加氫裂化全流程模擬的集總轉換

楊小健，楊小龍，李榮雨

（南京工業(yè)大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 210009）

加氫裂化全流程模擬的集總轉換

楊小健，楊小龍，李榮雨

（南京工業(yè)大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 210009）

加氫裂化流程的復雜性使得對其進行的模擬很難達到指定的精度。反應部分與分餾部分處于同一模型中，但是分別適合于兩種不同的集總，使用同一集總則會降低模擬精度。本文提出了集總轉換的思想，對反應器出料的蒸餾曲線進行插值、切割和歸一化運算，結合出料的質量和體積信息計算出分餾集總下的虛擬組分質量和體積，最終計算出適合分餾塔模型的分餾集總的物性參數表。這一方法可以顯著提高模擬的精度。

加氫裂化；蒸餾曲線；集總轉換

隨著原油的不斷被開采，輕質石油資源越來越少，原油逐漸向高硫含量、高金屬含量以及重質化方向發(fā)展。面對原油不斷的重質化發(fā)展，如何將它們轉化成所需要的輕質燃料油成為煉油工業(yè)的重要課題。而加氫裂化能夠使重質油品通過催化裂化反應生成汽油、煤油和柴油等輕質油品，又可以防止生成大量的焦炭，還可以將原料中的硫、氮、氧等雜質脫除，并使烯烴飽和。加氫裂化流程可分成反應模塊和分餾模塊。目前的加氫裂化工藝絕大多數都采用固定床反應器。而分餾模塊由分餾塔、汽提塔、換熱器等組成。

加氫裂化全流程的模擬系統(tǒng)，可以進一步深化、拓展煉油源頭加工裝置運行過程中的理性分析與技術特點分類，對兩裝置生產操作進行優(yōu)化指導，在現(xiàn)有基礎上深入細致地做好產品結構調整與優(yōu)化工作。

然而加氫裂化反應的原料餾程廣，構成極為繁多，其中所發(fā)生的反應方程式成千上萬。精確的動力學建模非常困難，因此必須采用集總動力學建模。為了準確地反映加氫裂化反應的復雜機理，反應器部分應采用基于反應集總的動力學模型進行建模。這一建模思路在國內外有了很多成功應用。但由于復雜反應其產物也很復雜，故一般均需根據目的產物的要求，將其進行分離。最常用的分離方法便是采用分餾的方法。而反應集總因會降低模擬的精度而不適用于分餾塔部分建模，因此在分餾部分建模一般采用餾程集總建模。兩種集總劃分依據的不同會對全流程模擬帶來困難和偏差。多年來研究者已經提出過一些方法，如采用校正參數進行修正、采用實沸點蒸餾曲線進行切換等，并在實際應用中取得了很好的效果，如對催化裂化柴油集總與柴油餾分的轉換等。本文提出了集總轉換的概念以對此類工作進行定義，并給出了插值轉換和物性參數的求解過程，在反應器模塊和分餾塔模塊分別使用反應集總和分餾集總，并在分餾塔之前進行集總的轉換，使得加氫裂化反應器模塊和分餾塔模塊的模擬更加科學，模型對流程的表征更加精確。

1 集總轉換思想的引入

1.1 加氫裂化流程及其連續(xù)性

加氫裂化的工業(yè)裝置有多種類型。按反應器中催化劑的不同分為固定床和沸騰床加氫裂化工藝。按反應器的作用又分為一段法和兩段法。但是，不管反應器采用何種類型，反應完畢后都要對反應器出料進行分餾才能得到產品油。

為了便于引出加氫裂化流程模擬的集總轉換思想，把加氫裂化流程分為反應器部分和分餾部分。這兩部分在實際的流程中是前后相連的模塊，若要對加氫裂化整個流程進行模擬，就必須考慮這個部分之間的聯(lián)系。

1.2 集總動力學建模

復雜反應體系集總反應動力學模型集總組分劃分的基本原則是依據其反應動力學特性的差別，目前常用的有按餾程、碳原子數、烴族組成或結構族組成等。相對分餾部分的建模而言，這些都劃分為反應集總。

然而由于復雜反應的產物復雜，一般均需根據目的產物的要求，將其進行分離。最常用的分離方法便是采用分餾的方法，即按沸點的不同將其分開。所以反應的集總是依據反應的動力學特性劃分，而分離的集總常需要依據其物性參數如沸點、溶解度等的不同加以劃分，兩者之間的不同會對全流程模擬帶來困難和偏差。因此在建模時，在反應部分和分餾部分之間需要進行集總轉換。

1.3 集總轉換過程

集總轉換的過程就是由原集總表述下的反應模塊輸出物流蒸餾曲線和出料的質量體積信息求分餾集總表述下的質量體積信息，最終由分餾集總下的質量體積信息計算出表征流程的物性參數。集總轉換的流程如圖1所示，其中各部分體積信息的計算同質量信息的計算。

圖1 集總轉換流程

2 集總轉換的實現(xiàn)

2.1 繪制蒸餾曲線

反應器出料的蒸餾曲線的繪制是集總轉換流程的開端?？梢栽趯嶋H設備上取反應器的出料進行蒸餾實驗得到真實的蒸餾曲線數據，也可以直接使用模擬平臺內部集成的蒸餾曲線數據進行繪制。

然而無論是用上面的哪種方法，得到的都是蒸餾曲線上離散的點，所以需要對這些點進行插值得到最終的蒸餾曲線，為之后的質量轉換和體積轉換提供必要的數據?？梢愿鶕Σ逯岛笄€的單調性、平滑性等要求選擇合適的插值算法，如線性插值、樣條插值等。

2.2 切割蒸餾曲線

將反應器出料歸一化曲線按照溫度間隔（如每10 ℃劃分為一個區(qū)間）劃分為若干個虛擬組分。再根據產品餾程信息對曲線進行切割，將這些虛擬組分劃分給各個產品，然后對每個產品內的虛擬組分進行歸一化，圖2為質量蒸餾曲線。

2.3 質量分布和體積分布的轉換

圖2中各個產品內的虛擬組分的歸一化曲線對應著每種產品的質量分布，根據反應器出料的質量信息計算出每個新虛擬組分的質量。

圖2 質量蒸餾曲線

2.4 物性參數求解

根據轉換后的質量體積信息即可求得分餾集總的物性參數，轉換公式見式（1）～式（3）。

式中，S=ρ×0.001，ρ為密度；Tb為中間平均沸點。

式中，A、B、C為經驗常數，因組分范圍而異，如表1所示。

表1 經驗常數

式中，Tpc和Ppc分別為準臨界溫度和準臨界壓力，其計算公式見式（4）、式（5）。

ω的計算公式要根據Tbr的值來選擇，如果Tbr≤0.8則ω=ω1，否則見式（7）～式（9）。

3 集總轉換的應用

3.1 Hysys實現(xiàn)

在Hysys中建立兩段加氫裂化的模型，反應模塊使用反應集總“HCR”，分餾模塊使用分餾集總“Dis”，也可以使用“HCR”集總。圖3為流程中的一個分餾塔，“航煤”為加氫裂化流程的產品之一。

3.2 轉換前后模擬精度對比

在其它參數都相同的情況下，對集總轉換前后航煤餾程信息進行對比。反應模塊使用反應集總“HCR”。分餾模塊沿用反應集總則無需進行集總轉換，此情況下對航煤的模擬如表2所示。分餾模塊使用分餾集總，并在流程中進行集總轉換的模型對航煤的模擬如表3所示。對比可見集總轉換對模擬精度的提高顯著。

4 結 論

圖3 分餾塔

由于復雜反應產物的復雜多樣，故一般均需根據目的產物的要求，將其進行分離。加氫裂化流程和集總動力學的思想，而且實際研究表明，使用此方法建模比使用單一集總建立的模型精度高很多，這使得模型對流程的表征更加精確可靠。

但是，集總轉換不是幾個簡單的公式就能實現(xiàn)的，還要求流程模擬平臺具有足夠的用戶自定義編程擴展空間來實現(xiàn)這一思想。涉及的反應器和分餾塔的連續(xù)生產問題使得對加氫裂化的流程模擬必須考慮到這兩個部分之間的關聯(lián)。然而加氫裂化模型中，反應部分適合使用反應集總建模，而分餾部分適合使用分餾集總建模。當然，分餾部分可以和反應部分使用相同的集總，這樣就不需要進行轉換，但是從工藝原理和集總動力學的角度來看，集總劃分依據的不同會導致模擬精度的降低。兩部分分別使用適用的集總建模，并在模型中合適的地方進行集總轉換不僅符合工藝原理

表2 無轉換的航煤餾程

表3 集總轉換后的航煤餾程

符 號 說 明

D86 IBP——初餾點，℃

D86 5%——5%分餾點，℃

D86 10%——10%分餾點，℃

D86 30%——30%分餾點，℃

D86 50%——50%分餾點，℃

D86 70%——70%分餾點，℃

D86 90%——90%分餾點，℃

D86 95%——95%分餾點，℃

D86 FBP——終餾點，℃

Mw——平均分子量，量綱為1

NBP——常沸點，℃

Pc——臨界壓強，kPa

Tc——臨界溫度，℃

Vc——臨界體積，m3/kg·mol

ω——偏心因子，量綱為1

ρ——密度，kg/ m3

[1] Refining Department. Technical Data Book——Petroleum Refining[M]. Sixth Edition. American Petroleum Institute，1997：216-523.

[2] 方向晨，張英. 加氫裂化裝置用能分析及節(jié)能途徑探討[J]. 化工進展，2008，27（1）：151-156

[3] 劉光輝，王健紅，耿國其. 加氫裂化分餾過程的模擬與分析[J]. 北京化工大學學報：自然科學版，2009，36（5）：13-17.

[4] 齊艷華，黃海濤，石玉林，等. 加氫裂化動力學模型及其工業(yè)應用[J]. 石油學報：石油加工，1999，15（2）：80-84.

[5] 喻勝飛，羅武生. 重油加氫裂化四集總反應動力學模型的研究[J].石油化工設計，2007（1）：15-17

Lumped parameter conversion for flowsheeting of hydrocracking

YANG Xiaojian，YANG Xiaolong，LI Rongyu
（Collge of Electronics and Information Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

The flowsheeting for hydrocracking is made up of reactor and fractionating tower. Since lumped parameters of the two parts are not the same，using a single group of lumped parameters may reduce the precision of the model. In this paper，the method for lumped parameter conversion is introduced. Based on the quality and volume of the output of the reactor，the quality and volume of virtual components are worked out after interpolation，cleavage and normalization for the distillation curve of the output of the reactor. At last，the lumped parameters for the fractionating tower can be figured out w ith the quality and volume of virtual components. The method can evidently increase the precision of the model.

hydrocrack；distillation curve；lumped parameter conversion

TQ 01；O643.38

A

1000–6613（2011）09–1915–04

2011-04-10；修改稿日期：2011-04-30。

楊小?。?963—），男，博士，教授。聯(lián)系人：李榮雨。E–mail ryli.cec@gmail.com。