第四章--延迟焦化装置

西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论1第四章延迟焦化装置DelayedCokingUnit西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论2第一节概述焦炭化(简称焦化)是深度热裂化过程，也是处理渣油的手段之一。它又是唯一能生产石油焦的工艺过程，是任何其他过程所无法代替的。尤其是某些行业对优质石油焦的特殊需求，致使焦化过程在炼油工业中一直占据着重要地位。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论3焦化是以贫氢重质残油(如减压渣油、裂化渣油以及沥青等)为原料，在高温(400~500℃)下进行深度热裂化反应。通过裂解反应，使渣油的一部分转化为气体烃和轻质油品；由于缩合反应，使渣油的另一部分转化为焦炭。一方面由于原料重，含相当数量的芳烃，另一方面焦化的反应条件更加苛刻，因此缩合反应占很大比重，生成焦炭多。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论4炼油工业中曾经用过的焦化方法主要是釜式焦化、平炉焦化、接触焦化、延迟焦化、流化焦化和灵活焦化等。延迟焦化应用最广泛，是炼油厂提高轻质油收率和生产石油焦的主要手段，在我国炼油工业中将继续发挥重要作用。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论5延迟焦化是一个成熟的减压渣油加工工艺，多年来一直作为一种重油深加工手段。近年来随着原油性质变差(指含硫量增加)、重质燃料油消费的减少和轻质油品需求的增加，焦化能力增加的趋势很快。延迟焦化装置目前已能处理包括直馏(减粘、加氢裂化)渣油、裂解焦油和循环油、焦油砂、沥青、脱沥青焦油、澄清油、以及煤的衍生物、催化裂化油浆、炼厂污油(泥)等60余种原料。处理原料油的康氏残炭为3．8％~45％或以上，比重指数为2.20。正由于焦化装置能处理炼厂各种残渣物料被称之为炼厂的“垃圾桶”，同时也是目前炼厂实现渣油零排放的重要装置。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论6延迟焦化装置的作用：将重质油馏分经裂解，聚合，生成油气、轻质油，中间馏分油和焦炭。工作原理：由于重质油在管式炉中加热，采用高的流速(在炉管中注水)及高的热强度(炉出口温度500℃)，使油品在加热炉中短时间内达到焦化反应所需的温度，然后迅速进入焦炭塔，使焦化反应不在加热炉中而延迟到焦炭塔中去进行，因此，称之为延迟焦化。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论7延迟焦化约生产70%的液体产品，其中：汽油10%~20%；柴油25%~35%；裂化原料（蜡油）25%~35%；石油气6%~8%；焦炭（也称石油焦）15%~20%。焦化所得的气体烃和液体油品中含较多的烯烃，安定性较差，故往往作为其他装置的原料或经加氢精制等处理后成为产品。思考：焦炭是否是由碳元素形成的单质？西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论8第二节工艺流程西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论9一、焦化反应化学原理焦化原料油所含烃类的分子很大，并有相当数量的芳烃。1.裂解反应：在高温(400~550℃)条件下，大分子烃类裂解生成小分子烃类，使渣油转化为气体烃和轻质油品；2.缩合反应：烃类又发生缩合反应，使渣油转化成焦炭。缩合反应：是指小分子烃类相互作用生成较大分子的化合物，同时还生成其它小分子的化合物。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论10各种烃类在焦化过程中的反应是不相同的。烷烃在400~600℃下易裂解为小分子的烷烃与烯烃。环烷烃可裂解成烯烃或脱氢转化为芳烃。裂解反应示例如下：1.断链2.裂环西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论113.脱氢缩合反应示例如下：芳香烃不易裂解，而易发生缩合反应，成为大分子的多环或稠环烃，并可与烯烃缩合生成石油焦。石油焦的组成和普通焦炭相似，所以也叫焦炭。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论12二、工艺流程延迟焦化装置的生产工艺分为焦化和除焦两部分，焦化为连续操作，除焦为间隙操作。由于工业装置一般设有两个或四个焦炭塔，所以整个生产过程仍为连续操作。延迟焦化装置的工艺流程有不同的类型，就生产规模而言，有一炉两塔（焦炭塔）流程、两炉四塔流程等。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论13340~350℃500℃左右西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论141.原油预热阶段：焦化原料(减压渣油)先进入原料缓冲罐，再用泵送入加热炉对流段升温至340~350℃左右。2.经预热后的原油进入分馏塔底，与焦炭塔产出的油气在分馏塔内（塔底温度不超过400℃）换热。作用：一方面把原料中的轻质油蒸出来，同时又加热了原料（至390~395℃左右）。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论153.原料油和循环油一起从分馏塔底抽出，用热油泵打进加热炉辐射段，加热到焦化反应所需的温度（500℃左右），再通过四通阀由下部进入焦炭塔，进行焦化反应。为防止油在炉管内反应结焦，需向炉管内注水，以加大管内流速（一般为2m/s以上），缩短油在管内的停留时间，注水量约为原料油的2%左右。进入焦炭塔的高压渣油，需在塔内停留足够时间，以便进行充分反应。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论164.原料在焦炭塔内反应生成焦炭聚积在焦炭塔内，油气从焦炭塔顶出来进入分馏塔，与原料油换热后，经过分馏得到气体、汽油、柴油和蜡油。塔底循环油和原料一起再进行焦化反应。焦化生成的焦炭留在焦炭塔内，通过水力除焦从塔内排出。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论17焦炭塔是两台一组。每套延迟焦化装置中有的是一组(两台)，有的是两组(四台)焦炭塔。两组塔既可单独操作，又可并联操作，在每组塔中，一台塔在反应生焦时，另一台则处于除焦阶段。即当一台塔内焦炭积聚到一定高度时（一般为塔高的2/3左右高度时）进行切换，切换后通入蒸气除去轻质烃类并注水冷却，然后除焦。每台塔的切换周期一般为48小时，其中结焦24小时，除焦及其它辅助操作24小时。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论18延迟焦化装置所产气体、汽油，分别用气体压缩机和泵送入吸收稳定部分进行分离得到干气及液化气，并使汽油的蒸汽压合格；柴油需要加氢精制；蜡油可作为催化裂化原料或燃料油。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论19延迟焦化装置的主要矛盾在于：使用的原料为重质油，容易结焦，但希望它在焦炭塔中结焦，而不希望它在加热炉、转油线、焦炭塔馏出线和分馏塔底等处结焦。这个矛盾解决了，就可以操作平稳，延长开工周期。为了解决这个矛盾，在流程设计上就要考虑采取措施。如：在原料油进加热炉辐射管之前，注入蒸汽或软化水，以加大原料油在炉管中的流速；在分馏塔底设循环油泵，并在泵入口加过滤器，滤掉焦炭塔油气带来的粉焦。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论20主分馏塔Mainfractionator进料Freshfeed粗汽油rawgasoline气体gas柴油dieseloil蜡油waxoil焦炭塔coketower焦碳coke流程框图西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论21焦炭塔是用厚锅炉钢板制成的空筒，是进行焦化反应的场所。一般焦炭塔的高度在30米以下为宜。太高则操作时易产生振动或损坏塔壁，又浪费钢材。三、延迟焦化过程的主要设备（一）焦炭塔西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论22塔的顶部设有除焦口、油气出口；塔侧设有料面指示计口：延迟焦化的化学反应主要是在焦炭塔内进行，生成的焦炭也都积存在此塔内。随着油料的不断引入，焦层逐渐升高；为了防止泡沫层冲出塔顶而引起油气管线及分馏塔的结焦，在焦炭塔的不同高度位置，装有能监测焦炭高度的料位计。塔底部为锥形，锥体底端为排焦口，正常生产时用法兰盖封死，排焦时打开。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论23在运转中，分馏塔有时也会出现结焦现象，为此需控制塔底温度不超过400℃，并采用塔底油循环过滤的方法滤去焦粉和加强液体的流动来加以防止。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论24（二）水力除焦设备焦炭塔是轮换使用的，即当一个塔内焦炭聚结到一定高度时，通过四通阀将原料切换到另一个焦炭塔．聚结焦炭的焦炭塔先用蒸汽冷却，然后进行水力除焦。目前的除焦设备都已采用高压水力除焦法。除焦用水力除焦法，即采用11．8MPa高压水除焦。余下的焦炭落入焦池，同时用桥式起重抓斗送到别处存放或装车外运。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论25除焦原理：由高压水泵输送的高压水，经过水龙带、钻杆到水力切焦器的喷嘴，从水力切焦器喷嘴喷出的高压水形成高压射流，借高压射流的强大冲击力将石油焦切割下来，使之与水一起由塔底流出。钻杆不断地升降和转动，直到把焦炭塔内石油焦全部除净为止。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论26水力除焦装置有两种形式：有井架除焦装置和无井架除焦装置。清洁水从进水管进入高位贮水罐，由高压水泵输送的高压水经泵出口管到焦炭塔的顶部，用水龙带送到水龙头，进入空心的钻杆和切焦器。高压水经切焦器上的喷嘴喷到焦炭塔里，约11.8MPa的高压水将塔中焦炭切割破碎，水和切割下来的焦炭一同落到焦炭塔底，经28°溜槽进入贮焦场。焦场的水经过几道栅栏流入吸水井，而落入焦场的石油焦用桥氏吊车抓走分开堆放。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论27西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论28（三）无焰燃烧炉焦化加热炉是本装置的核心设备，其作用是将炉内迅速流动的渣油加热至500℃左右的高温。因此，要求炉内有较高的传热速率以保证在短时间内给油提供足够的热量，同时要求提供均匀的热场，防止局部过热引起炉管结焦。为此，延迟焦化通常采用无焰炉。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论29延迟焦化过程的产品包括气体、汽油、柴油、蜡油和石油焦。焦化产品的主要性质如下：气体焦化气体中含有20~35%的不饱和烃和30％左右的甲烷，是化工和制氢的很好原料，也可作为燃料。汽油焦化汽油含有较多的烯轻组分，性能很不安定，辛烷值也很低，质量较差，不能直接作为商品汽油出厂，必须经酸碱洗涤再蒸馏，或经过加氢精制，才能作为出厂商品汽油的调合组分。柴油焦化柴油也因其安定性能不好，亦需再次加工才能使用。可和蜡油混炼作为催化裂化原料，也可作催化加氢的原料，进一步生产其它优质燃料油。四、延迟焦化过程的产品西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论30蜡油焦化蜡油可供其它二次加工装置做原料，很少直接出厂。亦可和其它渣油调合作为锅炉燃料。石油焦石油焦是焦化装置的独有产品，其数量和质量是延迟焦化装置的主要控制指标。石油焦的用途不同，对石油焦产品质量的要求也不同。一级焦用做冶炼钢和铝的工业电极焦，它的质量要求最为严格；二级焦用做一般电极和绝缘材料，一些主要指标同于一级焦标准，但是不如一级焦那么严格；三级焦作为冶金工业的燃料，它的质量要求不高，在一般的延迟焦化工艺条件下都能生产；等外焦则多用于煅烧和民用燃料，无过高质量要求，只控制挥发分不大于16％(挥发分与原料的含盐量有关)。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论31石油焦的质量标准西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论32第二节焦炭塔的塔体变形、开裂及可能产生的腐蚀一、焦炭塔塔体变形焦炭塔塔体由于长期处于冷、热交变的操作下，受热应力影响，易发生塔体鼓胀变形，经对国内八家炼厂的焦炭塔进行调查(88年秋)有5家有明显变形，变形部位多在塔体下部，塔壁径向鼓凸，呈糖葫芦状。塔壁的鼓凸变形过程如下图。西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论33焦炭塔塔壁变形示意图西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论34胜利炼油厂3号焦炭塔塔壁变形的检查结果西南石油大学2020/2/1石油化工过程系统概论35塔体变形的规律一般规律是环缝处直径小，而环缝之间直径大，中下部变化大，顶部较小；中下部东西直径大，南北直径小，成为椭圆形状(1)塔体下封头筒体环焊缝以上第二至第四