李 琦, 張驚端, 邵 誠

(大連理工大學(xué)遼寧省工業(yè)裝備先進控制系統(tǒng)重點實驗室,遼寧大連 116024)

催化裂化反再系統(tǒng)動態(tài)建模與仿真研究

李 琦, 張驚端, 邵 誠

(大連理工大學(xué)遼寧省工業(yè)裝備先進控制系統(tǒng)重點實驗室,遼寧大連 116024)

催化裂化是以重油為原料,反應(yīng)生成輕質(zhì)油產(chǎn)品的一項重要煉油工藝。針對并列式雙器兩段再生新工藝,建立了反應(yīng)再生系統(tǒng)的動態(tài)機理數(shù)學(xué)模型,由5集總反應(yīng)動力學(xué)模型和并列式雙器兩段再生器模型構(gòu)成。采用Marquardt改進算法進行動態(tài)模型參數(shù)估計,利用4階Runge-Kutta法對模型求解,得到了各集總組分分布圖及主要變量穩(wěn)態(tài)值。仿真結(jié)果表明,該模型具有較高的精度,為反應(yīng)再生系統(tǒng)的先進控制和操作優(yōu)化提供了支持。

催化裂化; 反再系統(tǒng); 機理建模; 動態(tài)仿真

催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)是催化裂化裝置中的核心設(shè)備,工藝流程復(fù)雜,具有高耦合,非線性等特點,是催化裂化裝置動態(tài)建模與仿真的難點之一。在反應(yīng)器建模方面,集總理論的提出為催化裂化這樣的復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)研究開辟了新道路[1-8]。自20世紀60年代,Weekman V M等[1]最先提出了餾分油催化裂化三集總反應(yīng)動力學(xué)模型以來,研究者提出了經(jīng)典的5集總模型[2],渣油裂化的6集總模型[3],以及進一步細分的35集總[4],50集總模型[5]。同時,再生器的新工藝也取得了很大的進展。兩段再生新工藝可以有效地改善催化劑在再生器中的停留時間分布,已成為提高再生效果的主要技術(shù)之一。同傳統(tǒng)的單段再生器模型相比,兩段再生工藝機理更加復(fù)雜,原有單段模型不能簡單套用[9-10]。為此,本文針對某石化企業(yè)并列式雙器兩段再生新工藝,建立了兩段再生式催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)模型,并對模型進行了驗證和動態(tài)仿真分析。

1 反應(yīng)-再生系統(tǒng)動態(tài)模型

1.1 工藝背景

某石化企業(yè)應(yīng)用的并列式雙器兩段再生的反再裝置如圖1所示,其反應(yīng)-再生系統(tǒng)由提升管反應(yīng)器和并列式雙器兩段再生器組成。原料和回?zé)捰突旌虾蟊粐娙胩嵘芡呋瘎┚鶆蚪佑|,迅速反應(yīng)上升至出口時,油氣與催化劑被分離。待生催化劑順序流過第一、第二兩段再生器進行燒焦再生。第一段再生是在較低的再生溫度(660～690℃)下將催化劑上的部分碳和全部氫燒掉,這樣就降低了第二再生器的水蒸氣汽分壓,雖然第二再生器溫度(720～760℃)比一再高很多,但由于基本上沒有水蒸氣存在,因而使催化劑免于水熱失活,能很好的保持催化劑的活性和選擇性。各段都有自己獨立供應(yīng)的主風(fēng),兩段煙氣不經(jīng)混合各自排出裝置。再生催化劑再回到反應(yīng)器中參與反應(yīng),依此循環(huán)。

Fig.1 Structure of FCCU with two-stage parallel regenerator圖1 并列式雙器兩段再生的反再裝置

1.2 提升管反應(yīng)器建模

考慮到集總數(shù)增加造成的復(fù)雜性和估算參數(shù)工作量倍增,本文選取5集總動力學(xué)模型[2],5集總反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。基于物料衡算、熱量衡算和裂化反應(yīng)動力學(xué),建立了5集總反應(yīng)動力學(xué)模型,對原料未轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品收率和催化劑含焦量,反應(yīng)溫度建立了模型。

Fig.2 FCCU five-lump reaction kinetic network圖2 催化裂化5集總反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

基本假設(shè):

(1)原料、柴油、汽油等3集總的反應(yīng)及催化劑活性為一級反應(yīng);

(2)提升管內(nèi)催化劑被油氣和水汽夾帶而上,空隙度接近1,忽略氣固兩相間的滑動,氣固兩相均以活塞流形式向上流動,忽略氣固物料在提升管內(nèi)的動態(tài)響應(yīng),無軸向返混和分散效應(yīng),生焦量對氣固兩相質(zhì)量流量的影響可忽略;

(3)提升管散失到大氣的熱量相對很小,認為反應(yīng)是絕熱過程;

(4)提升管內(nèi)的提升蒸汽量與油氣量及催化劑量相比可以忽略不計。

式中:yA,yD,yN,yG,C-以原料油量為基準的原料未轉(zhuǎn)化率,柴油收率,汽油收率,氣體收率,催化劑上催化焦含量,kg/kg;X-反應(yīng)器無因次長度;S T -空時,ST=(ΩraρoilxT)/Fo,Ωra為反應(yīng)器截面積, m2;b-劑油比;Φ(tc)-催化劑生焦降活速率函數(shù),Φ (tc)=1/(1+βtγc),取β=162.15,γ=0.76,tc為催化劑停留時間,h;ΔHAR,ΔHDR,ΔHNR,ΔHAA-原料油裂化反應(yīng)熱、柴油裂化反應(yīng)熱、汽油裂化反應(yīng)熱、焦炭吸附的放熱量,kJ/kg。

1.3 并列式雙器兩段再生器建模

針對并列式雙器兩段再生裝置新工藝,基于物料衡算、熱量衡算和再生反應(yīng)動力學(xué),建立了兩段再生器模型,對催化劑含碳量、催化劑含氫量和再生溫度建立動態(tài)模型,而對煙氣組成建立穩(wěn)態(tài)模型?？紤]密相床結(jié)構(gòu)和流化狀況,一段再生器采用兩個CSTR串聯(lián)模型進行模擬,二段再生器密相床采用一個虛擬的CSTR模型進行模擬。新模型和原有的一段再生工藝模型相比更加復(fù)雜,由7個微分方程和2個穩(wěn)態(tài)方程構(gòu)成,考慮了煙氣中CO/CO2對結(jié)果的影響。

1.3.1 第一段再生器動態(tài)模型 基本假定:

①燒焦反應(yīng)按燒焦反應(yīng)動力學(xué)控制;

②燒焦反應(yīng)主要產(chǎn)物為CO2,CO和H2O,各級出口煙氣具有相同的CO/CO2;

③忽略氣體、催化劑固體顆粒和熱量的徑向分散效應(yīng);

④待生催化劑上焦炭中碳氫比恒定;

⑤忽略燒焦反應(yīng)對氣體摩爾流率及性質(zhì)的影響,均采用主風(fēng)的流率和性質(zhì);

⑥稀相段只起到分離煙氣和催化劑的作用,所有反應(yīng)都只在密相段中進行。

1.3.2 第二段再生器動態(tài)模型 基本假定:

同第一段再生模型假設(shè)基本相同,但由于氫在一再中已燒盡,二再中是完全再生,燒焦產(chǎn)物中只有CO2。

式中:Crg—催化劑含碳量,%;Hrg—催化劑含氫量,%;yrg—出口煙氣含氧摩爾分數(shù),%;Trg—再生器溫度,K;η—氫碳質(zhì)量比,kg/kg;α—煙氣中CO和CO2的體積比,mol/mol;Vrg—主風(fēng)摩爾流率, kmol/s。符號中第1個數(shù)字下標表示再生器序號,第2個數(shù)字下標表示CSTR序號。

2 動力學(xué)參數(shù)優(yōu)化估計

在提升管反應(yīng)器的模型中,存在有未知的動力學(xué)參數(shù)kAD0,kAN0,kAG0,kAC0,kDN0,kDG0,kDC0,kNG0。本文選擇Marquardt改進算法來估計動力學(xué)參數(shù)[11],將參數(shù)的估計問題轉(zhuǎn)化成非線性函數(shù)的優(yōu)化問題,優(yōu)化目標就是使模型預(yù)測收率和實際收率的誤差平方和最小:

k=[kAD0,kAN0,kAG0,kAC0,kDN0,kDG0,kDC0,kNG0]T,ycal(k)為預(yù)測收率,yobs為實際收率,i為數(shù)據(jù)樣本數(shù),i=1,2,…,N,j為收率組分數(shù),j=1,2,…,5。

為減少目標函數(shù)復(fù)雜性,在k0處對非線性的進行近似的一階泰勒展開,k0初值由專家經(jīng)驗得出較合理的值:▽kycal(k0)為函數(shù)ycal(k)在k0處的梯度且Δk=kk0,將(18)式代入(17)式中,得:

由此目標函數(shù)最優(yōu)問題成為了無約束凸二次優(yōu)化模型,其最優(yōu)性條件為▽kS(k)=0,整理可得:

Λij,由(20)可得A·Δk=B。

由此解出Δk值,得到新的k′=k0+Δk,作為初值繼續(xù)迭代直至收斂。為了改善速率常數(shù)收斂的穩(wěn)定性和降低對初值的要求,對M arquardt算法進行改進,加入阻尼因子d,依據(jù)目標函數(shù)的收斂性對其值進行調(diào)整。

利用表2中工業(yè)數(shù)據(jù)進行參數(shù)估計,得到的動力學(xué)參數(shù)值如表1所示。

3 動態(tài)仿真結(jié)果及分析

3.1 動態(tài)模型的檢驗

采用4階Runge-Kutta法對建立的5集總提升管反應(yīng)器動態(tài)模型求解,得出原料油氣在提升管反應(yīng)器內(nèi)流動方向的各個集總組分分布圖,如圖3所示。5集總模型預(yù)測收率與實際收率比較如圖4所示。同時,利用某石化公司的催化裂化裝置在不同操作條件下的實際收率數(shù)據(jù)對模型進行驗證,如表2所示。

表1 裂化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)計算表Table 1 The kinetic constant values of cracking reaction

表2 某催化裂化裝置實際收率與模型計算結(jié)果誤差對比Table 2 The comparison of the FCCU process component data and the calculated data of themodel

從表2中可以看出,模型計算的輕油收率和實測比較誤差很小,從圖4中也可以看出,最大相對誤差值較小,符合一般催化裂化對模型精度的要求[12]。

兩段再生器的仿真結(jié)果如表3所示。仿真結(jié)果同設(shè)計數(shù)據(jù)相近[12],而且從表3可看出兩段再生新工藝使一再催化劑上含氫量趨近于0,和單段再生相比,催化劑上的含碳量大大降低了,提高了再生效果。

Fig.3 Axial distribution of lump components in riser圖3 反應(yīng)器各集總組分收率分布曲線

Fig.4 Comparison of simulated data and real data of five-lump dynam ic mecham ism圖4 5集總模型預(yù)測收率與實際收率比較

表3 并列式兩段再生器主要變量的穩(wěn)態(tài)值Table 3 Steady-state values of two-stage parallel regenerator’s key variables

3.2 動態(tài)仿真結(jié)果分析

基于上述反再系統(tǒng)動態(tài)機理模型,當(dāng)一再主風(fēng)減少5%時,動態(tài)仿真結(jié)果如圖5所示。在本文中一再主風(fēng)剩余量較大,所以選擇減少一再主風(fēng)量。從圖5可以看出,一再主風(fēng)的降低,減少了其帶走的熱量,同時減少了催化劑循環(huán)量,使一、二段再生溫度升高。由于再生部分的溫度升高,燒焦反應(yīng)進行的更加劇烈,使得催化劑上的C含量,H含量相應(yīng)減少。風(fēng)量過低可能會導(dǎo)致燒焦所需的氧氣不足,出口煙氣的氧含量降低,流化不正常。因此要合理的控制主風(fēng)量。

Fig.5 Effects on regenerator variables when first stage air rate reduce 5%圖5 一再主風(fēng)減小5%對再生器各變量的影響

[1] Weekman V M.A model of catalytic cracking conversion in fixed,moving and fluid-bed reactors[J].Ind.eng.chem. p rod.res.,Dev.,1968,7:90-95.

[2] 羅雄麟,袁璞,林世雄.催化裂化裝置動態(tài)機理模型Ⅰ反應(yīng)器部分[J].石油學(xué)報:石油加工,1998,14(1):1-4.

[3] Jacob SM,GROSSB,Voltz SE,et al.A lumping and reaction scheme fo r catalytic cracking[J].A IChE journal,1976, 22(4):701-713.

[4] Hernandez-Barajas JR,Vazquez-Roman R,Felix-Flo res M G.A comp rehensive estimation of kinetic parameters in lumped catalytic cracking reaction models[J].Fuel,2009,88(1):169-178.

[5] Gupta R K,Kumar V,Srivastava V K.A new generic app roach for themodeling of fluid catalytic cracking(FCC)riser reactor[J].Chemical engineering science,2007,62(17):4510-4528.

[6] LAN X Y,XU C M,WANG G,et al.CFD.Modeling and parameter estimation in reaction in two-stage riser FCC reacto rs[J].Chemical engineering science,2009,64(17):3847-3858.

[7] ZHOU H Q,WANG Y,W EI F,et al.Kinetics of the reactions of the light alkenes over SAPO-34[J].App lied catalysis a-general,2008,348(1):135-150.

[8] ARAUJO-MONRO C,LOPEZ-ISUNZA F.Modeling and simulation of an industrial fluid catalytic cracking riser reacto r using a lump-kinetic model for a distinct feedstock[J].Industrial&engineering chemistry research,2006,88 (1):111-118.

[9] 黃景成.催化裂化的兩段再生及在國內(nèi)的應(yīng)用[J].石油煉制與化工,2004,35(4):34-37.

[10] King D F.Estimation of dense bed voidage in fast and slow fluidized beds of FCC catalyst Fluidized V I[C]// Proceedingsof the international conference on fluidization.New Yo rk:[s.n.],1989:1-8.

[11] 丁福臣,周志軍,李興.催化裂化五集總動力學(xué)模型參數(shù)估計[J].煉油設(shè)計,2005,5(4):52-55.

[12] 陳俊武,曹漢昌.催化裂化工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,1995.

(Ed.:W YX,Z)

Dynamic Modeling and Sim ulation of FCCU Reacto r-Regenerato r System

L IQi,ZHANG Jing-duan,SHAO Cheng
(The L iaoning Key Lab of A dvanced Control Systems for Industry Equipments,Da lian University of Technology,Dalian L iaoning 116024,P.R.China)

19 July 2010;revised 20 October 2010;accepted 29 October 2010

Fluid Catalytic Cracking Unit(FCCU)is one of the most important p rocesses in a refinery,w hich converts molecular-weight gas oils into lighter hydrocarbon p roducts.The mechanistic dynamic model was developed fo r the FCCU reactor-regenerator system,w hich was composed of the five-lump dynamic mechanism model and the two-stage regenerator model.The Marquardt algorithm was adop ted to evaluatemodel parameters,and fourth o rder Runge-Kuttamethod was used fo r the equations.A xial distribution of lump components in riser and key steady-state variable values were obtained.The results show that the model can describe the p roducts rate w ith satisfied accuracy and can be used directly fo r the advanced control and p rocess op timization.

Catalytic Cracking;Reacto r-regenerato r system;mechanism model;Dynamic Simulation

.Tel.:+86-411-84707577;fax:+86-411-84707577;e-mail:qili@dlut.edu.cn

TP273

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.04.021

1006-396X(2010)04-0089-05

2010-07-19

李琦(1979-),男,湖南邵東縣,講師,博士。

國家973資助項目(2007CB714006);中央高?；究蒲匈Y助項目(893360)。