催化裂化工藝化學(xué)工程論文
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1引言
催化裂化具體的工藝過程是為實(shí)現(xiàn)特定的操作條件服務(wù)的。在一定程度上也限定了操作條件的調(diào)整范圍。但就反再系統(tǒng)來說，操作條件就包括諸多方面，如溫度、劑油比、停留時(shí)間、催化劑的預(yù)提升與預(yù)提升介質(zhì)、油氣與催化劑的接觸、兩者的混合與流動(dòng)、兩者的分離、反應(yīng)的終止、催化劑中油氣的汽提、催化劑的性能以及催化劑的再生條件等。盡管操作參數(shù)眾多，但平時(shí)可調(diào)整的卻屈指可數(shù)，有些參數(shù)，反再系統(tǒng)工藝路線已經(jīng)確定，也就基本確定下來，不能再調(diào)整或無法調(diào)整了。
2操作條件的影響
催化裂化在接近常壓的低壓下操作，在這個(gè)壓力范圍內(nèi)壓力對(duì)熱力學(xué)的影響微乎其微。較低的烴分壓有利于裂化，不利于生焦，因而是有利的。最小總壓取決于后續(xù)分離系統(tǒng)，目前在300l(Pa以下。烴分壓可以通過噴入水蒸汽的方法來降低(一般噴入水蒸汽的量占進(jìn)料的1～5％)，也可以將一部分輕烴氣體打循環(huán)，但循環(huán)量需要根據(jù)具體的經(jīng)濟(jì)性來確定。
3焦炭燃燒動(dòng)力學(xué)
催化裂化焦炭的收率一般在4～8％之間。在再生器的典型溫度條件下，富氫化合物要么揮發(fā)，要么裂化成可揮發(fā)性組分和焦炭。催化劑再生所需要的時(shí)間主要由焦炭的較慢的燃燒速率決定。焦炭燃燒的活化能約為147kJ/mol。催化劑焦炭含量為1％、燃燒后煙氣中的氧含量為1％催化劑焦炭含量為1％、燃燒后煙氣中的氧含量為1％，燒焦時(shí)間與溫度之閫的函數(shù)關(guān)系如圖1所示。該函數(shù)關(guān)系非常重要，因?yàn)樗_定了催化剡的總量與再生器的大小。減小再生器的大小與催化劑的總量很重要，原因有兩個(gè)：FCC再生器在整個(gè)裝置的造價(jià)中占有很大的比重，減小其大小有利于降低裝置的投資；減少催化劑總量，不僅有利于減少操作費(fèi)用，而且還有利于根據(jù)原料與產(chǎn)品的變化迅速改變催化劑。FCC裝置是一個(gè)“熱平衡體系”，熱催化劑為裂化反應(yīng)提供了部分熱量。FCC裝置的熱平衡與催化劑的活性、原料性質(zhì)、原料的預(yù)熱和反應(yīng)溫度有關(guān)。此外，熱平衡還與再生煙氣CO2／CO的理想比例有關(guān)。焦炭燃燒的一次產(chǎn)物有CO、CO2和H2O，CO與CO2之比是溫度的函數(shù)。CO與O2反應(yīng)生成CO2是自由基反應(yīng)，在有固體存在的條件下反應(yīng)速率會(huì)減慢。如果煙氣中含有過量的空氣，則只要一沒有固體就會(huì)燃燒。到目前為止一直是這樣。為了促進(jìn)CO的燃燒，現(xiàn)在都加含有Pt等貴金屬的助燃劑。使CO轉(zhuǎn)化成CO2也可以通過提高反應(yīng)溫度來實(shí)現(xiàn)。CO均相燃燒生成C02的活化能較高，約為293kJ／mol，在空氣充足的情況下，在7000C以上CO可以完全轉(zhuǎn)化。從熱平衡的角度，達(dá)到7000C以上的再生溫度毫無問題，但是再生器的材質(zhì)和催化劑限定了最大再生溫度。催化劑在高溫條件下容易燒結(jié)，也易于水熱失活。當(dāng)然，如今的催化劑可以保證在高達(dá)850℃的高溫條件下不會(huì)造成燒結(jié)破壞，但水蒸汽的老化作用要求溫度要比該溫度低得多。設(shè)計(jì)者在迸行反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，在降低再生溫度以減小水熱失活與提高再生溫度以減小再生器大小之間權(quán)衡。另外一個(gè)減小催化劑水熱失活的方法是采用兩段再生：在第一段，在較低的再生溫度條件下，進(jìn)行富氫焦炭的再生；二段在較高的溫度下操作。燃燒所需的停留時(shí)間是根據(jù)等溫反應(yīng)計(jì)算得到的，而FCC再生器并不總是等溫的，尤其是催化劑顆粒溫度不均勻。再生過程中質(zhì)量傳遞的影響要降低到最小，以便催化劑顆粒內(nèi)部溫度不超過氣相溫度。燃燒過程中的擴(kuò)散控制是反應(yīng)速率快造成的。擴(kuò)散速率是催化劑顆粒直徑的平方的函數(shù)，而反應(yīng)速率則是溫度的函數(shù)。顆粒直徑需要在200岫1以下，再生器才能在6500c以上操作而避免顆粒內(nèi)部產(chǎn)生高的溫度梯度。固定床反應(yīng)器的最小顆粒為1mm，移動(dòng)床反應(yīng)器的約為3mm，只有流化床反應(yīng)器的催化劑顆粒直徑小于200μm。對(duì)于焦炭收率很低的情況，可以考慮采取稀釋空氣、由此降低絕熱溫升的方法保護(hù)催化劑。這種方法理論上可行，實(shí)際操作過程中空氣量太大，有一定的問題。
4結(jié)語
本文介紹反應(yīng)的壓力、溫度、停留時(shí)間和催化劑的再生等的影響，對(duì)于進(jìn)一步了解催化裂化工藝相關(guān)設(shè)計(jì)問題具有一定幫助。