張保童 曹艷梅(陜西延長石油榆林煉油廠聯(lián)合二車間,陜西 榆林 718500)

催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)仿真模擬

張保童 曹艷梅(陜西延長石油榆林煉油廠聯(lián)合二車間,陜西 榆林 718500)

催化裂化反應(yīng)是石油化工工藝中將重質(zhì)油輕質(zhì)化的重要方法，整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況對(duì)于工藝系統(tǒng)加工能力和設(shè)備的規(guī)模都有著重要的影響。因此，對(duì)于催化裂化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方面的分析研究，具有重要的意義。以模擬的組分模型作為催化裂化再生反應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過多穩(wěn)態(tài)特征開展催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型仿真模擬，模擬的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況較為一致。

催化裂化；反應(yīng)再生系統(tǒng)；穩(wěn)態(tài)模型；換熱器

石油是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，不論是國防工業(yè)還是日常生活需求，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，都離不開石油[1]。石油通過煉制可得到數(shù)百種產(chǎn)品，根據(jù)不同的用途可以分為四大類：(1)燃料類，例如汽油、柴油、煤油等；(2)潤滑油和潤滑脂，用于減少機(jī)械設(shè)備磨損；(3)各類化工產(chǎn)品，其余化工工藝的原材料或中間體；(4)瀝青和蠟等。諸多種類的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與社會(huì)各個(gè)行業(yè)，給人們的生活提供了極大的保證，滿足人們的生活需求[2]。

從地下開采出的原油需要進(jìn)行加工，從而得到各類產(chǎn)品，其中燃料類主要是通過一次和二次加工得到，化工產(chǎn)品則是需要進(jìn)行三次加工而得到。石油煉化過程常見的加工工藝有減壓蒸餾、熱裂化、催化裂化、加氫裂化等[3]。隨著國家對(duì)燃油質(zhì)量提出了更高的要求，為提升燃油品質(zhì)，石油煉化加工工藝中催化裂化工藝在原料油轉(zhuǎn)化、增加輕質(zhì)油轉(zhuǎn)化率和品質(zhì)方面也提出了更高的要求。

催化裂化裝置是石油煉制中極為關(guān)鍵的技術(shù)工藝設(shè)備，其中主要包括反應(yīng)再生系統(tǒng)、分餾極原料油預(yù)熱、輕質(zhì)油精煉等幾個(gè)部分。催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)很大程度上聚到了煉制的效果，因此也可以認(rèn)為反應(yīng)再生系統(tǒng)決定了煉油廠的生產(chǎn)效益。對(duì)催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的研究，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有極為重要的意義。

1 組分模型概述

原油組分復(fù)雜多樣，在煉制過程發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)成一個(gè)極為復(fù)雜的催化裂化反應(yīng)體系。準(zhǔn)確的描述反應(yīng)過程物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)是催化裂化反應(yīng)數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵所在，Weekman等人在集總理論的基礎(chǔ)上提出了三集總動(dòng)力學(xué)模型，將原料油和油氣產(chǎn)物劃分為原料油集總、汽油集總和(焦炭＋石油裂化氣)集總。之后又經(jīng)過研究分析，提出了十集總動(dòng)力學(xué)模型，將反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)更進(jìn)一步詳細(xì)的劃分，更為精確的描述了催化裂化的反應(yīng)模型過程。

本研究采用某煉油廠實(shí)際原料蒸餾數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，按照原料油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾，將原料油劃分成9個(gè)假組分，見表1。

表1 原料油沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)

2 反應(yīng)再生系統(tǒng)模型建立

2.1 裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

催化裂化過程化學(xué)反應(yīng)體系非常復(fù)雜，因此不能通過單一的化合物動(dòng)力學(xué)特征來描述整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)姜浩和張家瑞等人提出的基準(zhǔn)假組分模型，催化裂化過程Ci裂化成其它假組分Cm和Cn以及焦炭，反應(yīng)方程式如式1。

式中:αi,m,n為碳原子質(zhì)量，βi,m,n為氫原子質(zhì)量。

2.2 提升管反應(yīng)器模型

一般的提升管反應(yīng)器包括：原料霧化、氣固混合、裂化反應(yīng)、出口冷卻等工藝，基本上全部的裂化反應(yīng)都是在提升管中進(jìn)行。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可得到原料油和油氣組分的提升管內(nèi)的裂化反應(yīng)物料平衡方程，見式2。

式中:Fi為提升管內(nèi)各假組分裂化反應(yīng)過程生成的焦炭中碳原

子和氫原子的質(zhì)量流率，kg/s。

2.3 再生器建模

再生器內(nèi)的反應(yīng)是一個(gè)穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，符合壓力平衡、能量守恒和質(zhì)量定律。在分析清楚各個(gè)反應(yīng)關(guān)聯(lián)的聯(lián)系后，還需要考慮到燃燒空氣、氣體混合物的評(píng)價(jià)熱熔。因此，推導(dǎo)計(jì)算得到氣體混合物平均熱熔和在溫度T下各氣體成分的計(jì)算公式，見式3。

通過對(duì)全部催化裂化分離出來的氣體并返回都密相區(qū)中，煙氣的組成等于稀相區(qū)氣體的組分。結(jié)合再生氣能量和質(zhì)量守恒，建立反應(yīng)再生系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。

3 結(jié)語

基于假組分模型建立了催化裂化反應(yīng)再生的數(shù)學(xué)模型，并采用煉油廠的實(shí)際數(shù)據(jù)繼續(xù)分析驗(yàn)證，通過對(duì)比分析，油氣的產(chǎn)品實(shí)際產(chǎn)率與分析模型中得到的結(jié)果較為吻合，建立的模型與實(shí)際生產(chǎn)狀況相符合。

[1]康明艷,李釩,伍麗娜.重油催化裂化反應(yīng)-再生系統(tǒng)的熱平衡控制[J].天津化工,2017，(02):16-19.

[2]謝朝鋼,魏曉麗,龔劍洪，等.催化裂化反應(yīng)機(jī)理研究進(jìn)展及實(shí)踐應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工),2017，(02):189-197.

[3]戴薇薇,謝恪謙,張星，等.催化裂化裝置熱量匹配優(yōu)化與節(jié)能[J].中外能源,2017，(03):86-90.

張保童(1984-)，男，陜西安塞人，延安大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，石油煉制工程師，注冊(cè)安全工程師，長期從事重油催化裂化工藝、煙氣脫硫脫硝安全環(huán)保等方面的研究工作。