工业加氢裂化反应过程的动态特性研究

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1、工业加氢裂化反应过程的动态特性研究罗少兰1*基金项目：国家基金青年基金资助项目，项目编号：21106120通讯联系人：罗少兰，Tel：0592-6052428；E-mail：westmaple@126.com，研究方向：计算机模拟与应用周华2(1.厦门海洋职业技术学院信息系计算机教研室，福建厦门361100；2.厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系，福建厦门361005)摘要在以前研究工作即加氢裂化反应器稳态模型的基础上，建立了加氢裂化过程的动态数学模型。并根据反应器的特征采用分段离散化的方法对模型进行

2、简化求解，然后在计算机上利用MATLAB平台结合不同工况的操作数据对模型进行验证分析。最后采用此模型分析了加氢裂化反应器的动态特性，改变进料流量、进料温度以及冷氢进料量得到各段床层出口温度和产品产率的变化情况。结果表明，所建立的模型能够较好反映加氢裂化装置性能且能较好的预测加氢裂化产品的收率分布及反应器的温度分布的变化情况，模拟结果与实际操作状况分析一致。关键词：加氢裂化；动态特性；数学建模；计算机模拟中图分类号：O643.32文献标识码：A1引言随着石油资源的匮乏和环保呼声的日益高涨，加氢裂化工艺可使用劣

3、质的原料来生产优质的轻质油,因此越来越受到人们的重视[1]。为了提高加氢裂化技术水平、增加工程设计的可靠性、优化操作参数、指导工业装置生产，已经有大量的文献对加氢裂化进行模拟研究，其成果主要体现在集总动力学方面的研究。文献[2]将国外针对集总动力学方面的研究进行了综述，国内赵劲松等人[3]采用产品集总的方法建立加氢裂化的动力学模型，文献[4]针对加氢精制的脱氮动力学进行了详细的研究。为了使模拟更加贴合实际过程，我们也结合加氢裂化反应器装置的特点，综合考虑了加氢脱硫、加氢脱氮和加氢裂化反应的情况，已建立了更加

4、符合实际情况的加氢裂化反应器的数学模型[5]。上述对加氢裂化过程的模拟均只考虑稳态的情形，由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程总存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。这都将会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向新的平衡发展。在变化过程中，工业过程最为关心的问题是[6]：（1）整个系统产生多大的影响，产品质量、产量会有多大的波动；（2）有无发生危险的可能、可能会导致哪些危害、危害程度；（3）一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整；（4）干扰波动持续时间多久，克服干扰、波动到系统恢复正常需要多

5、长时间；（5）开停车的最佳策略。上述问14题稳态模拟难以解决的，而必须由化工过程动态模拟来处理。为此，Ancheyta针对加氢精制过程的动态建模与模拟进行了研究[7-8]，但是并未涉及到加氢裂化过程。李镭等[9]采用人工神经网络与偏最小二乘技术相结合的方法建立了重油加氢裂化过程的动态模型。为了更好的分析加氢裂化过程的动态特性，本文采用机理建模的方法得到加氢精制及加氢裂化过程的动态数学模型，并在计算机上利用MATLAB平台对该模型进行求解，实现该过程的动态模拟。2过程描述本文以减压馏分油（VGO）的加氢裂化反

6、应器为对象，其流程如图1所示。其原料经过加热炉加热后送入加氢精制反应器，加氢精制反应器主要将原料油进行脱除硫、氮化合物以及原料油中的金属。然后再进入裂化段进行裂化反应，生成产物。经过精制和裂化后的产物在加氢裂化主分馏塔中分离得到柴油、航空煤油、重石脑油、轻石脑油和气体等产品，为转化的油品在主分馏塔底部循环到原料油罐进行继续反应。整个反应装置可分为加氢精制段和加氢裂化段，其中精制段分两段床层，裂化段分四段床层，实际操作过程中在各段床层之间通入冷氢为反应过程提供氢气，由于该反应为放热反应，冷氢的加入还控制其反应

7、温度。图1加氢裂化装置简图Fig.1Flowsheetofthehydrocrackingreactor3反应过程动态数学模型加氢裂化采用减压馏分油为原料，其组分相当复杂，为简化该过程的模型，按照文献[5]的假设对该过程进行简化。然后考虑反应器中物料和能量的存储性，并假定组分和温度14变化只发生在轴向位置，忽略径向位置的积累。分别根据物料平衡、能量平衡、反应动力学方程对反应器内的微元段建立平衡方程。3.1加氢精制段动态模型（1）物料平衡方程：∂wN∂t+u0∂wN∂l=-kN0rNwN（1）∂wi∂t+u0

8、∂wi∂l=0.1-kiwi+j=i+1nPijkjwj（2）∂ws∂t+u0∂ws∂l=-ks0rsws（3）（2）能量平衡方程：∂T∂t+u0∂T∂l=i=1n0.1kiwi-HRi+kN0rN-HN+ks0rs-HsGH2,hCpH2+i=1nGwiCpi(4)3.2加氢裂化段动态模型（1）物料平衡方程：∂wi∂t+u0∂wi∂l=-kiwi+j=i+1nPijkjwj（5）（2）能量守恒：∂Tc∂t+u0