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)成相對粗糙，無法滿足全流程動態(tài)仿真的需求。為改進這一問題，本文提出一種基于實組分的工藝研究方法，并對柴油加氫工藝的動態(tài)仿真問題進行研究與分析，取得了比較滿意的效果。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 反應(yīng)機理

界區(qū)待精制柴油與混合氫混合后在反應(yīng)進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)進行加氫反應(yīng)，出料通過換熱器降溫并在分離器內(nèi)進行氣液分離，以分離輕組分，并對未反應(yīng)氫氣進行循環(huán)再利用。經(jīng)循環(huán)壓縮機升壓處理后混合新補充氫氣，再次參與加氫反應(yīng)流程。重組分則經(jīng)分餾塔進行分流處理，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蒸餾曲線進行描述，蒸餾曲線0%條件下對應(yīng)溫度為154.0℃，蒸餾曲線10%條件下對應(yīng)溫度為235.0℃，蒸餾曲線30%條件下對應(yīng)溫度為255.0℃，蒸餾曲線50%條件下對應(yīng)溫度為274.0℃，蒸餾曲線70%條件下對應(yīng)溫度為305.0℃，蒸餾曲線90%條件下對應(yīng)溫度為342.0℃，蒸餾曲線100%條件下對應(yīng)溫度為370.0℃?？紤]到在應(yīng)用實組分法對柴油構(gòu)成進行表述時以實沸點蒸餾曲線為依據(jù)，因此需采取一定方法對上述ASTMD86標(biāo)準(zhǔn)蒸餾曲線進行轉(zhuǎn)化，具體方法為：按照如式（1）所示方法對50%餾出體積分率條件下對應(yīng)溫度值進行計算，然后再對其他各餾出體積點溫度值進行計算。

經(jīng)計算，實沸點蒸餾曲線與溫度對應(yīng)關(guān)系如下：蒸餾曲線0%條件下對應(yīng)溫度為134.5℃，蒸餾曲線10%條件下對應(yīng)溫度為217.2℃，蒸餾曲線30%條件下對應(yīng)溫度為252.7℃，蒸餾曲線50%條件下對應(yīng)溫度為281.2℃，蒸餾曲線70%條件下對應(yīng)溫度為319.2℃，蒸餾曲線90%條件下對應(yīng)溫度為359.4℃，蒸餾曲線100%條件下對應(yīng)溫度為403.5℃。

1.3 原料油實組分

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

1.4 實組分分率模型

在針對柴油加氫工藝進行動態(tài)仿真分析與計算時，對進料柴油組成分率的確定非常關(guān)鍵。具體思路是以實沸點蒸餾數(shù)據(jù)為依據(jù)，圍繞進料柴油組成與沸點溫度構(gòu)建數(shù)學(xué)關(guān)系式，計算不同沸點條件下實組分所對應(yīng)百分比含量。定義沸點溫度為y，定義累積體積百分比為x，定義多項式系數(shù)為ai，定義指數(shù)項為i，則可用式（2）進行描述。

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

圖1 五次多項式擬合曲線與實測值吻合性示意圖

2 模型求解

2.1 實組分求解

前文中式（3）以多項式函數(shù)關(guān)系對原料油實組分沸點溫度與餾出體積百分比間的關(guān)系進行描述，已知式（3）中，y為沸點溫度，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，對各個組分所對應(yīng)體積分率進行計算求解，在此過程當(dāng)中定義第k次迭代計算結(jié)果為xk，對應(yīng)函數(shù)值為f(xk)，第k＋1次迭代計算結(jié)果為xk+1，對應(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、精餾塔等單元模型均選用已開發(fā)通用動態(tài)仿真平臺中數(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)迭代處理計算工程量較大，整體操作比較復(fù)雜，不適用于動態(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，可用式（6）～（7）進行描述。

3 結(jié)束語

本文圍繞柴油加氫工藝動態(tài)仿真模擬中的關(guān)鍵問題進行分析，基于當(dāng)前組分確定方法存在的問題，提出一種建立在實組分基礎(chǔ)之上的動態(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)品真實組分對應(yīng)組分分率，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進行動態(tài)求解。最后通過對比蒸餾曲線模擬值與實測值的方式，驗證了整套方法精確性，符合柴油加氫工藝過程設(shè)計需求，值得在實踐中推廣應(yīng)用。