柴油加氫工藝動(dòng)態(tài)仿真研究與應(yīng)用

宋文禧，殷利奇，吳 罡

（中國石油蘭州石化公司，甘肅蘭州 730060）

柴油加氫工藝是精制柴油生產(chǎn)中非常重要的工藝過程，通過加氫反應(yīng)控制柴油內(nèi)含氮量以及含硫量，并經(jīng)分餾處理形成硫含量低于10×10-6標(biāo)準(zhǔn)的精制柴油產(chǎn)品。以往工藝研究中對(duì)油品組成的表征方法以虛擬組分法為主，但所形成柴油組分構(gòu)成相對(duì)粗糙，無法滿足全流程動(dòng)態(tài)仿真的需求。為改進(jìn)這一問題，本文提出一種基于實(shí)組分的工藝研究方法，并對(duì)柴油加氫工藝的動(dòng)態(tài)仿真問題進(jìn)行研究與分析，取得了比較滿意的效果。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 反應(yīng)機(jī)理

界區(qū)待精制柴油與混合氫混合后在反應(yīng)進(jìn)料加熱爐中加熱至預(yù)設(shè)溫度，混合物料經(jīng)充分預(yù)熱后在加氫精制反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行加氫反應(yīng)，出料通過換熱器降溫并在分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離，以分離輕組分，并對(duì)未反應(yīng)氫氣進(jìn)行循環(huán)再利用。經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)升壓處理后混合新補(bǔ)充氫氣，再次參與加氫反應(yīng)流程。重組分則經(jīng)分餾塔進(jìn)行分流處理，塔底產(chǎn)出經(jīng)加氫精制處理。

1.2 原料油蒸餾曲線模型

煉油過程中石油組分構(gòu)成復(fù)雜且多變，原料油性質(zhì)通常利用ASTMD86蒸餾曲線進(jìn)行描述，蒸餾曲線0%條件下對(duì)應(yīng)溫度為154.0℃，蒸餾曲線10%條件下對(duì)應(yīng)溫度為235.0℃，蒸餾曲線30%條件下對(duì)應(yīng)溫度為255.0℃，蒸餾曲線50%條件下對(duì)應(yīng)溫度為274.0℃，蒸餾曲線70%條件下對(duì)應(yīng)溫度為305.0℃，蒸餾曲線90%條件下對(duì)應(yīng)溫度為342.0℃，蒸餾曲線100%條件下對(duì)應(yīng)溫度為370.0℃。考慮到在應(yīng)用實(shí)組分法對(duì)柴油構(gòu)成進(jìn)行表述時(shí)以實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線為依據(jù)，因此需采取一定方法對(duì)上述ASTMD86標(biāo)準(zhǔn)蒸餾曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具體方法為：按照如式（1）所示方法對(duì)50%餾出體積分率條件下對(duì)應(yīng)溫度值進(jìn)行計(jì)算，然后再對(duì)其他各餾出體積點(diǎn)溫度值進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：蒸餾曲線0%條件下對(duì)應(yīng)溫度為134.5℃，蒸餾曲線10%條件下對(duì)應(yīng)溫度為217.2℃，蒸餾曲線30%條件下對(duì)應(yīng)溫度為252.7℃，蒸餾曲線50%條件下對(duì)應(yīng)溫度為281.2℃，蒸餾曲線70%條件下對(duì)應(yīng)溫度為319.2℃，蒸餾曲線90%條件下對(duì)應(yīng)溫度為359.4℃，蒸餾曲線100%條件下對(duì)應(yīng)溫度為403.5℃。

1.3 原料油實(shí)組分

根據(jù)以上有關(guān)實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，柴油組分構(gòu)成要素正常沸點(diǎn)區(qū)間在134.0～403.0℃，故選取C8～C23烷烴對(duì)柴油組分進(jìn)行描述。同時(shí)，考慮到反應(yīng)體系實(shí)際組分中已經(jīng)包含有芳烴組分，因此不額外選取。所構(gòu)成用于表征的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線實(shí)組分及其沸點(diǎn)如下：C8H18對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為125.7℃，C9H20對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為150.8℃，C10H22對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為174.2℃，C11H24對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為195.9℃，C12H26對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為216.3℃，C13H28對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為235.4℃，C14H30對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為253.5℃，C15H32對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為270.6℃，C16H34對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為286.8℃，C17H36對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為302.2℃，C18H38對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為316.7℃，C19H40對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為330.7℃，C20H42對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為343.8℃，C21H44對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為356.5℃，C22H46對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為368.6℃，C32H48對(duì)應(yīng)正常沸點(diǎn)為380.2℃。

1.4 實(shí)組分分率模型

在針對(duì)柴油加氫工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析與計(jì)算時(shí)，對(duì)進(jìn)料柴油組成分率的確定非常關(guān)鍵。具體思路是以實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)為依據(jù)，圍繞進(jìn)料柴油組成與沸點(diǎn)溫度構(gòu)建數(shù)學(xué)關(guān)系式，計(jì)算不同沸點(diǎn)條件下實(shí)組分所對(duì)應(yīng)百分比含量。定義沸點(diǎn)溫度為y，定義累積體積百分比為x，定義多項(xiàng)式系數(shù)為ai，定義指數(shù)項(xiàng)為i，則可用式（2）進(jìn)行描述。

在此基礎(chǔ)之上，利用原料油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線及其對(duì)應(yīng)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，結(jié)果顯示五次多項(xiàng)式擬合曲線與給定實(shí)際數(shù)據(jù)有良好吻合性，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。因此，根據(jù)圖1，將原料油實(shí)組分分率函數(shù)模型定義如式（3）所示。

圖1 五次多項(xiàng)式擬合曲線與實(shí)測值吻合性示意圖

2 模型求解

2.1 實(shí)組分求解

前文中式（3）以多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系對(duì)原料油實(shí)組分沸點(diǎn)溫度與餾出體積百分比間的關(guān)系進(jìn)行描述，已知式（3）中，y為沸點(diǎn)溫度，x為餾出體積百分比，故可以通過應(yīng)用隱式方程切線法的方式，對(duì)各個(gè)組分所對(duì)應(yīng)體積分率進(jìn)行計(jì)算求解，在此過程當(dāng)中定義第k次迭代計(jì)算結(jié)果為xk，對(duì)應(yīng)函數(shù)值為f(xk)，第k＋1次迭代計(jì)算結(jié)果為xk+1，對(duì)應(yīng)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)值為f ′(xk)，則可形成式（4）。

2.2 單元模型求解

在本文所研究動(dòng)態(tài)仿真分析過程當(dāng)中，所涉及到包括換熱器、閃蒸、壓縮機(jī)、精餾塔等單元模型均選用已開發(fā)通用動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)中數(shù)學(xué)模型，單元模型具體形式如下式（5）所示。

在復(fù)雜化工領(lǐng)域動(dòng)態(tài)仿真分析過程中，數(shù)學(xué)模型方程以非線性微分方程為主，經(jīng)迭代處理計(jì)算工程量較大，整體操作比較復(fù)雜，不適用于動(dòng)態(tài)仿真分析，故微分方程求解選用顯示歐拉法，在滿足初始條件“當(dāng)x=x0的情況下，y=y0”時(shí)，可用式（6）～（7）進(jìn)行描述。

3 結(jié)束語

本文圍繞柴油加氫工藝動(dòng)態(tài)仿真模擬中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，基于當(dāng)前組分確定方法存在的問題，提出一種建立在實(shí)組分基礎(chǔ)之上的動(dòng)態(tài)仿真過程模型，通過切線法迭代求解的方式得到柴油產(chǎn)品真實(shí)組分對(duì)應(yīng)組分分率，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)求解。最后通過對(duì)比蒸餾曲線模擬值與實(shí)測值的方式，驗(yàn)證了整套方法精確性，符合柴油加氫工藝過程設(shè)計(jì)需求，值得在實(shí)踐中推廣應(yīng)用。