第一節　礦物潤滑油基礎油原料的制備

物潤滑油基礎油的原料由烷烴、環烷烴、芳烴、環烷芳烴和少量含氧、含氮、含硫有機化合物以及膠質、瀝青等非烴類化合物組成。帶長側鏈的單環和雙環烷烴類是潤滑油的理想組分。瀝青、膠狀物質、帶短側鏈的多環烷烴、帶短側鏈的多環芳香烴、環烷酸類和具有高熔點的大分子固態烴類（蠟）以及某些含硫、氮、氧的化合物對潤滑油的性能有不利影響，稱為非理想組分。

礦物潤滑油基礎油原料制備階段的工藝結構比較固定，不因原油種類不同而改變，一般由常壓渣油的減壓蒸餾和減壓渣油的溶劑脫瀝青工藝組成，分別制備餾分潤滑油料和殘渣潤滑油料，見圖2-3。

圖2-3中，利用常壓渣油中各種組分沸點不同的特點，通過減壓蒸餾裝置從常壓渣油中分離出減壓餾分油作為餾分潤滑油原料。減壓渣油中含有重質潤滑油料和大量膠狀物質，將減壓渣油中的重質潤滑油料和瀝青質、膠質分開的工藝過程稱為渣油脫瀝青，常用的脫瀝青方法是丙烷脫瀝青法。

一、常壓渣油減壓蒸餾

1.減壓蒸餾的基本原理

原油蒸餾是將原油加熱，其中輕組分汽化，將汽化的輕組分導出進行冷凝，使原油中輕、重組分得以分離的過程。原油是由烴類和非烴類組成的混合物，原油中各組分的沸點不同，分離時的產物為沸點范圍不同的餾分。

原油蒸餾依據蒸餾塔的操作壓力不同分為常壓蒸餾和減壓蒸餾。通過常壓蒸餾，可以把原油中350℃以前的汽油、煤油、輕柴油等直餾產品分餾出來。

在常壓下進行分離，如果要將沸點高于350℃的餾分分離出來，必須使操作溫度達到四五百度以上。高溫可能導致重質油中的膠質、瀝青質等不安定組分發生裂解和縮合等化學反應，不僅會降低產品的質量，而且會加劇設備的結焦而縮短生產周期。

常壓渣油在減壓加熱爐中被加熱，部分組分汽化，加熱的最終溫度取決于減壓塔的拔出率和重質組分的熱分解溫度。減壓塔的殘壓一般在8.0kPa左右或更低，它是由塔頂的抽真空系統造成的。從減壓塔頂逸出的主要是裂化氣、水蒸氣以及少量油氣，餾分油則從側線抽出。減壓塔底產品是沸點很高（500℃以上）的減壓渣油，原油中絕大部分的膠質、瀝青質都集于其中。

依據生產的產品不同，減壓蒸餾可分為潤滑油型減壓蒸餾和燃料油型減壓蒸餾，本書中提到的減壓蒸餾特指潤滑油型減壓蒸餾，減壓塔頂的殘壓為5～8kPa。

2.潤滑油型減壓蒸餾的工藝特點

以生產潤滑油基礎油原料為主的減壓蒸餾的分餾效果的優劣直接影響到其后的加工過程和潤滑油產品的質量。潤滑油基礎油原料的質量要求黏度合適、殘炭值低、色度好和餾程窄。因此，對潤滑油型減壓塔的分餾精確度要求高，不僅要求有高的拔出率，而且應具有足夠的分餾精確度，實現的關鍵是盡可能提高汽化段的真空度。

（1）塔底采用較大的汽提蒸汽量　塔底采用較大的汽提蒸汽量的目的是降低減壓蒸餾塔汽化段的油氣分壓。

（2）塔板間距大，進料段和塔頂有較大的氣相破沫空間　減壓塔處理的原料較重、黏度大，而且還可能含有一些表面活性物質，加之塔內的蒸汽流速大，因此蒸汽穿過塔板上的液層時形成泡沫的傾向比較嚴重。為了減少攜帶泡沫，減壓塔的塔板間距比常壓塔的大，而且在塔的進料段和塔頂都設計了很大的氣相破沫空間，并設有破沫網等設施。

（3）塔板數少，每層塔板的壓降小　減少減壓塔塔板數和降低氣相通過每層塔板的壓降的目的是為了在滿足分離要求的基礎上，降低從汽化段到塔頂的壓降。

減壓塔在很低的壓力（幾千帕）下操作，各組分間的相對揮發度比在常壓條件下大為提高，比較容易分離。因此，有可能采用較少的塔板而達到分離的要求，而且減壓塔內采用較大的塔板間距，通常在減壓塔的兩個側線餾分之間只設3～5塊精餾塔板就能滿足分離的要求。

為了降低每層塔板的壓降，減壓塔內應采用壓降較小的塔板，常用的有舌形塔板、網孔塔板、篩板等。近年來，國內外已有不少減壓塔部分或全部地用各種形式的填料以進一步降低壓降。例如在減壓塔操作時，每層舌形塔板的壓降約為0.2kPa，用矩鞍環（英特洛克斯）填料時每米填料層高的壓降約0.13kPa，而每米填料的分離能力約相當于1.5塊理論塔板的分離能力。

（4）塔頂不出產品　采用塔頂循環回流而不采用塔頂冷回流，塔頂不出產品，以減少通過塔頂餾出管線的氣體量，從而降低塔頂餾出管線的流動壓降。

（5）塔頂、塔底采用縮徑，中段塔徑較常壓蒸餾塔塔徑大　塔頂不出氣體產品，所以塔頂氣體流量小，采用較小的塔徑。塔底采用較小的塔徑是為了減小減壓渣油在減壓塔底的停留時間，從而減少減壓渣油結焦反應的發生。

氣相組分在減壓條件下，油氣、水蒸氣和不凝氣的比容大，比常壓塔中油氣的比容要高出十余倍。盡管減壓蒸餾時允許采用比常壓塔高得多（通常約兩倍）的空塔線速，減壓塔的直徑還是很大。為了使沿塔高的氣相負荷均勻以減小塔徑，減壓塔一般采用多個中段循環回流，也有利于回收利用回流熱。

（6）采用低流速的轉油線　采用低流速轉油線的目的是減小減壓加熱爐出口到減壓塔進料處的壓降，從而提高汽化段的真空度。

（7）側線設置汽提塔　側線設置汽提塔的目的是為了保證側線抽出餾分中的輕組分含量滿足要求。

3.減壓蒸餾的工藝流程

（1）濕式潤滑油型減壓蒸餾　為了滿足在最高允許溫度和汽化段能達到的真空度的限制條件下盡可能地提高減壓塔的拔出率，在減壓塔底使用水蒸氣汽提，并且在加熱爐管中注入水蒸氣，這種減壓蒸餾方式稱為“濕式減壓蒸餾”，是傳統的潤滑油減壓蒸餾方式，圖2-4為濕式減壓蒸餾工藝流程圖。

濕式減壓蒸餾過程中吹入水蒸氣起到了汽化劑的作用。由于水分子量小、冷凝溫度高、來源廣、經濟安全，又與油品有很好的分離性，因此水蒸氣是很好的汽化劑。在深度減壓和吹水蒸氣的條件下可大大降低蒸餾溫度，使被分離的渣油盡可能地緩解分解。

減壓塔中使用水蒸氣雖然起到提高拔出率的作用，但也帶來了一些不利的影響。首先，濕式減壓蒸餾過程消耗蒸汽量大。當減壓塔頂殘壓約8kPa時，每噸進料所需水蒸氣的用量約為5kg，而在塔頂殘壓為13.3kPa時則需水蒸氣約20kg。其次，采用水蒸氣汽提后，塔內氣相負荷增大。塔內水蒸氣雖只占塔進料的1％～3％（質量分數），但對氣相負荷（體積流量）卻影響很大，因為水蒸氣的相對分子質量比減壓瓦斯油的平均相對分子質量小得多。例如以拔出率為35％（質量分數）、減壓瓦斯油的相對分子質量為350計算，則當水蒸氣量為進料量的1％（質量分數）時，在氣相負荷中，水蒸氣的份額約占1/3。從而增大了塔頂冷凝器負荷，而且裝置含硫污水的量也增大。

如果能夠提高減壓塔頂的真空度，并且降低塔內的壓力降，則有可能在不使用汽提蒸汽的條件下也可獲得提高減壓拔出率的同樣效果。

（2）干式潤滑油型減壓蒸餾　不依賴注入水蒸氣以降低油氣分壓的減壓蒸餾方式稱為干式減壓蒸餾。圖2-5為干式減壓蒸餾工藝流程圖。

與濕式減壓蒸餾相比，干式減壓蒸餾有如下四個方面的優點。

①塔內及加熱爐管內不吹水蒸氣，使減壓塔的負荷大幅度減少。減壓塔底吹入水蒸氣，雖然能起到降低油氣分壓的作用，但由于水的分子量比減壓餾分油小得多，水汽在減壓塔的氣相體積負荷中占很大比例，造成減壓塔內線速高、精餾段壓降大、抽真空設備負荷大等問題。

②降低了塔板壓力降及汽化段壓力，從而降低所需減壓爐出口溫度，提高減壓拔出率。干式減壓塔用填料或填料與塔板混合代替壓降較大的塔板，使塔頂殘壓和汽化段壓力都比濕式減壓法低。加熱爐則采用低速轉油線和爐管逐級擴徑，以減小轉油線溫降和壓降，使爐出口溫度和進塔溫度相差不太大，以便在不致引起油品裂解的前提下，取得較高的拔出率。

③在保持液相均勻分布和正常噴淋的情況下，使用填料代替塔板，既有壓降小的優點，又可保持相當的精餾作用，故不但能用于洗滌段、取熱段，也可用于分餾段。新型高效填料的壓降，平均為0.13kPa/m填料，并有較好的分餾效果。對于填料型塔，推薦使用英特洛克斯與格里希格柵混合床。清洗油則采用輕洗和重洗分開設立的措施，這樣有利于提高產品質量，降低其殘炭值和比色號。

④提高拔出率，降低能耗。由于干式減壓分餾塔汽化段壓力低，在相同的汽化段溫度下，干式比濕式拔出率提高1％～2％。濕式減壓蒸餾需要爐管注汽、塔底和側線吹汽提蒸汽、抽空消耗高壓水蒸氣；而干式減壓則只需要抽空用蒸汽，節省了蒸汽，同時降低了加熱爐熱負荷以及降低抽真空系統的冷卻負荷等，使常減壓蒸餾裝置能耗降低。表2-1列舉了兩種減壓蒸餾的對比數據。

4.減壓蒸餾的操作條件

（1）操作壓力　高真空是減壓蒸餾操作的關鍵，減壓塔的真空度越高，塔內不同餾分間的相對揮發度越大，越有利于油品的汽化及分餾，提高餾分油的收率。另一方面，真空度高，還可以適當降低減壓爐溫度，減少油品裂解，改善餾分油質量。

①減壓抽真空系統。抽真空系統的作用是將塔內產生的不凝氣（主要是裂解氣和漏入的空氣）和吹入的水蒸氣連續地抽走以保證減壓塔的真空度的要求。圖2-6是常減壓蒸餾裝置常用的采用蒸汽噴射器的抽真空系統的流程。

減壓塔頂出來的不凝氣、水蒸氣和由它們帶出的少量油氣首先進入一個管殼式冷凝器。水蒸氣和油氣被冷凝后排入水封罐，不凝氣則由一級噴射器抽出從而在冷凝器中形成真空。由一級噴射器抽來的不凝氣再排入一個中間冷凝器，將一級噴射器排出的水蒸氣冷凝。不凝氣再由二級噴射器抽走而排入大氣。為了消除因排放二級噴射器的蒸汽所產生的噪聲以及避免排出的蒸汽的凝結水灑落在裝置平臺上，常常再設一個后冷凝器將水蒸氣冷凝而排入水封罐，而不凝氣則排入大氣。圖2-6中的冷凝器是采用間接冷凝的管殼式冷凝器，故通常稱為間接冷凝式二級抽真空系統。

②抽真空極限。間接冷凝式二級抽真空系統中在一級噴射泵前的冷凝器為水冷器，因而在水冷器的操作溫度下，水的飽和蒸氣壓是這種類型抽空裝置所能達到的極限殘壓，再加上管線及冷凝系統壓降，減壓塔頂殘壓還要更高些。當水溫為20℃時，冷凝器所能達到的最低殘壓為2.3kPa。冷凝器中的水溫決定于冷卻水的溫度。在煉廠中，循環水的溫度一般高于新鮮水的溫度，因此，抽真空系統多采用新鮮水作冷卻水。

③三級抽真空系統。在一般情況下，20℃的水溫不容易達到，因此，間接冷凝式二級抽真空系統很難使減壓塔頂的殘壓達到4.0kPa以下。如果要求更高的真空度，就必須打破水的飽和蒸氣壓限制。為此，可以在減壓塔頂餾出物進入第一個冷凝器以前再安裝一個蒸汽噴射器使餾出氣體升壓。這個噴射器稱為增壓噴射器或增壓噴射泵。設增壓噴射器的抽真空系統為三級抽真空系統，圖2-7為三級抽真空系統的流程。

由于增壓噴射器的上游沒有冷凝器，直接與塔頂餾出線相連，因此減壓蒸餾塔頂真空度能擺脫水溫的限制。但由于直接與減壓塔頂餾出線相連，增壓噴射器所吸入的氣體，除從減壓塔來的不凝氣以外，還有減壓塔的汽提水蒸氣，因此負荷很大。這不僅使增壓泵要有很大的尺寸，而且使得增壓泵的工作蒸汽耗量很大，使裝置的能耗和操作費用大大增加。只有在采用干式減壓后減壓塔頂負荷大幅度下降的情況下，才適宜用三級抽空來產生高真空度。

（2）操作溫度　為了提高減壓餾分的質量和收率，要求減壓爐具有“低爐溫、高汽化率”的特點。當油品加熱溫度過高時就會發生裂解和縮合反應，而這些反應產物中會含有不凝氣體、不飽和烴和膠質、瀝青質等。這些物質混入餾分油中就會使餾分油的氧化安定性變差，色度變深，殘炭值升高，而且反應生成的裂解氣進入減壓塔，會增加塔頂抽真空系統的負荷，影響真空度，因此操作過程中一定要嚴格控制爐溫低于400℃。

二、減壓渣油溶劑脫瀝青

減壓渣油中含有相當一部分高黏度的大分子烴類，這部分烴類是寶貴的高黏度潤滑油組分，但由于含有大量瀝青和膠質這些潤滑油基礎油生產的不理想組分，因此必須在潤滑油基礎油原料制備過程中除去。

利用選擇性溶劑脫除膠質和瀝青質，實現膠質、瀝青質與高沸點殘渣潤滑油分離，是目前最有效的生產工藝。

1.溶劑脫瀝青的工藝原理

溶劑脫瀝青是廣義的溶劑抽提過程。在石油醚和低分子液態烷烴中，渣油內烴類和非烴類成分溶解度有明顯差別，這種溶解性能差別被稱為溶劑的選擇性。在一定溫度范圍內，溶劑對烷烴、環烷烴和少環芳烴溶解度大，對多環芳烴溶解度小，對膠質溶解能力更小，對瀝青質基本不溶，因此可利用溶解度差異將膠質、瀝青質與潤滑油理想組分分開。在不溶于溶劑的膠質、瀝青質組分中，減壓渣油中的瀝青質聚集成沉淀分離出來。

2.丙烷脫瀝青的工藝流程

溶劑脫瀝青裝置廣泛采用的溶劑是一些低分子烴類，如丙烷、丁烷、戊烷及其混合物等。本書中特別介紹以丙烷作為脫瀝青溶劑的丙烷脫瀝青流程。

溶劑脫瀝青工藝流程包括抽提和溶劑回收兩部分。圖2-8是丙烷脫瀝青工藝原理流程圖，其主要特點是以生產高黏度潤滑油基礎油為目的，抽提塔在低于臨界點的條件下操作，溶劑回收在接近臨界點條件下進行。

（1）溶劑抽提　抽提的任務是把丙烷溶劑和原料油充分接觸而將原料油中的潤滑油理想組分溶解出來，使之與膠質、瀝青質分離。

抽提部分的主要設備是抽提塔，工業上多采用轉盤塔。抽提塔內分為兩段，下段為抽提段，上段為沉降段。原料油（減壓渣油）經換熱降溫至合適的溫度后進入抽提塔的中上部，循環溶劑由抽提塔的下部進入。由于兩相的密度差較大（油的密度為0.9～1.0kg/L，丙烷的密度為0.35～0.4kg/L），二者在塔內呈相向流動和逆流接觸，并在轉盤攪拌下進行抽提。減壓渣油中的膠質、瀝青質與部分溶劑形成的重液相向塔底沉降并從塔底抽出，送去溶劑回收部分。脫瀝青油與溶劑形成的輕液相經升液管進入沉降段。沉降段中有加熱管提高輕液相的溫度，使溶劑的溶解能力降低，其目的是保證輕液相中的脫瀝青油的質量。

在此流程中設有兩個抽提塔，由第一個抽提塔底來的提余液在第二個塔內進行抽提。由第二抽提塔塔底出來的是提余液溶劑與瀝青組成的瀝青液，塔頂出來的提取液稱為重脫瀝青油（也含溶劑），重脫瀝青油中主要是相對分子質量較大的多環烴類。從第一抽提塔塔頂出來的提取液則稱為輕脫瀝青油，溶劑的大部分存在于此提取液中。這種采用兩個抽提塔，得到兩個含油物流的流程稱為兩段法。如果只用一個抽提塔，只生產一種脫瀝青油和脫油瀝青，則稱為一段法。兩段法的優點是能比較容易地同時保證抽提塔頂和塔底產品的質量，而且還能多得到一個有用的產品，而一段法難以同時生產低殘炭值的脫瀝青油和高標號瀝青。

（2）溶劑回收　溶劑的絕大部分（約占總溶劑量的90％）存在于脫瀝青油相中。輕脫瀝青液經換熱、加熱后進入臨界回收塔。加熱溫度要嚴格控制在稍低于溶劑的臨界溫度1～2℃。在臨界回收塔中油相沉于塔底，溶劑從塔頂（液相）出來，再用泵送回抽提塔。

從臨界回收塔分出的輕脫瀝青油和從抽提塔分離出來的重脫瀝青油中仍含有丙烷，需用蒸發的方法回收，一般是先用水蒸氣加熱蒸發后再經汽提以除去油中殘余的溶劑。由汽提塔塔頂出來的溶劑蒸氣與水蒸氣經冷卻分離出水后，溶劑蒸氣經壓縮機加壓，冷凝后重新使用。瀝青相蒸發時必須加熱至200～250℃以防止產生泡沫，所以一般用加熱爐加熱。加熱后的瀝青相同樣是經過蒸發和汽提兩步來回收其中的溶劑。

3.丙烷脫瀝青的操作條件

影響丙烷脫瀝青過程的主要操作條件有溫度、溶劑組成、溶劑比、壓力和原料油的性質。

（1）溫度　溫度對溶劑脫瀝青過程的影響很大，調整抽提過程各部位的溫度常常是調整操作的主要手段。改變溫度會改變溶劑的溶解能力，從而影響抽提過程。溫度升高時，溶劑密度減小、溶解能力下降，脫瀝青油收率下降而質量則提高，脫油瀝青收率增大而軟化點提高。操作溫度越靠近臨界溫度，則溫度影響越顯著。操作溫度對產品收率和性質的影響見表2-2。

在實際生產中，當生產方案改變而原料不變時，可通過調整操作溫度來達到產品要求。表2-2給出了當產品方案改變時，通過操作溫度的變化可以達到不同生產方案要求的目的產品。當選用不同溶劑時，應當選擇不同抽提操作溫度。幾種常用溶劑適宜的溫度范圍為：丙烷50～90℃，丁烷100～140℃，戊烷150～190℃。在最高允許溫度以下，采用較高的溫度可以降低渣油的黏度，從而改善抽提過程中的傳質狀況。

在抽提塔內，塔頂溫度較高而塔底溫度較低，形成了一個溫度梯度。適宜的溫度梯度對保證脫瀝青油的質量和收率非常重要。溫度梯度過小或過大都會產生不利影響。除了溫度梯度的大小以外，塔內溫度還應有合適的溫度分布，在進料口以下溫度梯度應較小，而在塔的上部溫度梯度應較大。

（2）壓力　壓力對丙烷脫瀝青過程也有一定影響，在抽提過程中，必須保持一定的操作壓力以保證物系處于液相狀態。通常抽提塔內的壓力為2.5～4.5MPa。

（3）溶劑比　溶劑比是指溶劑與原料油的比值（一般為體積比）。溶劑比過小，脫瀝青油收率低，瀝青軟化點降低；溶劑比過大，瀝青質、膠質等非理想組分可能進入脫瀝青油，使脫瀝青油的質量變差。一般溶劑比（丙烷/減壓渣油體積比）控制為（5～10）:1。

4.丙烷脫瀝青的主要設備

抽提設備是丙烷脫瀝青的核心設備，轉盤塔結構簡單、效率高、處理量大，廣泛用于潤滑油糠醛精制和丙烷脫瀝青過程。

圖2-9為轉盤抽提塔示意圖。塔中部為抽提段，由轉盤、固定環、穩流格柵板和驅動裝置組成。上部為脫瀝青油沉降段，設有加熱盤管。下部為瀝青沉降段，轉盤的驅動裝置可采用在轉動軸手部的水輪借助溶劑丙烷來驅動，或將轉動軸伸出塔底用變速馬達來驅動，由于塔底出軸處的密封泄漏和變速馬達防爆問題不好解決，國內仍采用水力驅動方式。丙烷抽提過程中，丙烷溶劑作為連續相由抽提段下部入塔，原料渣油作為分散相由抽提段上部入塔，進行逆相抽提，塔內各層之間的液體由于轉盤旋轉產生離心力，使重的液體沿轉盤面向塔壁流動，輕的液體向塔中心流動，形成橫向層流，這種橫向流動形成一種剪切應力，使液滴分散成細小粒徑，增加了兩相的接觸表面，從而加快了傳質過程，提高了抽提效率。