催化裂化实验简易装置

A. 怎么从重油里变出汽油来

目前，在石油产品中，作为汽车燃料的汽油和柴油的数量要占到一多半，而一般原油中含有的汽油、柴油这样的轻质馏分只有1/4左右，光是从数量上看就有很大差距，同时在质量上也达不到要求。

因而，人们便想方设法要把约占原油3/4的较重成分变成轻质燃料，以满足交通事业发展的需要。根据原油在350℃起就开始分解这个特点，20世纪初就有人开发了石油热裂化生产汽油的方法，并大规模工业化，基本满足了当时的需要。但是到了20世纪40年代，汽车数量激增，汽油机的工作条件越来越苛刻，热裂化汽油无论在数量上还是质量上都已经不能满足需要，此时一种称为催化裂化的新生产工艺便应运而生。自那时起，催化裂化迅速发展，逐渐成为生产汽油的主角，而热裂化则逐渐退出历史舞台，现在已几乎绝迹。

所谓催化裂化就是指在催化剂存在下进行裂化反应，与单纯的热裂化相比，它可以在较低的温度下、较短的时间内完成反应，大大提高了生产的效率和汽油的质量。其反应温度大体在500℃左右，反应时间只有几秒钟。催化裂化的原料比较广泛，最初主要用沸点范围为350～500℃的中间馏分为原料，现在大量采用重质原料（全部或部分掺入常压渣油或减压渣油），就是所谓重油催化裂化。催化裂化所用的催化剂现有许多品牌，但在本质上它们都是硅和铝的化合物，现在普遍采用的是一类称为Y型分子筛的固体酸催化材料，以分子筛为主要成分的裂化催化剂具有很高的催化活性、选择性及稳定性。

催化裂化装置催化裂化汽油的产率大体在50%左右，它在我国车用汽油中的份额约占80%之多。催化裂化汽油基本可达到90号车用汽油的标准，但是从环保上更高的要求来看，其中烯烃的含量较高，硫含量一般也偏高，这是目前正在设法解决的问题。此外，催化裂化还产出25%～30%的柴油馏分，其质量较差，需要经过进一步处理后才能应用。

催化裂化在生成汽油、柴油等液体产物的同时，还生成以丙烷、丙烯、丁烷、丁烯为主要成分的气体产物。它们在不太高的压力下就可以变成液体，这就是常用作民用燃料的液化气。其实，把液化气当燃料烧掉是很可惜的。因为它们是极好的石油化工原料，可以用来制取聚丙烯和聚丙烯腈等许多十分重要的产品。近年来，还开发了一系列用催化裂化方法尽量多产气体烯烃的过程，成为除了高温裂解外另一条提供石油化工原料的重要渠道。

此外，还有一类也能把大分子变小，使重质的原料变轻的过程称为加氢裂化。这种方法是在高达100多个大气压（约10兆帕）的氢气下，经过加氢裂化催化剂的作用，可以生产出质地纯净的优质喷气飞机燃料、柴油以及石油化工的原料（轻油）。

B. 描述催化裂化装置预提升蒸汽的位置和作用

位置在提升管底部，作用是将进入提升管底部的再生催化剂提升至原料喷嘴进行催化裂化反应。催化裂化装置前锋预提升蒸汽的位置在提升管底部，作用是将进入提升管底部的再生催誉伍化剂提升至原料喷慧虚晌嘴进行催化裂化反应。还有少量的松动蒸汽，在斜管、立管内起松动催化剂的作用，保证催化剂输送正常。

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烧去结焦催化剂上的焦炭以恢复催化剂的活性，需的热量。对再生器的主要要求有:
①生催化剂的含炭量较低，一般要求低于0.2%（质量分数）有时要求低达0.05%0.10%（质量分数）。
②有较高的烧焦强度，当以再生器内的有效藏最为基准时，烧焦强度一般为100-250 kg/（t*h）。
③催化剂减活及磨损的条件比较缓和。
④易于操作，能耗及投资较少。
⑤能满足环境保护要求。
为了实现以上目标，工业上有各种型式的再生器，大体可分为三种类型：单段再生、两段再生、快速流化床再生。表1列出了各种组合方式的再生型式以及它们的主要指标。图1是单段再生的再生器简图，以下以此图为例说明再生器的基本工艺结构。 再生器的壳体是钢制的大型筒体，国外最大的直径达16.8m（装置处理能力8.5Mt/a）。壳体内的上部为稀相区，下部为密相区。密相区的有效藏量由烧焦负荷及烧焦强度确定，根据密相区的有效藏量和固体密度可决定密相风的容积。所谓有效藏量是指处于烧焦环境中的藏量。密相区的直径由空塔气用较高的气速可以有较高的烧焦强度，从而使藏量减少，但床层密度下降而使床层体积增大，因此，气速的选择有一合理的范围。密相区的直径和容积确定后，即可确定其高度。密相区的床层高度一般为5-7m。为了避免过多地带出催化剂及增大催化剂的损耗，稀相区的气速不能太高，对堆积密度较小的催化剂一般采用0.6-0.7m/S，对堆积密度较入的催化剂则可采用0. 8 - 0.9 m/s。从密相区向上到一级旋风分离器入口之间的稀相空间高度应大于TDH。即使如此，稀相空间仍有一定的催化剂浓度，为了减少催化剂的损耗，再生器内装有两级串联的旋风分离器，其回收固体颗粒的效率应在99.99%以上。旋风分离器的直径不能过大，以免降低分离效率，因此，在烧焦负荷大的再生器内装有几组旋风分离器，它们的升气管连接到一个集气室将烟气导出再生器。
为了使烧焦空气（工厂里多称为主风）进入床层时能沿整个床截面分布均匀，在再生器下部装有空气分布器，其主要结构形式有分布板式（碟形）和分布管式（平面树枝形和环形）两类。碟形分布板上开有许多小孔，孔直径为16-25mm，孔数为10-20/㎡。分布板可使空气得到良好的分布，但是大直径的分布板长期在高温下操作易变形而使空气分布状况变差。目前工业上使用较多的是管式分布器，这种分布器在树枝形分布管或环形分布管上设有向下倾斜45°的喷嘴，空气由喷嘴向下喷出，再返回上面的床层。
待生催化剂进入再生器和再生催化剂出再生器的方式及相关的结构形式随再生器的结构、再生器与反应器的相对位置等因素而多种多样，同时还应从反应工程的角度考虑如何能有较高的烧焦效率。一般来说，待生催化剂从再生器床层的中上部进入，并且以设有分配器为佳;再生催化剂从床层的中下部引出，通常是通过淹流管引出。
在以馏分油为原料的催化裂化装置中，一般是处于热平衡操作。但在重油催化裂化装置中，由于焦炭产率高，再生器内产生的热量过剩，必须另外取走一部分热量才能维持两器的热平衡。工业上曾经采用在再生器内安装取热盘管或管束的办法来取走过剩的热量，称为内取热方式。由于操作灵活性差及取热管易损坏，近年来，内取热方式已被外取热方式逐渐所替代。外取热方式是在再生器壳体外部设一催化剂冷却器（称外取热器），从再生器密相床层引出部分热催化剂，经外取热器冷却，温度降低约100-200℃，然后返回再生器。这种取热方式可以采用调节引出的催化剂的流率的方法改变冷却负荷，其操作弹性可在0-100%之间变动，这就使再生温度成为一个独立调节变动，从而可以适合不同条件下的反应—再生系统热平衡的需要。 目前上业应用的外取热器主要有两种类型，即下行式外取热器和上行式外取热器，它们的结构分别见图2和图3。下行式外取热器的操作方式是从再生器来的催化剂自上而下通过取热器，流化空气以0.3-0.5m/s的表观流速自下而上穿过取热器使催化剂保持流化状态。在取热器内也形成了密相床层和稀相区，夹带了少量催化剂的气体从卜部的排气管返回再生器的稀相区。取热器内装有管束，通入软化水以产生水蒸气，从而带走热量。催化剂循环量由出口管线上的滑阀调节，取热器内密相床层料面高度则由热催化剂进口管线上的滑阀调节。
上行式外取热器的操作方式是热催化剂进入取热器的底部，输送空气以1.0-1.5m/s的表观流速携带催化剂自下而上经过取热器，然后经顶部出门管线返回再生器的密相床层的中上部。在取热器内的气固流动属于快速床范畴，其催化剂密度一般为100-200kg/m。催化剂的循环量由热催化剂入口管线上的滑阀调节。

D. 催化裂化装置吸收稳定系统的原理是什么

催化裂化生产过程的主要产品是气体、汽油和柴油,其中气体产品包括干气和液化石油气,干气作为本装置燃料气烧掉,液化石油气是宝贵的石油化工原料和民用燃料。

所谓吸收稳定,目的在于将来自分馏部分的催化富气中C2以下组分与C3以上组分分离以便分别利用,同时将混入汽油中的少量气体烃分出,以降低汽油的蒸气压,保证符合商品规格。

吸收-稳定系统包括吸收塔、解吸塔、再吸收塔、稳定塔以及相应的冷换设备。

由分馏系统油气分离器出来的富气经气体压缩机升压后,冷却并分出凝缩油,压缩富气进入吸收塔底部,粗汽油和稳定汽油作为吸收剂由塔顶进入,吸收了C3、C4(及部分C2)的富吸收油由塔底抽出送至解吸塔顶部。

吸收塔设有一个中段回流以维持塔内较低的温度,吸收塔顶出来的贫气中尚夹带少量汽油,经再吸收塔用轻柴油回收其中的汽油组分后成为干气送燃料气管网。吸收了汽油的轻柴油由再吸收塔底抽出返回分馏塔。

解吸塔的作用是通过加热将富吸收油中C2组分解吸出来,由塔顶引出进入中间平衡罐,塔底为脱乙烷汽油被送至稳定塔。稳定塔的目的是将汽油中C4以下的轻烃脱除,在塔顶得到液化石油气〈简称液化气〉,塔底得到合格的汽油——稳定汽油。

吸收解吸系统有两种流程,上面介绍的是吸收塔和解吸塔分开的所谓双塔流程;还有一种单塔流程,即一个塔同时完成吸收和解吸的任务。双塔流程优于单塔流程,它能同时满足高吸收率和高解吸率的要求。

E. 催化裂化提升管反应器的提升管反应器

提升管上端出口处设有气—固快速分离构件，其目的是使催化剂与油气快速分离以抑制反应的继续进行。快速分离构件有多种形式，比较简单的有半圆帽形、T字形的构件，为了提高分离效率，近年来较多地采用初级旋风分离器。实际上油气在沉降器及油气转移管线中仍有一段停留时间，从提升管出日到分馏塔约为10-20s。，而且温度也较高一般为450-510℃。在此条件下还会有相当程度的二次反应发生，而且主要是热裂化反应，造成于气和焦炭产率增大。对重油催化裂化，此现象更为严重，有时甚至在沉降器、油气管线及分馏塔底的器壁上结成焦块。因此，缩短油气在高温下的停留时间是很有必要的。适当减小沉降器的稀相空间体积、缩短初级旋风分离器的升气管出口与沉降器顶的旋风分离器入口之间的距离是减少二次反应的有效措施之一。据报道，采取此措施可以使油气在沉降器内的停留时间缩短至3s，热裂化反应明显减少。
提升管下部进料段的油剂接触状况对重油催化裂化的反应有重要影响。对重油进料，要求迅速汽化、有尽可能高的汽化率，而且一与催化剂的接触均匀。原料油雾化粒径小可增人传热面积，而.只由于原料油分散程度高，油雾与催化剂的接触机会较均等，从而提高了汽化速率。实验及计算结果表明，雾滴初始粒径越小则进料段内的汽化速率越高，两者之间呈指数关系。实验结果还表明，对重油催化裂化，提高进料段的汽化率能改善产品产率分布。因此，选用喷雾粒径小，而且粒径分布范围较窄的高效雾化喷嘴对重油催化裂化是很重要的。模拟计算结果表明，当雾滴平均粒径从60μm减小至50μm时，对重油催化裂化的反应结果仍有明.显的效果。除了液雾的粒径分布外，影响油雾与催化剂的接触状况的因素还有喷嘴的个数及位置、喷出液雾的形状、从预提升管上升的催化剂的流动状况等。在重油催化裂化时，对这些因素都应予以认真的研究。 中国石油大学成功开发的催化裂化汽油辅助反应器改质技术，以常规催化裂化催化剂和常规催化裂化工艺为基础，依托原有催化裂化装置，增设了一个单独的提升管与湍动床层相组合的辅助反应器，利用这一单独的改质反应器对催化裂化汽油进行进一步改质，促进了需要的氢转移和异构化反应并抑制了不需要的裂化反应，实现了催化裂化汽油的良性定向催化转化，从而达到了降低烯烃含量、维待辛烷值基本不变以生产清洁汽油的目的。其工艺流程如图5所示。工业化应用结果表明，可使催化裂化汽油烯烃含量降到20%（体积分数）以下，且维持辛烷值不变，使催化裂化装置直接生产出烯烃含量合格的高品质清洁汽油。改质过程损失小，只占整个重油催化裂化装置物料平衡的0.8%（质量分数），且操作与调变灵活，通过调整改质反应器操作，可提高丙烯产率3%左右。
除此之外，有研究报道，采用渣油单独进料并选好其注人的位置会有利于改善反应状况。对下行式钾式反应器也有不少研究。从原理上分析，卜行式反应器可能有以下一些优点：油气与催化剂一起从上而下流动，没有固体颗粒的滑落间题，流型可接近平推流而很少返混；有可能与管式再生器结合而节约投资等。这种反应器型式可能对要求高温、短接触时间的反应更为适合。关于下行式反应器的研究已有一些专利，但尚未见有工业化的报道。

F. 如何在催化裂化反应器中实现催化剂的循环

在催化裂化反应器中实现催化剂的循环：一般催化裂化装置的加工过程分为反再部分、分馏部分、吸收稳定部分。

催化裂化的反应器是流化床，在再生器温度达到650℃以上时，保持低主风量、低再生压力，迅速向再生器加催化剂，并保证床温不低于350℃，若床温下降过快减慢加剂速度，等催化剂盖过燃烧油喷嘴，可以喷燃烧油升温。

类型

移动床催化裂化用的是小球硅酸铝催化剂。流化床催化裂化用的是微球硅酸铝催化剂。现代提升管催化裂化用的是微球分子筛催化裂化催化剂。控制短的接触时间可以减少缩合反应，减少焦炭的生成。所用原料为减压馏分油、焦化蜡油、脱沥青油等馏分油者，称馏分油催化裂化；所用原料为常压渣油、减压渣油或馏分油中掺入渣油，都称渣油催化裂化。

G. 催化裂化过程详解

一般催化裂化装置的加工过程分为反再部分、分馏部分、吸收稳定部分，下面分别介绍
.1反应-再生系统

原料油经过加热汽化后进入提升管反应器进行裂化。提升管中催化剂处于稀相流化输送状态，反应产物和催化剂进入沉降器，并经汽提段用过热水蒸气汽提，再经旋风分离器分离后，反应产物从反应系统进入分馏系统，催化剂沉降到再生器。在再生器中用空气使催化剂流化，并且烧去催化剂表面的焦炭。烟气经旋风分离器和催化剂分离后离开装置，使催化剂在装置中循环使用。
反应系统主要由反应器和再生器组成。原料油在装有催化剂的反应器中裂化，催化剂表面有焦炭沉积。沉积的焦炭的催化剂在再生器中烧焦进行再生，再生后的催化剂返回反应器重新使用。反应器主要为提升管，再生器为流化床。
再生器的主要作用是：烧去催化剂上因反应而生成的积炭，使催化剂的活性得以恢复。再生用空气由主风机供给，空气通过再生器下面的辅助燃烧室及分布管进入。
在反应系统中加入水蒸汽其作用为：
（1）雾化——从提升管底部进入使油气雾化，分散，与催化剂充分接触；
（2）预提升——在提升管中输送油气；
（3）汽提——从沉降器底部汽提段进入，使催化剂颗粒间和颗粒内的油气汽提，减少油气损失和焦炭生成量，从而减少再生器负荷。汽提水蒸气占总水蒸气量的大部分。
（4）吹扫、松动——反应器、再生器某些部位加入少量水蒸气防止催化剂堆积、堵塞。

2分馏系统

由反应器来的反应产物油气从底部进入分馏塔，经塔底部的脱过热段后在分馏段分割成几个中间产品：塔顶为富气，汽油，侧线有轻柴油，重柴油和回炼油，塔底产品为油浆。轻、重柴油分别经汽提后，再经换热，冷却后出装置。
分馏系统主要设备是分馏塔，裂化产物在分馏塔中分馏成各种馏分的油品。塔顶汽在粗汽油分离罐中分成粗汽油和富气。

3吸收—稳定系统

该系统主要由吸收塔，再吸收塔，解吸塔及稳定塔组成。从分馏塔顶油气分离器出来的富气中带有汽油部分，而粗汽油中则溶解有C3，C4 组分。
吸收—稳定系统的作用就是利用吸收和精馏方法，将富气和粗汽油分离成干气（C2），液化气（C3 、C4）和蒸汽压合格的稳定汽油。

H. 催化裂化装置主要设备有哪些

提升管反应器、旋风分离器（沉降器）、催化剂再生器、分馏塔。