在如今高度动荡的能源市场中,炼油厂面临新的挑战。随着轻质低硫原油获取受限,价格影响产品利润率,下游公司已转向多样化的原料,包括更重或更多含硫原油,这就要求过程灵活化。同时,针对燃料和产品参数、排放等的监管也越来越严格。在行业去碳化趋势的背景下,炼油厂面临降低其碳足迹的要求。这包括对碳捕获、利用和储存基础设施、供热过程电气化、绿氢或蓝氢利用、工厂能效改进、生物燃料/电子燃料生产以及避免逸散性排放等方面的投资。
要在当今的市场中保持竞争性,行业公司必须优化他们的工艺,因为任何低效都会进一步压缩本就微薄的利润率。腐蚀、泄漏、设备故障、过程控制不足以及其他问题导致意外的停机、生产受损以及运行成本升高。在最糟糕的情况下,工艺问题可能发展成损害人、环境和资产灾难性的事件。
高质量测量仪表是安全性和效率提升的关键。在持续的监控和可靠的数据支持下,炼油厂的决策就可以:
在压力、温度、流量、液位和校准解决方案以及SF6 气体处理产品领域,威卡是您可信赖的伙伴。我们的仪表解决方案广泛用于各种精炼过程和设备,包括:
原油的精炼从原油装置开始,其主要任务是分离各种组分。
重原油通常含盐。氯盐不仅会在精炼过程中造成下游堵塞,还会以盐酸(HCl)的形式腐蚀设备——盐酸是在高温下水解形成的。含有大量盐分的原油必须首先经过脱盐处理,以去除杂质。在这一预处理步骤中,原油被加热到略高于水的沸点,然后与淡水混合以稀释盐分。然后,混合物进入沉淀池,分离油和盐水。静电场可加速分离过程。
脱盐后,原油被加热到约540 °F (280 °C)。这种部分汽化的原料从粗蒸馏装置(CDU)底部附近进入,由于处理过程接近大气压,因此也称为大气蒸馏装置:塔顶1.2到1.5 atm(17.6到22 psi)。该塔的底部有一个再沸器,顶部有一个冷凝器,形成温度梯度。沸点较高的馏分——较重、挥发性较弱的化合物——保持在底部附近,而沸点较低的馏分——较轻、挥发性较强的化合物——则上升到顶部。沿着塔堆叠的带孔塔盘可以让较轻的化合物不断上升,较重的化合物则向下滴流。分离出来的碳氢化合物成分或馏分,根据其沸点的不同,在蒸馏塔的不同高度被分离出去。
渣油可以进一步分离,但不能在常压下进行热蒸馏,因为所需的高温会损坏碳氢化合物。
渣油进入真空蒸馏装置(VDU)进行进一步蒸馏。在低至10英寸水柱(0.36 psi)的压力下,较重油品的沸点很低,足以避免热分解或裂解。真空炉将渣油加热到约750 °F (400 °C),渣油在低压环境中汽化,并分馏成各种成分,以便进一步加工和提炼:
柔性多点温度组件在原油装置中主要有三种应用:
威卡为火焰加热器提供创新型热电偶解决方案。由于我们在休斯顿航道附近的先进研发设施中进行了大量的热电偶测试,我们可以帮助您确定炉温传感器的正确配置和位置。
无论其布置位置如何,热电偶都必须正确布线和安装。例如,用户必须考虑到炉管的热膨胀,并保护传感器免受来自燃烧器的直接热量的影响。如果布线和安装不正确,热电偶的使用寿命很可能会缩短,甚至出现故障。
随着威卡在炉管表面热电偶技术方面的不断进步,准确度并不是唯一得到优化的因素。安装简便也是我们温度测量解决方案的一个重要特点,我们的现场服务人员与威卡的设计工程师不断合作,以简化安装过程。无论传感器是否带有模制隔热罩,每次安装都快速可靠。
焦化装置利用高温(< 900 °F / 480 °C)和高压来分解或裂解减压渣油中较大的碳氢化合物分子,从而生产出更轻、价值更高的馏分。在焦化装置中进行热裂解还可产生固体碳,称为石油焦(pet coke),可用作能源或制造过程中的主要材料。
延迟焦化装置(DCU)是最常见的一种焦化装置,由两个主要部分组成:一个燃烧加热器和两个或更多焦炭塔。在燃烧加热器中,炉管输送原料通过辐射和对流段,使其达到热裂解温度。然后,流化物进入焦炭塔,在那里发生裂解。(由于反应不在加热器或反应器中进行,因此称为“延迟“)。碳氢化合物蒸气从塔顶排出,而焦炭则沉淀在塔底。当一个塔装满后,就将其卸下进行除焦,而另一个已经除焦的塔则重新上线。高压水切割机可清除焦炭塔中的固体。
另一种是流化焦化炉。进料以流化固体的形式喷入燃烧器,再次燃烧,既可用作燃料,又可进一步裂解碳氢化合物长链。灵活焦化炉与流化焦化炉类似,但可以选择对焦炭进行部分或全部气化。流化焦化炉和灵活焦化炉的优势在于高价值液态烃的产量更高。
无论是哪种类型的焦化装置,其工作条件都极具挑战性:极高的温度、剧烈的振动、腐蚀性和挥发性原料。要保证安全并获得最佳产量,就必须使用可靠的仪表对过程进行持续监测和控制。特别是,焦化加热器应在工艺侧和火侧保持平衡。
有了温度和工艺流程的准确信息,炼油厂的炉管运行长度可以是焦化加热器的三倍。精确的炉管表面温度测量至关重要。如果炉管表面热电偶(TSTC)的读数高于实际值,操作者就会不必要地缩短运行时间,从而导致减产。如果读数低于实际值,操作者会在不知情的情况下延长运行时间,从而增加炉管爆裂和意外停机的风险。
威卡拥有一系列创新型TSTCs,旨在最大限度地提高产量和设备安全性。我们还提供安装服务和先进的炉膛监控方案,包括红外线扫描、设备健康检查、数据分析和故障排除。
与焦化装置一样,流化催化裂化(FCC)装置也是将重渣油转化为较轻、价值较高的产品,如汽油、丙烯和丁烯等轻烯烃。但与仅使用高温裂解长烃链的焦化装置不同,流化催化裂化装置引入了催化剂,使这一过程更加高效。
在反应器中,渣油与二氧化硅-氧化铝、硅酸铝沸石或其他催化剂混合。在适当的温度和压力下,这种物理接触会产生化学反应,将原料分馏成更小的分子,并在分馏器中分离和抽出。在这一反应过程中,催化剂不会发生化学变化,但粉末、珠子或颗粒上会沾上碳。废催化剂进入再生器,在那里烧掉碳,然后返回反应器。
流化催化裂化装置是现代炼油厂的“赚钱机器”,除了每五年按计划停机进行定期维护外,可以连续运行。理想情况下,大修时间很短,设备可以快速重新开始炼油。但如果启动不当,可能会出现冷凝现象,催化剂会变得潮湿和粘稠,从而不得不再次关闭设备进行清洗。为避免出现这种代价高昂的情况,必须在重新加热装置时持续监控浸入管温度,以防止出现冷凝现象。另一个需要监测温度的关键区域是再生器,以确保温度足以燃烧碳并再生催化剂。
烷基化装置生产的异链烷烃称为烷基化物。它通过将异丁烷(来自炼油厂的异构化装置)与丙烯或丁烯(来自催化裂化装置)在催化剂作用下混合,生产出这种高辛烷值汽油调和组分。这种装置也称为烷化器,在当今严格的燃料减排标准下扮演重要角色。
目前有四种类型的烷基化装置,按使用的催化剂命名。传统的有氢氟酸烷基化装置(HFAU)和硫酸烷基化装置(SAAU)。这些装置面临的主要挑战是,液体酸催化剂具有腐蚀性和毒性,并可能对环境造成危害。因此,防止排放和泄漏至关重要。威卡的隔膜监控系统具有第二个内嵌隔膜,可在主隔膜发生故障时确保环境和过程可靠分离。如果发生这种情况,中间空间的监控压力会升高,系统会向操作者发出破裂警报。为了避免使用液体酸的固有风险,一些炼油厂正在采用固体酸烷基化和离子液体烷基化技术。这两种技术在处理、再生和处置催化剂方面的危险性都低于HF或H2SO4,因此前景看好。
无论采用哪种催化剂或技术,烷基化都需要精确的温度和压力范围,以实现最佳的化学反应。
催化重整是一种在高温高压条件下使用催化剂将石脑油转化为高辛烷值汽油调和组分或重整油的工艺。由于其中一个化学反应是脱氢,因此催化重整会产生大量氢气,用于加氢裂化装置和炼油厂的其他地方。
在典型的连续催化重整装置中,过程开始时,炉膛会将石脑油进料加热到适当的温度。然后,原料进入一系列反应器,在这些反应器中,缓慢移动的催化剂床(通常为铂基催化剂)加速化学反应,生成一系列价值更高的碳氢化合物。由此产生的重整馏分以及重整气和氢气被分离出来。
反应器中的过程会在催化剂上沉积焦炭。从最后一个反应器出来后,废催化剂被输送到再生器进行除焦,然后再次返回反应器。
与使用固定床催化剂的半再生重整相比,连续催化再生更流行和高效,前者只能在每隔几个月停机时进行再生。而连续催化重整装置除了每隔三年左右进行一次大修外,可以不间断运行。
温度在优化连续催化重整装置的化学过程中起着关键作用,而温度传感器的工作条件极具挑战性。
由于连续催化重整装置会因许可方的不同而有很大差异,因此了解这些差异是正确使用仪表的关键。
加氢裂化装置可将各种低价值原料升级为喷气式飞机燃料、柴油、煤油和轻质瓦斯油的中间馏分。
顾名思义,加氢裂化反应器在富氢气氛中分解较重的瓦斯油,过程中使用固定床催化剂(通常为沸石)、高温(750-1,500 °F / 400-815 °C)和高压(1,000-2,000 psi / 7-14 MPa)。然后,裂解后的混合物进入分馏器,馏出沸点较低的馏分,剩余沸点较高的油则被回收到反应器中再次进行转化。
氢气在此过程中发挥两种作用:
重瓦斯油通常含有大量的硫和氮。在两阶段加氢裂化装置中,第一阶段是加氢处理:使用催化剂去除原料中的杂质,并将氢与硫和氮结合,生成气态硫化氢(H2S)和氨(NH3)。洗涤水会溶解这些气体,产生的硫氢化铵(NH4HS)会被输送出去进行汽提。对于单级加氢裂化装置,原料必须首先经过加氢处理,以去除不需要的化合物。
催化裂化是一种内热过程,而氢饱和会释放热量。因此,加氢裂化的安全性和效率取决于将反应器温度控制在一定范围内。通过监测温度曲线,操作者可以更好地了解和控制反应器的性能,尤其是防止热失控。
由于加氢裂化装置的设计因许可证防的不同而各异,因此与了解该行业并能为加氢裂化装置设计各种温度曲线系统的专家合作非常重要——所有这些还配备了专家式多点安装以及全天候的客户支持。威卡在工程测量解决方案方面有着悠久的历史,能够帮助炼油厂避免意外停工、缩短运行周期并提高盈利能力。
加氢处理装置,又称加氢脱硫(HDS)装置,是一种从混合料或原料中去除硫、氮、氧、重金属和其他无用产品的工艺设备。这是现代炼油厂运营中最重要的步骤之一,因为:
与加氢裂化装置类似,加氢处理机将原料与氢气混合,在炉中将混合物加热到500-750 °F (260-400 °C),然后喷入反应器。在金属催化剂的作用下,在高温(575-750 °F / 300-400 °C)和高压(440-1,910 psi / 3-13 MPa)条件下,氢气与原料发生反应,生成气态硫化氢(H2S)和氮(通过生成氨NH3)。同时,氢使烯烃和芳烃饱和。
加氢处理装置可分为几类,根据其处理的原料类型来定义——从渣油、重石脑油和煤油到柴油、减压瓦斯油和催化裂化汽油。
加氢处理装置中的温度传感器对安全和生产率起着关键作用。柔性多点式热电偶(如Flex-R®)可以在不同位置监测热点,监控催化剂性能,寻找分布不均区域,尤其是在出口点。在入口点,温度传感器可监测反应器内部的性能。
异构化可将辛烷值较低的直链烃转化为辛烷值较高的支链烃,从而提高汽油的质量。与催化重整相比,异构化更经济,产生的CO2排放和有害副产物更少。
异构体是分子式相同但分子排列不同的分子。例如,正丁烷(n-C4)是含有4个碳原子和10个氢原子的直链分子。其异构体异丁烷(i-C4)也是C4H10,但从中心碳原子上分支出一个CH3基团。
由于这些结构上的差异,支链碳氢化合物的物理和化学性质与直链碳氢化合物不同。例如,普通戊烷和己烷的辛烷值较低,约为66-70 RON(研究法辛烷值),而异戊烷和异己烷的辛烷值约为82-87 RON。
异构化装置有两种类型:
首先,对轻石脑油进行加氢处理,以去除硫、氮和其他无用产物。然后,将处理过的原料与不同量的氢气(取决于所使用的催化剂)混合,并喷入反应器中,反应器中存在固定床催化剂和适度的热量(200-400 °F / 93-204 °C)。
异构化工艺使用三种催化剂中的一种。
后续步骤取决于所使用的催化剂类型。一般来说,反应器流出物会进入分离产品的容器:
要使异构化装置能够继续生产高辛烷值异构物,催化剂必须达到最佳性能。操作者可通过多点式热电偶在固定床上的多点监测通道、分布不良和催化剂的总体活性。掌握完整的温度曲线可延长催化剂寿命、提高处理效率并改善装置安全性。
胺处理装置使用被称为胺的含氮化合物,从天然气中去除不需要的硫化氢和二氧化碳。胺处理装置使用被称为胺的含氮化合物,从天然气中去除不需要的硫化氢和二氧化碳。
胺处理装置包含几个用于富硫气体脱硫和回收胺溶剂的步骤。
温度监测和控制对胺处理装置的效率起着关键作用。具体来说,过程气体和胺溶液在一个狭窄的温度范围内运行效果最佳。
胺循环速率、气体流速、入口气体温度和胺浓度都会影响胺处理操作的效率。使用多点式热电偶等优质仪表,特别是TC96-M微型多点热电偶,炼油厂可获得所需的精确、实时信息,从而做出明智的运营决策。
氢气是当今炼油厂的关键成分,是将低价值碳氢化合物转化为高价值产品所必需的。加氢裂化装置、加氢处理装置和异构化装置中使用的氢气可以来自CCR重整器,H2是后者的副产品。额外的需求可由蒸汽甲烷重整装置(SMR)满足,它可将甲烷(通常来自天然气)和水转化为氢气。
1. 必要时,天然气首先在加氢处理装置中进行脱硫处理。
2. SMR使用高压(44-360 psi / 0.3-2.5 MPa)、高温(1,290-1,830 °F / 700-1,000 °C)、固定床催化剂和过热蒸汽将甲烷转化为氢气和一氧化碳。
CH4 + H2O → 3 H2 + CO
3. 一氧化碳是一种很难去除的杂质。因此,来自蒸汽重整器的合成气现在进行水煤气变换反应,将一氧化碳转化为二氧化碳和额外的氢气。
CO + H2O → CO2 + H2
该工艺还需要催化剂,但温度略低,为400-900 °F(200-480 °C)。
4. 从氢气中去除二氧化碳主要有两种方法。
这两种方法都能为炼油厂产生近乎纯氢气蒸汽。
由于蒸汽重整是吸热的,这个过程需要炉膛定期供应热量。炉管表面温度最高可达1,500 °F (815 °C)。温度测量解决方案包括 炉管表面热电偶、柔性 多点式热电偶 和带 护套和管井 的 热电偶。温度传感器还让操作者可以根据数据决策是否更换催化剂。
监测和控制压力、液位和流量也是蒸汽甲烷重整过程效率的关键。
硫是石油和天然气中的有害产物,因为它们的燃烧会产生环境污染物。在加氢处理装置或其他处理装置的脱硫过程中去除硫后,硫回收装置(SRU)使用克劳斯工艺将产生的硫化氢转化为硫,硫是一种用于制造业和化肥生产的市售产品。
克劳斯工艺有两个回收硫的阶段:
硫化氢和空气中的氧气燃烧产生单质硫。
2 H2S + O2 → 2 S + 2 H2O
氧化剂温度保持在1,560 °F (~850 °C)以上。然后,热的流出物进入冷凝器,在那里蒸汽与硫分离并转移出来。由于硫化氢仅部分氧化,约70 %的硫被分离出来,气流中仍含有硫化氢。与空气的额外燃烧会产生二氧化硫。
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O
冷凝器的流出物被重新加热,因为硫冷凝会污染催化剂。然后,热混合物通过一系列固定床催化反应器(克劳斯反应器)以进一步分离出硫。
2 H2S + SO2 → 3 S + 2 H2O
催化剂阶段发生在600-625 °F (~315–330 °C)的较低温度下,但高于硫的露点。
克劳斯工艺回收了原料流中95-97 %的H2S,但这一比例不足以满足当今严格的空气污染控制规定。因此,最后一步是使用尾气处理装置(TGTU)处理尾气。基本上,含硫尾气被加热和氢化以产生硫化氢,然后硫化氢通过胺处理装置。经汽提的硫化氢然后返回氧化器,重新开始克劳斯工艺。
准确的温度监测和控制在SRU的每个阶段都发挥着巨大的作用,包括从氧化器和冷凝器到再热器、反应器和尾气处理装置(TGTUs)。例如,如果克劳斯反应器的温度太低,催化剂将不能进行最优化的反应。此外,含硫气体会冷凝并污染催化剂。
出于经济和环境原因,炼油厂找到了回收和循环其工艺中几乎所有残余产品的方法。但有些气体是不能再利用的,它们可以安全地燃烧掉。此外,在超压或其他危险情况下,紧急停机(ESD)系统可确保危险蒸汽自动从装置的敏感区域排出,并通过火炬管线输送至火炬烟囱进行燃烧。
火炬烟囱控制着这些不需要的气体的燃烧,这种方式可减少释放到大气中的有害物质。例如,甲烷的全球变暖潜能值(GWP)为27-30,而二氧化碳的GWP为1。燃烧掉任何未回收的甲烷都会产生二氧化碳和水。
输送空气、蒸汽和有害气体的各种管线接入火炬烟囱,并在火炬尖端点燃它们。用于测量流速的仪表有助于控制过程,以提高安全性和燃烧效率。通向火炬烟囱的热电偶对于监测支持火炬的引燃器至关重要。
大型下游企业通常与该地区的公用事业公司共同拥有一个变电站。在炼油厂,操作者需要转换电压水平,并将电力重新引导到需要的地方。
如今,中高压设备依靠各种气体进行绝缘和电弧猝熄。威卡为全球的输配电提供气体处理解决方案,我们的产品系列使下游公司和电力供应商能够监测、分析和处理断路器、变压器、开关设备等中所有类型的绝缘气体。
气体绝缘设备中最常见的气体是六氟化硫(SF6)。它具有良好的介电强度,可用于可靠的电弧猝熄。同时,它是已知全球变暖潜能值(GWP)最高的温室气体。泄漏预防对于避免使用SF6的危险至关重要。
作为威卡的全资子公司,WEgrid Solutions提供一套全面的产品和服务,用于像处理其他替代气体一样安全地处理SF6。带趋势分析功能的在线气体密度监控实现了基于条件的服务和维护,使变电站运营商能够提高安全性、降低成本并保护环境。
威卡为下游石油和天然气行业提供广泛的服务。
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