化過程詳解

一般催化裂化裝置的加工過程分為反再部分、分餾部分、吸收穩定部分，下面分別介紹
.1反應-再生系統

原料油經過加熱汽化後進入提升管反應器進行裂化。提升管中催化劑處於稀相流化輸送狀態，反應產物和催化劑進入沉降器，並經汽提段用過熱水蒸氣汽提，再經旋風分離器分離後，反應產物從反應系統進入分餾系統，催化劑沉降到再生器。在再生器中用空氣使催化劑流化，並且燒去催化劑表面的焦炭。煙氣經旋風分離器和催化劑分離後離開裝置，使催化劑在裝置中循環使用。
反應系統主要由反應器和再生器組成。原料油在裝有催化劑的反應器中裂化，催化劑表面有焦炭沉積。沉積的焦炭的催化劑在再生器中燒焦進行再生，再生後的催化劑返回反應器重新使用。反應器主要為提升管，再生器為流化床。
再生器的主要作用是：燒去催化劑上因反應而生成的積炭，使催化劑的活性得以恢復。再生用空氣由主風機供給，空氣通過再生器下面的輔助燃燒室及分布管進入。
在反應系統中加入水蒸汽其作用為：
（1）霧化——從提升管底部進入使油氣霧化，分散，與催化劑充分接觸；
（2）預提升——在提升管中輸送油氣；
（3）汽提——從沉降器底部汽提段進入，使催化劑顆粒間和顆粒內的油氣汽提，減少油氣損失和焦炭生成量，從而減少再生器負荷。汽提水蒸氣占總水蒸氣量的大部分。
（4）吹掃、松動——反應器、再生器某些部位加入少量水蒸氣防止催化劑堆積、堵塞。

2分餾系統

由反應器來的反應產物油氣從底部進入分餾塔，經塔底部的脫過熱段後在分餾段分割成幾個中間產品：塔頂為富氣，汽油，側線有輕柴油，重柴油和回煉油，塔底產品為油漿。輕、重柴油分別經汽提後，再經換熱，冷卻後出裝置。
分餾系統主要設備是分餾塔，裂化產物在分餾塔中分餾成各種餾分的油品。塔頂汽在粗汽油分離罐中分成粗汽油和富氣。

3吸收—穩定系統

該系統主要由吸收塔，再吸收塔，解吸塔及穩定塔組成。從分餾塔頂油氣分離器出來的富氣中帶有汽油部分，而粗汽油中則溶解有C3，C4 組分。
吸收—穩定系統的作用就是利用吸收和精餾方法，將富氣和粗汽油分離成干氣（C2），液化氣（C3 、C4）和蒸汽壓合格的穩定汽油。

H. 催化裂化裝置主要設備有哪些

提升管反應器、旋風分離器（沉降器）、催化劑再生器、分餾塔。