楊小健，楊小龍，李榮雨

（南京工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

加氫裂化全流程模擬的集總轉(zhuǎn)換

楊小健，楊小龍，李榮雨

（南京工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

加氫裂化流程的復(fù)雜性使得對其進(jìn)行的模擬很難達(dá)到指定的精度。反應(yīng)部分與分餾部分處于同一模型中，但是分別適合于兩種不同的集總，使用同一集總則會(huì)降低模擬精度。本文提出了集總轉(zhuǎn)換的思想，對反應(yīng)器出料的蒸餾曲線進(jìn)行插值、切割和歸一化運(yùn)算，結(jié)合出料的質(zhì)量和體積信息計(jì)算出分餾集總下的虛擬組分質(zhì)量和體積，最終計(jì)算出適合分餾塔模型的分餾集總的物性參數(shù)表。這一方法可以顯著提高模擬的精度。

加氫裂化；蒸餾曲線；集總轉(zhuǎn)換

隨著原油的不斷被開采，輕質(zhì)石油資源越來越少，原油逐漸向高硫含量、高金屬含量以及重質(zhì)化方向發(fā)展。面對原油不斷的重質(zhì)化發(fā)展，如何將它們轉(zhuǎn)化成所需要的輕質(zhì)燃料油成為煉油工業(yè)的重要課題。而加氫裂化能夠使重質(zhì)油品通過催化裂化反應(yīng)生成汽油、煤油和柴油等輕質(zhì)油品，又可以防止生成大量的焦炭，還可以將原料中的硫、氮、氧等雜質(zhì)脫除，并使烯烴飽和。加氫裂化流程可分成反應(yīng)模塊和分餾模塊。目前的加氫裂化工藝絕大多數(shù)都采用固定床反應(yīng)器。而分餾模塊由分餾塔、汽提塔、換熱器等組成。

加氫裂化全流程的模擬系統(tǒng)，可以進(jìn)一步深化、拓展煉油源頭加工裝置運(yùn)行過程中的理性分析與技術(shù)特點(diǎn)分類，對兩裝置生產(chǎn)操作進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上深入細(xì)致地做好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化工作。

然而加氫裂化反應(yīng)的原料餾程廣，構(gòu)成極為繁多，其中所發(fā)生的反應(yīng)方程式成千上萬。精確的動(dòng)力學(xué)建模非常困難，因此必須采用集總動(dòng)力學(xué)建模。為了準(zhǔn)確地反映加氫裂化反應(yīng)的復(fù)雜機(jī)理，反應(yīng)器部分應(yīng)采用基于反應(yīng)集總的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行建模。這一建模思路在國內(nèi)外有了很多成功應(yīng)用。但由于復(fù)雜反應(yīng)其產(chǎn)物也很復(fù)雜，故一般均需根據(jù)目的產(chǎn)物的要求，將其進(jìn)行分離。最常用的分離方法便是采用分餾的方法。而反應(yīng)集總因會(huì)降低模擬的精度而不適用于分餾塔部分建模，因此在分餾部分建模一般采用餾程集總建模。兩種集總劃分依據(jù)的不同會(huì)對全流程模擬帶來困難和偏差。多年來研究者已經(jīng)提出過一些方法，如采用校正參數(shù)進(jìn)行修正、采用實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線進(jìn)行切換等，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，如對催化裂化柴油集總與柴油餾分的轉(zhuǎn)換等。本文提出了集總轉(zhuǎn)換的概念以對此類工作進(jìn)行定義，并給出了插值轉(zhuǎn)換和物性參數(shù)的求解過程，在反應(yīng)器模塊和分餾塔模塊分別使用反應(yīng)集總和分餾集總，并在分餾塔之前進(jìn)行集總的轉(zhuǎn)換，使得加氫裂化反應(yīng)器模塊和分餾塔模塊的模擬更加科學(xué)，模型對流程的表征更加精確。

1 集總轉(zhuǎn)換思想的引入

1.1 加氫裂化流程及其連續(xù)性

加氫裂化的工業(yè)裝置有多種類型。按反應(yīng)器中催化劑的不同分為固定床和沸騰床加氫裂化工藝。按反應(yīng)器的作用又分為一段法和兩段法。但是，不管反應(yīng)器采用何種類型，反應(yīng)完畢后都要對反應(yīng)器出料進(jìn)行分餾才能得到產(chǎn)品油。

為了便于引出加氫裂化流程模擬的集總轉(zhuǎn)換思想，把加氫裂化流程分為反應(yīng)器部分和分餾部分。這兩部分在實(shí)際的流程中是前后相連的模塊，若要對加氫裂化整個(gè)流程進(jìn)行模擬，就必須考慮這個(gè)部分之間的聯(lián)系。

1.2 集總動(dòng)力學(xué)建模

復(fù)雜反應(yīng)體系集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型集總組分劃分的基本原則是依據(jù)其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的差別，目前常用的有按餾程、碳原子數(shù)、烴族組成或結(jié)構(gòu)族組成等。相對分餾部分的建模而言，這些都劃分為反應(yīng)集總。

然而由于復(fù)雜反應(yīng)的產(chǎn)物復(fù)雜，一般均需根據(jù)目的產(chǎn)物的要求，將其進(jìn)行分離。最常用的分離方法便是采用分餾的方法，即按沸點(diǎn)的不同將其分開。所以反應(yīng)的集總是依據(jù)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性劃分，而分離的集總常需要依據(jù)其物性參數(shù)如沸點(diǎn)、溶解度等的不同加以劃分，兩者之間的不同會(huì)對全流程模擬帶來困難和偏差。因此在建模時(shí)，在反應(yīng)部分和分餾部分之間需要進(jìn)行集總轉(zhuǎn)換。

1.3 集總轉(zhuǎn)換過程

集總轉(zhuǎn)換的過程就是由原集總表述下的反應(yīng)模塊輸出物流蒸餾曲線和出料的質(zhì)量體積信息求分餾集總表述下的質(zhì)量體積信息，最終由分餾集總下的質(zhì)量體積信息計(jì)算出表征流程的物性參數(shù)。集總轉(zhuǎn)換的流程如圖1所示，其中各部分體積信息的計(jì)算同質(zhì)量信息的計(jì)算。

圖1 集總轉(zhuǎn)換流程

2 集總轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

2.1 繪制蒸餾曲線

反應(yīng)器出料的蒸餾曲線的繪制是集總轉(zhuǎn)換流程的開端?？梢栽趯?shí)際設(shè)備上取反應(yīng)器的出料進(jìn)行蒸餾實(shí)驗(yàn)得到真實(shí)的蒸餾曲線數(shù)據(jù)，也可以直接使用模擬平臺(tái)內(nèi)部集成的蒸餾曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制。

然而無論是用上面的哪種方法，得到的都是蒸餾曲線上離散的點(diǎn)，所以需要對這些點(diǎn)進(jìn)行插值得到最終的蒸餾曲線，為之后的質(zhì)量轉(zhuǎn)換和體積轉(zhuǎn)換提供必要的數(shù)據(jù)。可以根據(jù)對插值后曲線的單調(diào)性、平滑性等要求選擇合適的插值算法，如線性插值、樣條插值等。

2.2 切割蒸餾曲線

將反應(yīng)器出料歸一化曲線按照溫度間隔（如每10 ℃劃分為一個(gè)區(qū)間）劃分為若干個(gè)虛擬組分。再根據(jù)產(chǎn)品餾程信息對曲線進(jìn)行切割，將這些虛擬組分劃分給各個(gè)產(chǎn)品，然后對每個(gè)產(chǎn)品內(nèi)的虛擬組分進(jìn)行歸一化，圖2為質(zhì)量蒸餾曲線。

2.3 質(zhì)量分布和體積分布的轉(zhuǎn)換

圖2中各個(gè)產(chǎn)品內(nèi)的虛擬組分的歸一化曲線對應(yīng)著每種產(chǎn)品的質(zhì)量分布，根據(jù)反應(yīng)器出料的質(zhì)量信息計(jì)算出每個(gè)新虛擬組分的質(zhì)量。

圖2 質(zhì)量蒸餾曲線

2.4 物性參數(shù)求解

根據(jù)轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量體積信息即可求得分餾集總的物性參數(shù)，轉(zhuǎn)換公式見式（1）～式（3）。

式中，S=ρ×0.001，ρ為密度；Tb為中間平均沸點(diǎn)。

式中，A、B、C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，因組分范圍而異，如表1所示。

表1 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

式中，Tpc和Ppc分別為準(zhǔn)臨界溫度和準(zhǔn)臨界壓力，其計(jì)算公式見式（4）、式（5）。

ω的計(jì)算公式要根據(jù)Tbr的值來選擇，如果Tbr≤0.8則ω=ω1，否則見式（7）～式（9）。

3 集總轉(zhuǎn)換的應(yīng)用

3.1 Hysys實(shí)現(xiàn)

在Hysys中建立兩段加氫裂化的模型，反應(yīng)模塊使用反應(yīng)集總“HCR”，分餾模塊使用分餾集總“Dis”，也可以使用“HCR”集總。圖3為流程中的一個(gè)分餾塔，“航煤”為加氫裂化流程的產(chǎn)品之一。

3.2 轉(zhuǎn)換前后模擬精度對比

在其它參數(shù)都相同的情況下，對集總轉(zhuǎn)換前后航煤餾程信息進(jìn)行對比。反應(yīng)模塊使用反應(yīng)集總“HCR”。分餾模塊沿用反應(yīng)集總則無需進(jìn)行集總轉(zhuǎn)換，此情況下對航煤的模擬如表2所示。分餾模塊使用分餾集總，并在流程中進(jìn)行集總轉(zhuǎn)換的模型對航煤的模擬如表3所示。對比可見集總轉(zhuǎn)換對模擬精度的提高顯著。

4 結(jié) 論

圖3 分餾塔

由于復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)物的復(fù)雜多樣，故一般均需根據(jù)目的產(chǎn)物的要求，將其進(jìn)行分離。加氫裂化流程和集總動(dòng)力學(xué)的思想，而且實(shí)際研究表明，使用此方法建模比使用單一集總建立的模型精度高很多，這使得模型對流程的表征更加精確可靠。

但是，集總轉(zhuǎn)換不是幾個(gè)簡單的公式就能實(shí)現(xiàn)的，還要求流程模擬平臺(tái)具有足夠的用戶自定義編程擴(kuò)展空間來實(shí)現(xiàn)這一思想。涉及的反應(yīng)器和分餾塔的連續(xù)生產(chǎn)問題使得對加氫裂化的流程模擬必須考慮到這兩個(gè)部分之間的關(guān)聯(lián)。然而加氫裂化模型中，反應(yīng)部分適合使用反應(yīng)集總建模，而分餾部分適合使用分餾集總建模。當(dāng)然，分餾部分可以和反應(yīng)部分使用相同的集總，這樣就不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是從工藝原理和集總動(dòng)力學(xué)的角度來看，集總劃分依據(jù)的不同會(huì)導(dǎo)致模擬精度的降低。兩部分分別使用適用的集總建模，并在模型中合適的地方進(jìn)行集總轉(zhuǎn)換不僅符合工藝原理

表2 無轉(zhuǎn)換的航煤餾程

表3 集總轉(zhuǎn)換后的航煤餾程

符 號(hào) 說 明

D86 IBP——初餾點(diǎn)，℃

D86 5%——5%分餾點(diǎn)，℃

D86 10%——10%分餾點(diǎn)，℃

D86 30%——30%分餾點(diǎn)，℃

D86 50%——50%分餾點(diǎn)，℃

D86 70%——70%分餾點(diǎn)，℃

D86 90%——90%分餾點(diǎn)，℃

D86 95%——95%分餾點(diǎn)，℃

D86 FBP——終餾點(diǎn)，℃

Mw——平均分子量，量綱為1

NBP——常沸點(diǎn)，℃

Pc——臨界壓強(qiáng)，kPa

Tc——臨界溫度，℃

Vc——臨界體積，m3/kg·mol

ω——偏心因子，量綱為1

ρ——密度，kg/ m3

[1] Refining Department. Technical Data Book——Petroleum Refining[M]. Sixth Edition. American Petroleum Institute，1997：216-523.

[2] 方向晨，張英. 加氫裂化裝置用能分析及節(jié)能途徑探討[J]. 化工進(jìn)展，2008，27（1）：151-156

[3] 劉光輝，王健紅，耿國其. 加氫裂化分餾過程的模擬與分析[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（5）：13-17.

[4] 齊艷華，黃海濤，石玉林，等. 加氫裂化動(dòng)力學(xué)模型及其工業(yè)應(yīng)用[J]. 石油學(xué)報(bào)：石油加工，1999，15（2）：80-84.

[5] 喻勝飛，羅武生. 重油加氫裂化四集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的研究[J].石油化工設(shè)計(jì)，2007（1）：15-17

Lumped parameter conversion for flowsheeting of hydrocracking

YANG Xiaojian，YANG Xiaolong，LI Rongyu
（Collge of Electronics and Information Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

The flowsheeting for hydrocracking is made up of reactor and fractionating tower. Since lumped parameters of the two parts are not the same，using a single group of lumped parameters may reduce the precision of the model. In this paper，the method for lumped parameter conversion is introduced. Based on the quality and volume of the output of the reactor，the quality and volume of virtual components are worked out after interpolation，cleavage and normalization for the distillation curve of the output of the reactor. At last，the lumped parameters for the fractionating tower can be figured out w ith the quality and volume of virtual components. The method can evidently increase the precision of the model.

hydrocrack；distillation curve；lumped parameter conversion

TQ 01；O643.38

A

1000–6613（2011）09–1915–04

2011-04-10；修改稿日期：2011-04-30。

楊小健（1963—），男，博士，教授。聯(lián)系人：李榮雨。E–mail ryli.cec@gmail.com。