在常減壓裝置增加氧化流程生產(chǎn)道路瀝青的研究

1、李曉明(中海油青島重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司，山東 青島 266555)摘要：pl -193原油屬于重質(zhì)原油，其中的瀝青組分占原油的比重很大，普通的常減壓蒸餾裝置經(jīng)過生產(chǎn)，從減壓塔底只能生產(chǎn)出燃料油。早期的氧化設(shè)備是單獨(dú)釜，現(xiàn)已發(fā)展為單塔或多塔串聯(lián)的連續(xù)氧化瀝青工藝。原料油經(jīng)加熱爐加熱到260280 C進(jìn)入氧化塔，塔內(nèi)鼓入壓縮空氣進(jìn)行劇烈攪拌，進(jìn)行氧化。所生產(chǎn)的氧化瀝青進(jìn)入成品罐，然后送往成型、包裝，得到的產(chǎn)品主要是建筑瀝青。生產(chǎn)道路瀝青一般采用淺度氧化工藝，單塔連續(xù)操作，渣油進(jìn)塔溫度為190 -210 C。隨原料不同，生產(chǎn)的瀝青標(biāo)號(hào)不同，操作條件也不盡相同。增加氧化流程后，生產(chǎn)出的渣

2、油針入度在70 -90之間，可以生產(chǎn)標(biāo)號(hào)70#和90#的道路瀝青。不僅給煉廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，而且減少環(huán)境污染。本文主要進(jìn)行了瀝青氧化塔的計(jì)算，通過計(jì)算液相部分的直徑和高度、氣相部分直徑 Dv和氣相部分高度、空氣耗氧量、原料入塔溫度、氣相部分注水量、塔內(nèi)空氣分配管等得到最合理化的設(shè)備提高效益。關(guān)鍵詞：重質(zhì)原油；瀝青；包裝；氧化中圖分類號(hào)：TQ522 .65文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):1008 -021X(2014)03 -0105 031 刖言從原料生成瀝青，要經(jīng)過一系列的氧化、聚合、縮合和脫氫反應(yīng)的過程，放出水和少量 二氧化碳，并放出大量的熱。在反應(yīng)過程中，和瀝青反應(yīng)的氧的主要部分出現(xiàn)在尾氣中，其余

3、的氧則化合后進(jìn)入吹制產(chǎn)品中。其反應(yīng)可用下式表示：CxHy+ O2T CxHy H2O + H2O +熱量 上述的反應(yīng)過程，大致經(jīng)過三個(gè)階段 ：氧化誘導(dǎo)階段、加 速反應(yīng)階段和反應(yīng)遲滯階段.原料和空氣中的氧接觸時(shí)；需要經(jīng)過一段時(shí)間才有顯著的反應(yīng)發(fā)生。這個(gè)階段即為氧化誘導(dǎo)階段，或稱氧化引發(fā)階段。其主要特征是反應(yīng)物軟化點(diǎn)無(wú)多大變化，氧消耗量低。如果在反應(yīng)物中加入一些過氧化物，可使氧化反應(yīng)的誘導(dǎo)期縮短，提前進(jìn)入加速度應(yīng)階段，使總的氧化時(shí)間縮短。在瀝青原料中加入適量的三氯化鐵(FeCl3 6H2O)高錳酸鉀、硫磺粉、松香等，都可使氯化誘導(dǎo)階段時(shí)間縮短。其中以三氯化鐵的效果最顯著，加入量為1%時(shí)，可提高氧化

4、速度4.5倍。加速反應(yīng)階段是由原料生成瀝青的主要過程。在這個(gè)階段內(nèi)，激烈地進(jìn)行著氧化、聚合、縮合和脫氫反應(yīng)，并放出 大量反應(yīng)熱。其主要的特征是反應(yīng)物軟化點(diǎn)迅速上升，氧消耗量顯著增加。當(dāng)加速反應(yīng)階段結(jié)束后，便自動(dòng)進(jìn)入遲滯階段。在這個(gè)階段，反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行 ，其主要特征是氧的消耗量 大大減少，瀝青軟化點(diǎn)上升很慢。2氧化瀝青裝置的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)依據(jù)及裝置組成2.1.1設(shè)計(jì)依據(jù)(1) 原料性質(zhì)：軟化點(diǎn)，針入度，延度，比重，500 C餾分的含量，100 C時(shí)的黏度，蠟含量，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量等。(2) 所要求的產(chǎn)品標(biāo)號(hào)、規(guī)格及數(shù)量。(3) 主要操作條件：氧化時(shí)間、氧化溫度、空氣耗量(或根據(jù)原料性質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)選取)

5、率。(4) 瀝青收率、副產(chǎn)餾出油和尾氣的產(chǎn)量及損失(或根據(jù)原料性質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)選取)(5)按原料性質(zhì)選取年開工天數(shù)。2 .2 .2瀝青氧化塔設(shè)計(jì)目前各廠使用的瀝青設(shè)備，按結(jié)構(gòu)形式可分為氧化釜和氧化塔兩類。在進(jìn)行氧化塔的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為了提高氧化塔的利用率，塔內(nèi)裝料高度可根據(jù)設(shè)備條件的許可，在1015m范圍內(nèi)選擇，并據(jù)此算出所需塔徑。塔內(nèi)氣提空間高度應(yīng)不小于6m。關(guān)于塔上的開口位置，原料入塔管線可在塔的底部和上部開口 ；在上部開口時(shí)，位置應(yīng)高出液面?？諝夤芫€、安全蒸汽管線、注水管線(包括氣相和液相注水管線 置應(yīng)高出液面 3 4m。最好在塔的頂部開口中沿塔壁應(yīng)設(shè)置直梯，在距塔頂 2.53m沿塔壁設(shè)環(huán)形走臺(tái)

6、，供檢修與清焦時(shí)使用鋼筋制作，并留較寬的檔距2 .2 .3 塔內(nèi)空氣分配管的設(shè)計(jì)目前使用的空氣分配管有兩種形式一種為噴嘴式結(jié)構(gòu)、中部)的開口位。在瀝青氧化塔處設(shè)置支撐橫梁或環(huán)形走臺(tái)踏板宜用;一種為篦式結(jié)構(gòu)(1)篦式結(jié)構(gòu)：屬于早期設(shè)計(jì)的一種其結(jié)構(gòu)是在總管兩側(cè)對(duì)稱地等距離分布總風(fēng)管一般用 dg150 dg200 mL鋼管制作dg50mL鋼管制作。在支管上朝下開13，采用的比較多。 12根支管，成篦狀。 ，直管一般用 dg40 排風(fēng)孔，開孔交錯(cuò)排列，孔徑10 15mL孔距由總風(fēng)管向外逐漸縮短，其目的是使空氣分配均勻。為防止在停止工作時(shí)總風(fēng)管內(nèi)存積瀝青，在總風(fēng)管的底面要開若干個(gè)出風(fēng)出油孔篦式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

7、是容易結(jié)焦，堵塞出風(fēng)孔，使用周期短，法蘭接口 多，檢修裝卸麻 煩，總風(fēng)管太重搬運(yùn)不方便 。由于有這些缺 點(diǎn)，所以各廠都在 進(jìn)行研究改革。(2)噴嘴式結(jié)構(gòu)：由總風(fēng)管和噴嘴組成 ?？傦L(fēng)管用dg80 dg100mL的鋼管制作，分為兩段，中間用法蘭連接 。在每 段上等距離設(shè) 4個(gè)空氣噴嘴，兩段上的噴嘴方向相反 ，噴嘴收稿日期:2014 02 14作者簡(jiǎn)介：李曉明( 1985 ),助理工程師，從事煉油行業(yè)山東化工SHANDONG CHEMICAL INDUST RY-106 2014年第43卷得到合理的液相部分的直徑和高度V =6Fl =HlDl = 式中：Fl-Hl -(1)(2)(3)，可選10D

8、=v式中，m。v(C -E) /100(6)由1516mL的錐形孔制成 ，焊接在總管上 。使用周期長(zhǎng)。 結(jié)焦時(shí)，裝卸方便省力，容易搬運(yùn)。因此這種噴嘴被廣泛采 用。3瀝青氧化塔計(jì)算氧化塔是氧化瀝青裝置的核心設(shè)備，塔內(nèi)構(gòu)件主要包括柵板塔板、空氣分布管和氣相注水噴嘴，這些內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到裝置的處理能力和安全生產(chǎn)?？諝夥植脊芨鲝S情況基本相同。3.1 計(jì)算內(nèi)容用氧化法生產(chǎn)高軟化點(diǎn)的瀝青 (如建筑瀝青)是比較成 熟的工藝，國(guó)內(nèi)已普遍采用 。共經(jīng)歷了間歇式氧化釜，連續(xù)式氧化釜和連續(xù)式氧化塔三階段。通過合理的計(jì)算，得到最合理化的設(shè)備可以提高效益。計(jì)算的內(nèi)容主要分為 6個(gè)方面：(1) 液相部

9、分直徑和高度；(2) 氣相部分直徑和高度；(3) 空氣消耗量；(4) 氣相部分注水量；(5) 原料入塔溫度；(6) 塔內(nèi)空氣分配管的計(jì)算。3.2計(jì)算需要的數(shù)據(jù)只有相關(guān)的數(shù)據(jù)精確性才能計(jì)算出設(shè)備的合理性，氧化塔的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主要有以下幾點(diǎn)：(1) 原料性質(zhì)：包括餾分范圍、重度、閃點(diǎn)、軟化點(diǎn)；(2) 原料進(jìn)塔流量；(3) 氧化時(shí)間，由實(shí)驗(yàn)給出，或選用生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)；(4) 塔內(nèi)氧化反應(yīng)溫度 ，選用生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)；(5) 氧化塔頂溫度，蘭煉三年的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)，塔頂溫度在150 760 C之間，氧化塔未結(jié)焦，操作平穩(wěn)；(6) 每噸原料耗氧量 ，用923減壓渣油生產(chǎn) 10號(hào)建筑 瀝青時(shí)，耗氧量為1.23kmol

10、/t原料；(7) 氧化塔尾氣含氧量；(8) 氧化塔氣相線速。3.3液相部分的直徑和高度瀝青的氧化時(shí)間很重要，通過氧化時(shí)間計(jì)算可以精確的辺。工P3式中：v 2塔內(nèi)液相有效容積，m e氧化時(shí)間，h； G進(jìn)塔原料流率，kg/h； p原料在進(jìn)塔溫度下的重度，kg/ m。Ve0.785液相部分截面積，m 2；液相部分高度，米對(duì)于塔式氧化瀝青15m范圍內(nèi)選取；D液相部分直徑，m3 .4 氣相部分直徑Dv和氣相部分高度氧化瀝青塔的氣相部分直徑和氣相部分的高度也是決定氧化瀝青性質(zhì)的關(guān)鍵因素，因此這部分的計(jì)算很重要(4)式中：Fv氣相部分截面積，m2；Qv氣相部分氣體體積流率，m /s；Uv氣相允許線速度，m

11、/s,般取0.10.12m /s。當(dāng)計(jì)算結(jié)果 Fv =Fl時(shí)或者兩者相近時(shí)，可取Fv = Fl。(5)氧化塔氣相部分高度Hv A1 ,5Dv 一般按不小于 6m選取，則氧化塔總高 H =Hl +Hv ( m)3.5 空氣耗氧量氧化瀝青中的氧來(lái)源于空氣，空氣中的氧的數(shù)量是一定的，通過空氣耗氧量的計(jì)算，可得知空氣的耗量，從而可以合 理的選擇相關(guān)設(shè)備(G/1000) XB X22 .4=G X B X2 .24C -E式中：v空氣耗量，m3/r； B原子耗氧量，kg/t； C空氣含氧量，體積分?jǐn)?shù)，；E 氧化尾氣 含氧量，體積分?jǐn)?shù)，參照蘭煉塔式 氧化瀝青裝置測(cè)定的數(shù)據(jù)，可按7%10%選取。3 .6 原

12、料入塔溫度原料的進(jìn)塔溫度影響之大，其中的氧化反應(yīng)熱 ，熱損失，氧化塔下半部的熱平衡決定了氧化瀝青的性質(zhì)質(zhì)量，合理的進(jìn)料溫度能提高氧化瀝青的性能。3 .6.1氧化反應(yīng)熱QR = 63000 BG(7)式中：Q氧化反應(yīng)熱，kcal/h；63000每千克分子氧的放熱量，kcal / kmol，系環(huán)烷基原油的渣油在氧化反應(yīng)溫度為279287 C時(shí)，軟化點(diǎn)由40 C左右升至100 C左右時(shí)的數(shù)據(jù)。3 .6 .2 熱損失Ql = a kA( 11 12 )( 8)式中：Ql氧化塔熱損失，kcal /h；A 氧化塔外表面積，m2；t1保溫層外壁溫度，C ；t2 大氣溫度，C ；aK傳熱系數(shù)，kcal/(m2

13、 h - C )，當(dāng)保溫層外壁溫 度為60 C，大氣溫度20 C時(shí)，由納爾遜煉油工程查出aK=15kcal /( m2 - h C )。3 .6 .3 作氧化塔下半部熱平衡，求取原料入塔溫度原料與空氣平衡關(guān)系示意圖見圖1和表1。第3期劉賀：伊朗雅達(dá)油田S1水平井鉆井液技術(shù)-109 表1原料與空氣平衡關(guān)系4物料名稱流率 /( kg/H)溫度廠C相態(tài)熱焓 /( kcal/kg)熱量 /( kcal/h)入方原料空氣G上3液I1G - I1空氣V。T1氣I2V0 I 2反應(yīng)熱Qr小計(jì)G 11 + V0 - I2 + Q r出方成品瀝青G 1t5液I3G1 I3餾出油G2t5氣I4G2 I4氧化尾氣G

14、3t5氣I5Q3 I 5熱損失Qr小計(jì)G1I3 + G2 I4 + G31 5 + Q R3 .7氣相部分注水量圖1 原料與空氣平衡關(guān)系示意圖要確定氧化塔塔頂溫度，然后作氧化塔上半部熱平衡 ，求注水量。從表2得:G2I4 + G3 I5 + Gx b = G2I 7 + G3 I8 + Gx I9GxG2( I4 -I7) +( G3( I5 -I8)(10)上式的右方均為已知常數(shù)，所求G既為氣相注水量從表1得:G11 + Vo I2 + Qr = G1 I3 + G214 + G315 + Q rG1I 3 + G2 1 4 + G3 I5 + QR V0 I2_QrG(9)圖2 氣相熱平衡

15、示意圖上式右方均為已知數(shù)，故求出原料的熱焓后，即可查得氣相熱平衡示意圖見圖2和表2。在計(jì)算注水量前先相應(yīng)的原料入塔溫度t3。表2氣相熱平衡國(guó)物料名稱流率 /( kg/h)溫度/ C相態(tài)熱焓 /( kcal/kg)熱量 /( kcal/h)入方餾出油G2t5I4G2 I4氧化尾氣G3t5氣I5G3I5注入水Gxt5液16Gx I6小計(jì)G2 I 5 + Gb I5 + Gx 丨6出方餾出油G2t7氣I7G2 I7氧化尾氣G3t7氣I8G3 I8水蒸氣Gxt7氣I9Gxb小計(jì)G2 I 7 + G 丨8 + Gx I93.8 塔內(nèi)空氣分配管的計(jì)算(3)開孔數(shù)(11)氧化塔內(nèi)空氣分配管主要有兩種形式：噴

16、嘴型和篦型。VAn =以篦型設(shè)計(jì)為例介紹。0.785d2 U h(2) 開孔風(fēng)速一般選取 510m /s為宜(下轉(zhuǎn)第109頁(yè))(1) 分配管開孔實(shí)踐證明，為了使空氣分配均勻，并防止開孔處局部結(jié)焦堵塞而造成壓降增大，一般開孔取 10 15mm。式中：n開孔數(shù)量，個(gè)；3Va -空氣體積流率，m /s(按壓縮機(jī)出口狀態(tài)計(jì)算)；復(fù)雜，加入0.5%的Na2CO3進(jìn)行預(yù)處理，增加鉆井液的抗鈣 污染能力。同時(shí)將鉆井液密度提高至1.44g/cm3左右，保持鉆井液液柱對(duì)地層的正壓差，防止?jié)撛诟邏蝴}水液體侵入鉆井液。4.3 三開(1563 .3m3968m)鉆井液技術(shù)(1) 鉆井液體系配方 ：4%膨潤(rùn)土 +0.3

17、%聚合物 SNPM + 0.2% 燒堿 NaOH+0.2% 純堿 Na2CO3 + (2% 3% )抗溫 抗鹽降失水劑 +0 .5%增粘降濾失劑 SNLY +1%隨鉆堵漏劑+ ( 2%3% )磺化酚醛樹脂+ ( 3%5% )液體潤(rùn)滑劑+ (0 .3%0.5% )固體潤(rùn)滑劑 + 2%防塌劑+ ( 2%3% )超 細(xì) CaCO3 +1 .0% 聚合醇 JHC + (3% 4% ) KC l。(2) 三開延用二開老漿，開鉆前開動(dòng)四級(jí)固控設(shè)備，將鉆井液中的固相含量降低至10%以內(nèi)，有利于后期鉆井液調(diào)整與維護(hù)。(3) 在鉆水泥塞時(shí)把水泥污染的鉆井液放掉，防止鉆井液被污染而起泡 ，同時(shí)加入足量的純堿與聚合

18、物膠液，清除鉆井液中因鉆水泥塞而多余的鈣離子，提高鉆井液的護(hù)膠能力。(4) 鉆頭出套管后，按照配方加入各種處理劑，提高鉆井液的抗溫抗污染能力及護(hù)膠能力，保證鉆井液性能的穩(wěn)疋。(5) 斜井段鉆井液維護(hù)處理工藝。鉆進(jìn)過程中選用合理的鉆井液流變與流型參數(shù)。在井斜角小于 45。時(shí)，保持鉆井液漏斗粘度在 50s左右，動(dòng)塑比在0.4 Pa/mPa - s以內(nèi)， 既保證良好的攜巖效果又能對(duì)井壁有一定的沖刷作用，有效破壞巖屑床 的形成;提高鉆井液環(huán)空返速，在井斜超過60。后，每鉆完一到兩根立柱短起下一次，來(lái)破壞可能形成的巖屑床；清除有害固相，充分利用好四級(jí)固控設(shè)備，離心機(jī)的使用率應(yīng)保持在60%以上，除去鉆井液

19、體系中的劣質(zhì)固相。(6) 水平段鉆井液維護(hù)處理工藝?？刂沏@井液流變 性能，漏斗粘度控制在 5060s，動(dòng)塑比為 0.40 .5 Pa/mPa-s,保持鉆井液有良好的懸浮攜帶能力；每鉆進(jìn)100200m泵入6 m3左右低粘切鉆井液，然后再加入 8 m3左右稠漿清掃液清潔井筒，提高井眼的清潔度；堅(jiān)持短程起下鉆措 施，破壞在下井壁形成的巖屑床，采用倒劃眼進(jìn)行短程起下鉆，有效破壞巖屑床；保證潤(rùn)滑劑含量不低于 4%5%， 提高泥餅的潤(rùn)滑性能，使其潤(rùn)滑系數(shù)不大于0 .06;在加入足量液體潤(rùn)滑劑后，根據(jù)工程需要采用固體潤(rùn)滑劑石墨提高 鉆井液潤(rùn)滑性能，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，固體潤(rùn)滑劑的加量控制在 0 .5%以內(nèi)效果良好

20、 。(7) 碳酸巖地層微裂縫發(fā)育，孔隙度大，鉆井液滲漏較為嚴(yán)重，鉆井液中除采用隨鉆堵漏劑外，加入2%3%的超細(xì)CaCO3增強(qiáng)鉆井液的封堵能力。5 結(jié)論和建議(1) 上部地層盡量使用低分子量CMC -LV、PAC -LV 等降失水劑，在控制鉆井液濾失量的同時(shí)保持鉆井液良好的流型，有利于沖刷井壁，防止虛泥餅的形成，有效的解決上部 地層起下鉆阻卡問題。(2) KCl 聚合物鉆井液體系抑制能力強(qiáng)，滿足伊朗雅達(dá)油田水平井施工要求，施工中井壁穩(wěn)定，起下鉆暢通無(wú)阻。(3) 采用液體潤(rùn)滑劑與固體潤(rùn)滑劑復(fù)配使用，輔助工程上的短程起下鉆措施，能夠破除巖屑床，起到很好的潤(rùn)滑效 果，降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩。(本文文獻(xiàn)格式：劉 賀.伊朗雅達(dá)油田 S1水平井鉆井液技術(shù)J0.山東化工，014 ,43(3):108 109 .)檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹更能提高原油收益 了環(huán)境污染。1(12)(上接第107頁(yè))d開孔直徑，m;Uh開孔風(fēng)速，m /s(4) 出風(fēng)孔壓降 A Uh P=pt式中： P 出風(fēng)孔壓降，kg/m2;2