焦炭塔本体的设计

焦炭塔本体的设计

1. 概述

延迟焦化是以渣油或类似渣油的污油、原油为原料，通过加热炉快速加热到一定的温度后进入焦炭塔，在塔内适宜的温度、压力条件下发生裂解、缩合反应，生成气体、汽油、柴油、蜡油、循环油组分和焦炭的工艺过程。在目前国内乙烯裂解原料石脑油短缺、优质柴油短缺、低硫低烯烃汽油短缺和石油焦短缺的条件下，延迟焦化工艺由于其工艺简单、投资低、操作费用低等特点又重新得到各石油化工公司的重视。一般情况下新建和扩建延迟焦化装置的主要目的是处理炼油厂过剩而无出路的减压渣油；减少重油催化裂化的掺炼比例，提高催化汽油、柴油的质量；提高作为优质乙烯裂解原料-焦化石脑油的产量；增产高十六烷值柴油，提高炼油厂的柴汽比；增加中间焦化蜡油，为催化裂化及加氢裂化提供原料；利用焦化干气或石油焦作为制氢装置的原料。目前国内延迟焦化装置近40套，新设计和正在建设的约10套，自第一套延迟焦化装置在抚顺石化公司石油二厂建设以来，无论是延迟焦化工艺技术水平，还是设备技术水平均有了较大的提高，主要体现在装置运行更加安全可靠、开工周期延长、一次性投资降低、能耗降低、操作费用降低、自动化水平提高、操作灵活性提高、产品质量提高、环境污染减少。延迟焦化装置的主要设备有焦化加热炉、焦炭塔、焦化分馏塔、吹汽放空塔、加热炉进料泵、水力除焦机械等，其中焦化加热炉被认为是焦化装置的关键设备，而焦炭塔则是焦化装置的核心设备。因为焦炭塔是焦化装置的反应器，加热炉、分馏塔、放空系统、冷切焦水处理系统、水力除焦系统等均与之有关。虽然焦炭塔是一个空筒设备，但它的设计涉及到几乎全装置的工艺过程，因此在焦炭塔的设计过程中不但应充分考虑焦炭塔本体的设计，还应充分考虑与之相关系统的设计。

2. 焦炭塔本体的设计

焦炭塔本体的设计主要包括焦炭塔直径的确定、塔高的确定、塔体材料的选择及焦炭塔的结构形式。

2.1 焦炭塔的直径和高度

焦炭塔的直径和高度主要取决于装置的处理量、原料性质、操作温度、操作压力和循环比。装置的处理量是决定焦炭塔大小的主要参数，目前国内单塔处理

量和焦炭塔规格的对应如下：

焦炭塔的单塔处理量越大，要求的焦炭塔直径越大，这主要是由焦炭塔塔内的允许气速决定的。焦化原料渣油在加热炉中被快速加热到500℃左右进入焦炭塔，为防止加热炉管结焦，炉出口的反应转化率一般不大于10％（气体和汽油的转化率），大部分的反应延迟到焦炭塔内进行，原料进入焦炭塔，在塔内适宜的压力、温度和停留时间的条件下发生裂解和缩合反应，裂解为吸热反应，缩合为放热反应，裂解的热量除了来自原料渣油本身外还有一部分由缩合反应提供，缩合反应生成的焦炭停留在塔内，并由塔壁向中心扩展，中心形成进料通道，在焦炭层以上为主要反应区，即泡沫层。泡沫层分油相泡沫和气相泡沫，气相泡沫在上部，其密度约为30～100kg/m3，油相泡沫在焦层以上，其密度约为100～700 kg/m3，焦化反应温度即为泡沫层温度，一般为460～480℃，并且生焦率越高，该反应温度越高。焦炭层也存在焦化反应,裂化生成的气体自焦炭层益处,焦炭层的空隙率约为:30%~50%。使热态的焦炭层高度高于冷态的焦炭高度。

随着原料的不断进入，产生的焦炭量增加，焦炭层高度增加，泡沫层也随之连续升高。塔内反应示意图如下：

内油气的允许气速可用下式计算：

V V

L c -

048

.0

*

u

ρρ

ρ

k

=

其中U

c

为塔内允许气相线速，m/s ;

ρ

L

为轻相泡沫层密度，kg/m3 ;

ρ

LV

为气相泡沫层密度，kg/m3。

K 为物性校正系数

据资料报导，国外在焦炭塔内不注入消泡剂时，允许气速一般为0.11～0.17m/s。在使用消泡剂时，正常的设计油气速度应低于0.12～0.21m/s。根据允许的油气速度和焦炭塔内的油气流量即可确定焦炭塔的直径，为减少泡沫夹带，新设计焦炭塔建议采用低的油气速度，国内设计焦炭塔内的油气速度一般低于0.10～0.15m/s。

焦炭塔内的油气体积流量除和渣油进料量有关外，与原料性质、操作条件也有密切的关系。在确定焦炭塔的直径以前应首先确定焦炭塔的操作条件和产品分

布。渣油是以碳、氢、硫、氮、氧等为主要元素的大分子烃类，通常分为饱和烃、芳烃、胶质和沥青质，沥青质含量高的渣油生焦率较高，轻油收率较低。产品分布一般最终由试验确定，在没有实验数据时可参考下式估算：

(1) 硫化氢收率, W%: H2S=0.25*Sf

(2) 干气收率, W%: RG =3.5+0.1*CCR

(3) LPG收率, W%: LPG =3.3+0.044*CCR

(4)焦炭收率, W%: COK=1.6*CCR

(5)石脑油收率, W%: Nao=11.38+0.335*CCR

(6)瓦斯油收率, W%: TGO=100-(H2S+RG+LPG+COK+ Nao)

(7)柴油收率/瓦斯油收率,R=0.38+0.011*CCR-0.00031*CCR

(8)柴油收率, W%: LCGO=R*TGO

(9)蜡油收率, W%: HCGO=TGO-LCGO

其中:CCR为渣油的康氏残炭（W%），Sf为渣油的硫含量（W%）。

当原料性质确定后，对生焦率和产品分布影响较大的主要是循环比、反应温度和压力。循环比减少10％，生焦率一般减少1％，同时焦化蜡油收率增加，气体、汽油、柴油收率下降。当需要提高装置的液体收率时一般采用降低循环比（0.15～0.25）或零循环比操作；当需要多产焦化石脑油和柴油时一般采用较大循环比（0.25～0.45）操作；当焦化蜡油无出路或需要最大可能地生产乙烯原料时一般采用大循环比（0.4～1.0）操作。循环比越大，焦炭塔内的油气体积流量越大。提高焦化温度可增产液体产品收率，但基于焦化反应的特点，反应温度（炉出口温度控制）调整的幅度是很窄的，温度过高会导致提前结焦，堵塞炉管、转油线，影响开工周期，同时易生成硬质石油焦，使除焦困难；温度过低导致热量不足反应深度不够，轻油收率降低，焦炭挥发分增大或产生焦油。一般情况下是根据原料性质确定最佳的操作温度，通常焦化炉出口温度为495～505℃，芳烃含量和沥青质含量的比值较大时宜采用较高的炉出口温度。采用低压操作可改善焦化产品分布，在国内外已普遍认可，国内焦炭塔顶操作压力一般为0.15～0.20Mpa，国外最低的达到0.1～0.15Mpa。压力降低一般是提高蜡油的收率，但是增大了焦炭塔的气体体积流量，势必使焦炭塔的塔径加大，装置的投资增加，因此应综合设备投资、操作费用和产品分布等因素确定适宜的操作压力。

另外焦化加热炉的注汽注水量、在线清焦时的加热炉吹汽量、四通阀及切断阀的汽封蒸汽量对焦炭塔的直径确定也有一定的影响，一般加热炉的注汽注水量按炉新鲜进料的1.0～1.5％考虑，在线清焦时应考虑减少渣油进料，增加蒸汽量，蒸汽量可按2～8t/h考虑。焦炭塔底阀门的汽封量在采用连续注入时应考虑0.5～