加氢裂化反应器的建模和仿真

摘要

近年来，随着含硫油和重质油处理需求的增加和成品油含硫量等质量指标的提高，加氢裂化越来越受到业内重视，现已成为炼油工业中重要的二次加工工艺。目前新上的炼化项目多包含加氢裂化装置。随之增加的是对工业加氢裂化过程进行模拟优化和仿真培训的需求，因此工业加氢裂化反应器的建模与仿真研究越显重要。 基于以上认识，本文以中国石化集团公司广州石油化工总厂加氢裂化反应器为研究对象，对其进行建模与仿真研究。 首先，分析了加氢裂化反应的特点，研究认为同一集总组分所参与的所有裂化生成反应，反应机理相同，活化能相同，通过对每一反应单独列反应速率方程，提出了简化了的反应动力学体系，该体系按照集总动力学原则将原料和产品分别集总，即原料油、柴油、航空煤油、重石脑油、轻石脑油、气体，总共6个虚拟集总组分。在反应动力学模型基础上，通过分析工业加氢裂化反应器的工艺特点，考虑了物料平衡、能量平衡，采用机理建模的方法，建立了加氢裂化反应器六集总动态机理模型。模型由42个偏微分方程和5个代数方程组成。 为了估算模型的反应动力学参数，选取了一定数量有代表性的工业装置实际生产数据，以各集总组分收率和各段出口温度计算值与实测值的残差为目标函数，引用工程数学软件MATLAB7.0中Nelder—Mead单纯形算法程序进行多元回归求解；将所得的参数代入模型中进行验证，结果表明，计算值与工业实际值吻合得较好，说明所估算的反应动力学参数是可靠的。 为验证所建模型稳态预测精度，选择工业装置不同工况下稳态数据进行稳态预测计算。选择MATLAB7.0中的ode15s算法对模型进行稳态求解，预测结果表明，模型具有一定的稳态预测精度，能模拟和预测加氢裂化产品在不同操作条件下的产率分布和反应器温度分布，每次模拟计算时间不超过1.5秒。 最后，为仿真操作条件变化对反应器温度分布和产品收率分布的动态影响，本文以某一工况为例，在各主要操作条件变动不大的情况下，用所开发的模型在Matlab7.0软件平台上对反应器进行了动态仿真。由于有限差分法、有限元法、MOL法等方法在该动态计算中存在计算时间长、误差大等不足，本文采用正交配置法来求解该偏微分数学模型。动态仿真表明，模型能较好地反映各个操作变量(进料流量，进口温度，急冷氢流量)的变化对原料油转化率、加氢裂化产品产率和反应器内温度的具体影响，对生产具有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪言

1.1加氢裂化过程的重要性

1.2开发加氢裂化应用模型及仿真的必要性

本章主要参考文献

第二章文献综述

2.1国内外加氢裂化技术现状及发展趋势

2.1.1我国加氢裂化技术现状及发展趋势

2.1.2国外加氢裂化技术现状及发展趋势

2.2加氢裂化反应器数学模型简介

2.3 加氢裂化反应动力学模型的现状及发展

2.3.1按固定沸程进行集总的动力学模型

2.3.2按可变沸程进行集总的动力学模型

2.3.3按组成进行集总的动力学模型

2.3.4按固定馏程和组成进行集总的动力学模型

2.3.5按可变馏程和组成进行集总的动力学模型

2.3.6其它模型

2.4加氢裂化反应器机理模型的现状及发展

2.5文献总结

2.6本论文的工作安排

本章主要参考文献

第三章 加氢裂化反应器机理建模

3.1工艺流程描述

3.2基本假设

3.3反应动力学模型

3.4动态模型

3.4.1流相(气相+液相)物料衡算

3.4.2流相(气相+液相)能量平衡

3.4.3模型无因次化

3.5稳态模型

3.6 物性计算

3.6.1恩氏蒸馏与实沸点蒸馏数据的相互转换

3.6.2由恩氏蒸馏数据计算馏分各种平均沸点

3.6.3平均分子量

3.6.4特性因数

3.6.5密度

3.6.6石油馏分的临界性质

3.6.7石油馏分的质量定压热容

3.7本章小结

本章主要参考文献

第四章模型的工业化应用

4.1稳态模型的求解方法

4.2模型参数的优化过程

4.2.1确定各集总分子量及定压比热容

4.2.2确定模型参数初值

4.2.3确定动力学参数

4.3模型的预测能力

4.4 稳态模型仿真结果及其分析

4.5本章小结

本章主要参考文献

第五章 动态模型仿真结果及其分析

5.1动态模型求解方法

5.2动态模型仿真结果及其分析

5.2.1进料温度阶跃变化动态仿真

5.2.2冷氢阶跃变化动态仿真

5.2.3进料量阶跃变化动态仿真

5.3本章小结

本章主要参考文献

第六章结论与建议

6.1结论

6.2建议

附录

致谢