催化裂化反應(yīng)器異常工況的動(dòng)態(tài)模擬

靳滿滿 田文德

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042)

流化催化裂化(FCCU)是最重要的重質(zhì)油輕質(zhì)化過程之一，核心部分為反應(yīng)再生。反應(yīng)再生過程數(shù)學(xué)模型本質(zhì)上可分為穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，而動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可更好地用于在線分析與優(yōu)化[1]。安全穩(wěn)定的生產(chǎn)是保證石化企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的基礎(chǔ)。催化裂化是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，物料大部分為甲類危險(xiǎn)品且伴隨著高溫、高壓的化學(xué)反應(yīng)[2]。若發(fā)生故障，人員應(yīng)快速、準(zhǔn)確地找到故障并將危害降到最低。因此診斷催化裂化生產(chǎn)過程的故障，對保證安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)際意義。筆者旨在建立反應(yīng)器動(dòng)態(tài)機(jī)理模型并估算出所用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立仿真系統(tǒng)模擬正常工況和兩種異常工況(原油帶水、含烴)，并分析兩種異常工況對進(jìn)料溫度的影響，通過進(jìn)料溫度的變化查找出原油帶水量或含烴量。

1 動(dòng)態(tài)機(jī)理模型和仿真系統(tǒng)的建立①

根據(jù)餾分油催化裂化反應(yīng)的特點(diǎn)，采用集總方法，將反應(yīng)體系劃分為原料油(A)、柴油(D)、汽油(N)、氣體(G)和焦炭(C)5個(gè)集總。反應(yīng)器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立思想和方法見文獻(xiàn)[3～6]。

原料油

(1)

(2)

(3)

PrayAφ(tc)

(4)

(5)

(6)

(7)

Praφ(tc)

(8)

(9)

1.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定

利用某石化企業(yè)某天每隔1h催化裂化裝置的操作數(shù)據(jù)和相應(yīng)的物料性質(zhì)數(shù)據(jù)，以各集總組分收率與實(shí)測值的殘差為目標(biāo)函數(shù)，利用MATLAB進(jìn)行參數(shù)的求取[7,8]。各個(gè)集總的分布如圖1所示。

圖1 反應(yīng)器各集總分布

圖2～ 7分別是原油未轉(zhuǎn)化率，柴油、汽油、氣體、焦炭收率和反應(yīng)溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、擬合曲線與模擬曲線的比較。擬合曲線與模擬曲線基本一致，說明建立的動(dòng)態(tài)模型是真實(shí)可靠的。

圖2 原料油未轉(zhuǎn)化率變化趨勢

圖3 柴油收率變化趨勢

圖4 汽油收率變化趨勢

圖5 氣體收率變化趨勢

圖6 焦炭收率變化趨勢

1.2 仿真系統(tǒng)

規(guī)范的流程圖便于明確模擬工作的各個(gè)環(huán)節(jié)，有利于問題的解決，也有利于項(xiàng)目的維護(hù)。筆者建立的仿真流程如圖8所示。

圖7 反應(yīng)溫度變化趨勢

原油是一個(gè)多組分的復(fù)雜混合物，所以原油的分子式不曾被確定。各集總均由性質(zhì)相似的烴類代替。筆者進(jìn)行大量模擬之后決定用C25代替原油，C14代替柴油等，確定了各集總的基礎(chǔ)物性[9～13]，部分物性見表1。

圖8 反應(yīng)器仿真流程

表1 各集總部分物性表

建立的仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖9所示，各顯示表、調(diào)節(jié)表示數(shù)均能穩(wěn)定且仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中的各類數(shù)據(jù)(質(zhì)量流量、液位及溫度等)保持一致，部分顯示值與真實(shí)值的比較見表2。

圖9 仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面表2 顯示值與真實(shí)值的比較

工段顯示值真實(shí)值FIC1209/t·h-116.90016.800FI211/t·h-145.4145.90FI1201/t·h-1123.1122.0LI202/%55.24255.000TI1232/℃123.524125.700TI1201/℃235.111235.800

2 異常工況的分析

原油性質(zhì)是所有操作條件中最重要的條件，制定生產(chǎn)方案、選擇操作條件都應(yīng)先了解原油的性質(zhì)。生產(chǎn)中要求原料要相對穩(wěn)定，若原油性質(zhì)不穩(wěn)定會急劇降低反應(yīng)溫度，反應(yīng)壓力因水的汽化而迅速上升，嚴(yán)重時(shí)會造成重大事故。筆者模擬原油帶水和含烴兩種異常工況對原油性質(zhì)造成影響，通過仿真系統(tǒng)找出原油帶水或含烴時(shí)對進(jìn)料溫度的影響。

2.1 原油帶水對進(jìn)料溫度的影響

正常工況下進(jìn)料溫度為235℃左右。由圖10可知，不論是否有相變，只要原油帶水都會引起進(jìn)料溫度下降，且在有相變時(shí)引起進(jìn)料溫度的大幅下降。而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)伴隨著相變且當(dāng)原油帶水時(shí)可引起進(jìn)料溫度的大幅下降，所以筆者的模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)相吻合。

a. 1股進(jìn)料帶水

b. 3股進(jìn)料均帶水 圖10 原油帶水時(shí)對進(jìn)料溫度的影響曲線

2.2 原油含烴對進(jìn)料溫度的影響

烴種類繁多，首先要通過模擬找出所含的是哪類烴。又由于原油所含烴可能是混合物，所以要找到一種物質(zhì)能近似替代這種烴。筆者找到了替代烴(C7)并進(jìn)行了模擬。由圖11可知，當(dāng)原油含烴時(shí)也會引起進(jìn)料溫度的下降，較原油帶水時(shí)進(jìn)料溫度下降的幅度減小。

a. 1股進(jìn)料含烴

b. 3股進(jìn)料均含烴 圖11 原油含烴時(shí)對進(jìn)料溫度的影響曲線

3 結(jié)束語

建立了催化裂化裝置的反應(yīng)器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)模型很好地反映了原料未轉(zhuǎn)化率、各集總收率和溫度的變化情況。仿真系統(tǒng)可以有效地模擬實(shí)際生產(chǎn)工況，模擬的異常工況(原油帶水或含烴)引起的進(jìn)料溫度驟降，與工廠實(shí)際異常工況現(xiàn)象相符合。

[1] 徐春明，楊朝合.石油煉制工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[2] 鄭璇.催化裂化反應(yīng)故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué),2011.

[3] 羅雄麟,袁璞,林世雄.催化裂化裝置動(dòng)態(tài)機(jī)理模型Ⅰ.反應(yīng)器部分[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工),1998,14(1):36～42.

[4] 李琦,張?bào)@端,邵誠.催化裂化反再系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與仿真研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2010,23(4):89～93,98.

[5] 羅雄麟.化工過程動(dòng)態(tài)學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[6] 陳瑩.聚丙烯動(dòng)態(tài)機(jī)理建模與生產(chǎn)過程優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué),2009.

[7] 丁福臣,周志軍,李興，等.催化裂化五集總動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)估計(jì)方法[J].煉油設(shè)計(jì)，2001,31(4):52～55.

[8] 黃華江.實(shí)用化工計(jì)算機(jī)模擬——MATLAB在化學(xué)工程中的應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[9] 趙煒.利用大型數(shù)據(jù)庫確立求解原油物理性質(zhì)的相關(guān)式[J].國外油田工程,1995,11(1):51～54.

[10] 梁文杰，闕國和，劉晨光，等.石油化學(xué)[M].東營：石油大學(xué)出版社,1995.

[11] 裘俊紅,胡上序.催化裂化過程動(dòng)態(tài)模型及仿真——I.過程動(dòng)態(tài)模型[J].石油煉制與化工，1995,26(2):7～11.

[12] 杜殿林. FCCU反-再系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SDG模型的混合故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué),2006.

[13] 陳玉石.FCCU反應(yīng)再生部分動(dòng)態(tài)建模與仿真系統(tǒng)研究[D].廈門：廈門大學(xué),2007.