新型柴油加氫實(shí)物仿真裝置

王 英

(浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310053)

新型柴油加氫實(shí)物仿真裝置

王 英

(浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310053)

闡述柴油加氫實(shí)物仿真裝置，以工廠真實(shí)裝置為背景，設(shè)備按比例縮小，采用替代物料全流程貫通，采用真實(shí)企業(yè)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高校學(xué)生及企業(yè)人員培訓(xùn)考核的功能。

本文柴油加氫；石油化工；高危行業(yè)； 仿真軟件

1 背景介紹

近來中國(guó)霧霾現(xiàn)象有越發(fā)嚴(yán)重的趨勢(shì)，機(jī)動(dòng)車尾氣排放是霧霾的主要元兇之一，隨著汽車使用量的增加，汽車尾氣對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，為了改善柴油油品質(zhì)量，減少汽車尾氣排放的污染物，提高空氣質(zhì)量，保護(hù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，降低燃油消耗，必須對(duì)不合格的柴油進(jìn)行加氫改質(zhì)處理。因此，各燃料油生產(chǎn)企業(yè)增加柴油加氫裝置勢(shì)在必行。但是，石油化工行業(yè)具有連續(xù)化、大生產(chǎn)、高技術(shù)、高危高壓等特點(diǎn)，因此在校學(xué)生去工廠實(shí)習(xí)時(shí)，從安全角度出發(fā)，工廠企業(yè)禁止學(xué)生對(duì)設(shè)備進(jìn)行親自操作，均為參觀性實(shí)習(xí)。因此，在校學(xué)生尤其是畢業(yè)生在進(jìn)行工廠實(shí)習(xí)時(shí)匱乏親自動(dòng)手的操作設(shè)備的機(jī)會(huì)，缺乏理論知識(shí)和時(shí)間結(jié)合的操作環(huán)節(jié)。所以，當(dāng)學(xué)生畢業(yè)后到企業(yè)參加工作時(shí)，熟悉設(shè)備需要很長(zhǎng)的時(shí)間，上手速度慢，這對(duì)于企業(yè)及個(gè)人來講都是一種浪費(fèi)。本裝置針對(duì)這一社會(huì)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，并且有物料模擬運(yùn)行。有效的提供了學(xué)生及工人崗前操作裝置的實(shí)踐機(jī)會(huì)。強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)踐操作技能，提高了學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)能力。

2 工藝原理

2.1 加氫精制反應(yīng)原理

加氫精制反應(yīng)是指原料油在催化劑和氫氣的氛圍下，在一定的溫度和壓力下進(jìn)行的一系列化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)過程主要包括：脫除原料油中的氮、硫、氧、非烴類化合物；烯烴和芳烴的加氫飽和反應(yīng)；開環(huán)、斷鏈、縮合、聚合等副反應(yīng)。加氫精制主要反應(yīng)類型如下。

2.1.1 加氫脫硫反應(yīng)

加氫原料油中的硫化物主要有硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩、苯并噻吩等，在加氫精制條件下，這些硫化物分別轉(zhuǎn)化為H2S和相應(yīng)的烴類，從而被脫除掉。

2.1.2 烴類的加氫反應(yīng)

在加氫精制條件下，烴類的加氫反應(yīng)主要是不飽和烴和芳烴的加氫飽和。這些反應(yīng)對(duì)改善油品的質(zhì)量和性能具有重要意義。例如烯烴，特別是二烯烴的加氫可以提高油品的安定性，芳烴的加氫可以提高柴油的十六烷值。

a.不飽和烴的加氫反應(yīng)

直餾餾分中一般不含有不飽和烴，但二次加工產(chǎn)品催化柴油、焦化柴油中則含有大量的不飽和烴。這些不飽和烴在加氫精制條件下很容易飽和。代表性反應(yīng)如下：

b.芳烴的加氫飽和反應(yīng)

加氫原料油中的芳烴加氫，主要是指稠環(huán)芳烴(菲系、萘系)的加氫。

加氫活性：環(huán)烯烴>烯烴≥芳烴

多環(huán)>雙環(huán)≥單環(huán)

提高反應(yīng)溫度，芳烴加氫轉(zhuǎn)化率下降，提高反應(yīng)壓力，芳烴加氫轉(zhuǎn)化率增大。芳烴加氫是逐環(huán)進(jìn)行的，芳烴第一環(huán)的加氫飽和較容易，隨著加氫深度的增加，加氫難度逐環(huán)增大。

2.2 加氫裂化反應(yīng)機(jī)理

烴類在加氫條件下的反應(yīng)方向和深度取決于烴的組成、催化劑的性能以及操作條件等因素。在工業(yè)加氫裂化過程所采用的條件下，烴的反應(yīng)遵循以下規(guī)律:提高反應(yīng)溫度會(huì)加劇C-C鍵的斷裂，即烷烴的加氫裂化、環(huán)烷烴斷環(huán)和烷基芳烴斷鏈。如果反應(yīng)溫度較高而氫分壓不高，也會(huì)促進(jìn)C-H鍵斷裂，生成烯烴、氫和芳烴。

提高反應(yīng)壓力，有利于C=C鍵的飽和，降低壓力有利于烷烴進(jìn)行脫氫反應(yīng)生成烯烴以及烯烴環(huán)化生成芳烴。在壓力較低而溫度又較高時(shí)，還會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)直至生成焦炭。在加氫裂化過程中采用雙功能催化劑，所以烴類加氫裂化的結(jié)果在很大程度上決定于催化劑的加氫活性和酸性活性及它們之間的比例關(guān)系。

a烷烴的加氫裂化反應(yīng)

反應(yīng)中生成的烯烴先進(jìn)行異構(gòu)化隨即被加氫成異構(gòu)烷烴。烷烴加氫裂化反應(yīng)的通式為：

烷烴加氫裂化的反應(yīng)速度隨著烷烴分子量增大而加快。分子中間的C-C鍵的分解速度要高于分子鏈兩端C-C鍵的分解速度，所以烷烴加氫裂化反應(yīng)主要發(fā)生在烷烴鏈中心部的C-C鍵上。在加氫裂化條件下烷烴的異構(gòu)化速度也隨分子量的增大而加快。

b環(huán)烷烴的加氫裂化反應(yīng)

單環(huán)環(huán)烷烴在加氫裂化過程中發(fā)生異構(gòu)化、斷環(huán)、脫烷基側(cè)鏈反應(yīng)，以及不明顯的脫氫反應(yīng)。

環(huán)烷烴加氫裂化時(shí)反應(yīng)方向因催化劑的加氫活性和酸性的強(qiáng)弱不同而有區(qū)別。長(zhǎng)側(cè)鏈單環(huán)環(huán)烷烴在高酸性催化劑上進(jìn)行加氫裂化時(shí)，主要發(fā)生斷鏈反應(yīng)，六員環(huán)比較穩(wěn)定，很少發(fā)生斷環(huán)。短側(cè)鏈單環(huán)六員環(huán)烷烴在高酸性催化劑上加氫裂化時(shí)，直接斷環(huán)和斷鏈的分解產(chǎn)物很少，主要產(chǎn)物是環(huán)戊烷衍生物的分解產(chǎn)物，而這些環(huán)戊烷是由環(huán)己烷經(jīng)異構(gòu)生成的。

雙環(huán)環(huán)烷烴在加氫裂化時(shí)，首先發(fā)生一個(gè)環(huán)的異構(gòu)化生成五員環(huán)衍生物而后斷環(huán)。雙環(huán)環(huán)烷烴是依次開環(huán)的，首先是一個(gè)環(huán)斷開并進(jìn)行異構(gòu)化，生成環(huán)戊烷衍生物，當(dāng)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，第二個(gè)環(huán)也發(fā)生斷裂。

c芳香烴的加氫裂化反應(yīng)

苯在加氫條件下的反應(yīng)包括以下過程：苯加氫生成的六員環(huán)發(fā)生異構(gòu)化，五員環(huán)開環(huán)和側(cè)鏈斷開。稠環(huán)芳烴加氫裂化也包括以上過程，只是它的加氫和斷環(huán)是逐次進(jìn)行的。從熱力學(xué)角度看，稠環(huán)芳烴第一個(gè)環(huán)加氫較容易，全部芳環(huán)加氫很困難。

3 裝置組成及設(shè)計(jì)原理

3.1 裝置組成

裝置由硬件和軟件組成，關(guān)系見圖1，DCS系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)組成，DCS系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)知名品牌浙江中控的產(chǎn)品,是和真實(shí)工廠中使用相同的控制系統(tǒng)，通過該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的測(cè)量、控制和監(jiān)控功能。仿真軟件系統(tǒng)是通過數(shù)學(xué)模型利用數(shù)據(jù)運(yùn)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物料的屬性，仿真系統(tǒng)具有操作能力靈活性、參數(shù)更改便捷性及模擬多樣性等優(yōu)點(diǎn)。裝置硬件就是實(shí)體部分，包含設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)儀表部分。具體敘述如下：所有設(shè)備以工廠主裝置為背景，涵蓋了工業(yè)上常減壓裝置中的主要塔器、儲(chǔ)罐、反應(yīng)器、機(jī)泵、風(fēng)機(jī)等組成。常減壓實(shí)體仿真裝置外部形狀和真實(shí)工廠中設(shè)備外部形狀形狀大體一樣，但是按比例縮小，從整體的布局合理及設(shè)備協(xié)調(diào)為原則，設(shè)備的縮小比例不完全相同。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻泵及電加熱管。本裝置中使用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥選用工業(yè)中真實(shí)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，因此調(diào)節(jié)精度、外形及使用要求均和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致。儀表壓縮氣源的要求也和煉化企業(yè)中的儀表氣源要求相一致。檢測(cè)儀表采用工業(yè)用真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表及遠(yuǎn)傳儀表，使學(xué)生認(rèn)識(shí)各種檢測(cè)儀表，結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)并感知其重要性?，F(xiàn)場(chǎng)儀表(包括現(xiàn)場(chǎng)和集中控制儀表)采用和工業(yè)上真實(shí)的柴油加氫裝置的儀表相一致，增加儀表方面的真實(shí)性。

裝置的軟件部分由DCS控制系統(tǒng)和仿真軟件組成，DCS控制系統(tǒng)采用真實(shí)工業(yè)相一致的系統(tǒng)，即可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況， 操作站實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整有關(guān)配置和某些參數(shù)設(shè)定，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)。還能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)裝置的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)趨勢(shì)瀏覽和報(bào)表分析、報(bào)警查詢等特殊功能。

仿真軟件系統(tǒng)由軟件操作平臺(tái)及數(shù)學(xué)模型組成，針對(duì)工業(yè)中柴油加氫流程中難以用替代物料模擬部分，從流態(tài)平衡的過程，對(duì)每一設(shè)備進(jìn)出的物料，嚴(yán)格按照物料平衡和能量平衡的原則進(jìn)行仿真計(jì)算，并輸出瞬時(shí)結(jié)果。為了保證仿真軟件模擬工藝操作過程的開、停車、正常運(yùn)行、負(fù)荷調(diào)節(jié)、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)、故障狀態(tài)操作及控制的高逼真性，仿真設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)模型能反映出系統(tǒng)物料和能量的變化與傳遞的定量關(guān)系；反應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)的物理化學(xué)變化的規(guī)律，如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征、氣液平衡特征、流體力學(xué)特性等；動(dòng)態(tài)模型反映工業(yè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)、慣性、時(shí)間滯后、多容高階段性等特性；動(dòng)態(tài)模型的求解速度達(dá)到實(shí)時(shí)要求、求解精度應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 裝置組成

3.2 裝置設(shè)計(jì)原理

在真實(shí)的工廠中，實(shí)物組成大體可以分為三類，即物料、設(shè)備、儀表。設(shè)備對(duì)物料進(jìn)行加熱、冷卻或者物料自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，物料經(jīng)過裝置時(shí)使測(cè)量?jī)x表(溫度儀表、壓力儀表、液位儀表、流量?jī)x表)的數(shù)值發(fā)生變化，操作者通過現(xiàn)場(chǎng)操作閥門(自動(dòng)調(diào)節(jié)閥或者現(xiàn)場(chǎng)手閥)操作改變物料的性質(zhì)。進(jìn)而使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期目的(原理見圖2)。所以真實(shí)工廠中的危險(xiǎn)根源是物料，儀表對(duì)物料性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換后在儀表上顯示數(shù)值。所以只要有信號(hào)源，測(cè)量?jī)x表上均可以顯示出數(shù)值。因此，我們利用替代物料及仿真軟件代替真實(shí)物料，通過替代物料及仿真軟件運(yùn)行提供給測(cè)量?jī)x表的信號(hào)源，并且通過DCS中央集控系統(tǒng)處理后，使操作者對(duì)設(shè)備的操作可能會(huì)引起測(cè)量?jī)x表的數(shù)值變化，并且儀表的顯示數(shù)值和真實(shí)企業(yè)中的運(yùn)行參數(shù)基本吻合，再有，此裝置中主體運(yùn)行替代物料，能給操作者真實(shí)的感覺和視覺體驗(yàn)，增加裝置運(yùn)行的工廠化和真實(shí)性。(原理見圖3)。

圖2 工廠中參數(shù)關(guān)系

圖3 仿真裝置中參數(shù)關(guān)系

從圖3可以看出，替代物料和仿真軟件承擔(dān)起真實(shí)物料的作用，學(xué)生在工廠中實(shí)習(xí)最重要的環(huán)節(jié)是現(xiàn)場(chǎng)操作部分，前已述及真實(shí)的化工廠是禁止學(xué)生操作的，而當(dāng)我們利用替代物料和仿真軟件時(shí)可以真實(shí)的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作，現(xiàn)場(chǎng)操作包含對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作手閥、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥(氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥)、加熱功率等?，F(xiàn)場(chǎng)的操作反饋回儀表，進(jìn)而儀表顯示數(shù)值發(fā)生變化。

4 裝置特點(diǎn)

裝置設(shè)計(jì)是以工業(yè)上真實(shí)的原油常減壓生產(chǎn)裝置為原型，按一定比例比例縮小而制成。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮了裝置的安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。具體特點(diǎn)為：

4.1 操作對(duì)象真實(shí)化

裝置以工廠真實(shí)裝置為背景，全程采用替代物料運(yùn)行，裝置操作過程完全真實(shí)，真實(shí)體現(xiàn)柴油加氫企業(yè)工廠中的操作過程，操作崗位分工和真實(shí)企業(yè)一致，具體分為內(nèi)操和外操，操作過程和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一致。

4.2 對(duì)象背景工廠化

以柴油加氫裝置對(duì)象背景，以主物料工藝流程為基礎(chǔ)，可整體或單元運(yùn)行。并結(jié)合職業(yè)教育的教學(xué)大綱要求，設(shè)計(jì)一定量的可視設(shè)備，以便設(shè)備解剖、認(rèn)識(shí)掌握設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，全流程替代物料，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物感，避免一線生產(chǎn)過程中存在的安全隱患。同時(shí)，設(shè)備、儀表等選用要求多元化形式。裝置中適量的采用工廠中真實(shí)使用儀表、閥門，使學(xué)生認(rèn)識(shí)各種顯示儀表，學(xué)會(huì)使用調(diào)節(jié)器并感知其重要性，可允許學(xué)生對(duì)儀表、閥門等進(jìn)行仿真隨意性調(diào)節(jié)。

4.3 DCS控制系統(tǒng)工業(yè)化

采用真實(shí)工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的DCS控制系統(tǒng)，配備標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)柜機(jī)，可進(jìn)行DCS組態(tài)與控制實(shí)驗(yàn)，具有系統(tǒng)信號(hào)連鎖保護(hù)功能，當(dāng)工藝設(shè)備出現(xiàn)超壓、超溫等異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)安全停車，對(duì)溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行控制。

調(diào)節(jié)閥選用工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)對(duì)儀表測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，DCS儀表上顯示數(shù)據(jù)和工業(yè)裝置的柴油加氫裝置真實(shí)操作數(shù)據(jù)基本相符。裝置可以進(jìn)行手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示過程數(shù)據(jù)，有工控柜，接入DCS系統(tǒng)，進(jìn)行DCS控制。

4.4 考核系統(tǒng)公平透明化

裝置配有評(píng)分說明及自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，整體裝置對(duì)操作者的操作步驟、控制精度、故障處理等全過程進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分(其中手閥帶有閥位信號(hào)反饋器，操作者的對(duì)手動(dòng)閥門的操作及時(shí)反饋至DCS系統(tǒng))。保證考核過程的公正、公平、合理性。

4.5 教學(xué)目的廣泛性

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮化工類專業(yè)、機(jī)械類專業(yè)、儀表及自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)，選型時(shí)要求同類設(shè)備多樣化，并兼顧設(shè)備的經(jīng)典性和先進(jìn)性。

5 束語

本裝置以工廠真實(shí)柴油加氫裝置為背景，結(jié)合實(shí)際工廠的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和工廠控制系統(tǒng)，達(dá)到高校在校學(xué)生實(shí)習(xí)需求，石油化工企業(yè)新員工入職培訓(xùn)及老員工技能考核的目的。

(本文文獻(xiàn)格式：王 英 .新型柴油加氫實(shí)物仿真裝置[J].山東化工，2016，45(04)：108-110.)

Advanced Physical Simulation Device of Diesel Oil Hydrogenation

Wang Ying

(Zhejiang SUPCON Scientific Instrument and Equipment Limited Company,Hangzhou 310053,China)

The physical simulation device for diesel oil hydrogenation is described in this paper,equipment scaling down to plant the real device as the background, alternative materials through the whole process ,Control system using real enterprise,to realization function of college students and enterprise personnel training and assessment.

diesel oil hydrogenation；petroleum and chemical industry；high risk industry；simulation software

2016-01-14

王 英(1978—)，女，遼寧康平人，工藝設(shè)計(jì)工程師，碩士學(xué)位，從事教學(xué)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)

TE626.24;TP391.9

A

1008-021X(2016)04-0108-03