预测轻柴油冷滤点和凝点的数学模型.pdf

预测轻柴油冷滤点和凝点的数学模型 黄 燕 民 (石油化工科学研究院,北京100083) 摘要 建立了一种以柴油组分油的恩氏蒸馏数据为基础的数学关系式,用于预测柴油调合油 的冷滤点及凝点。 对炼油厂的柴油调合油进行了模拟计算,计算结果表明预测值与实测值有较好的 一致性。 主题词:数学模型 预测 冷滤点 凝点 馏程 1 前 言 轻柴油通常是由组分油调合而成的。其低温流 动性指标冷滤点(cfpp)、 凝点(sp)与组分油的调 合比例之间是非线性关系。因此轻柴油的调合常常 是凭经验进行的,其工作量及误差均较大,尤其是工 业生产过程中,常常需要几次反复调合才能满足轻 柴油的指标。当原油来源发生变化或需要调整生产 方案时,往往会遇到轻柴油新配方的冷滤点、 凝点的 预测问题。按照标准方法测定冷滤点约需时间1 1. 5 h,测定凝点约需23 h。如果进行新配方筛选 调整的工作,实验室中的工作量是相当大的。因此, 人们希望能用简单的方法来预测轻柴油的冷滤点、 凝点,以便指导轻柴油的调合、 配方筛选等工作,提 高调合成功率,减少工作量。 轻柴油冷滤点、 凝点的高低与轻柴油中的正构 烷烃(蜡)含量及其分布状况有很大关系。通过对轻 柴油中蜡结晶过程较为深入的研究,人们提出了一 些数学模型来预测轻柴油中蜡的结晶行为,进而预 测轻柴油的冷滤点、 凝点。 1989年krishma提出一种数学关系式1,利用 轻柴油的中沸点温度、 蜡含量、 正构烷烃含量及平均 碳链长度,来预测柴油的冷滤点、 凝点及浊点。由于 关系式中涉及的一些因子,如蜡含量、 正构烷烃等, 需使用专用仪器才能测定,故应用有一定的难度。 预测轻柴油凝点最简单的方法莫过于采用代数 和的方法。但这类数据仅有参考价值,误差较大。另 一种方法是根据r ipp炼油工艺计算图表集( 2 112 17) 2, 采用凝点换算因子与组分油质量之间的 线性关系预测轻柴油的凝点,这种方法有较好的准 确性。 在实际应用中,由于原油不同,性质也不同,故 还存在一定的误差。 本文以组分油的恩氏蒸馏数据为基础,建立一 种新的数学关系式,来预测轻柴油的冷滤点及凝点。 由于恩氏蒸馏数据在炼油厂中很容易获得,因此本 方法具有一定的实用性。 2 数学模型建立的依据 将轻柴油按gb2255做蒸馏试验时,对蒸馏数 据及相应馏分的正构烃组成进行了分析,发现相对 分子质量较小的烃类先被气化蒸出,相对分子质量 较大的烃类后被蒸出。 即随着馏出物温度的升高,馏 分中正构烃的平均相对分子质量相应变大,所含正 构烃的平均碳数也随之增大。因此馏出点温度值与 该馏分中所含正构烷烃的平均相对分子质量(m)、 平均碳数(c)有一定的相关性。 以tp(p= 10% , 20% ,m % ) 代表各馏出点 温度,fp代表相关的数学函数,则有: tp=fp(c,m) (p= 10% , 20% ,m % ) (1) 设轻柴油的调合组分油有n个,则各个组分油 的数学函数为: tp i=fp i(c,m) (i= 1, 2,n;p= 10% , 20% ,m % ) (2) 对a炼油厂的常二、 常三线组分油的cfpp、 s p及其正构烃组成进行分析,发现常三线组分油 收稿日期: 1998211203;修改稿收到日期: 1999204215。 作者简介:黄燕民, 1989年于石油化工科学研究院获硕士学位。 现从事燃料油添加剂的研究,发表论文3篇,申请柴油流动改进 剂专利2项。 石 油 炼 制 与 化 工 1999年11月petrol eum processi n g and petrochem ical s第30卷第11期 的平均碳数和平均相对分子质量高于常二线组分油 的平均碳数和平均相对分子质量,而常三线组分油 的cfpp、s p也高于常二线组分油的cfpp、s p。 设组分油的cfpp、s p与其中的平均碳数和平均 相对分子质量有一定的联系,则: cfpp=fc(c,m)(3) s p=fs(c,m)(4) 由于轻柴油的调合是物理过程,其间无化学反 应,因此各组分油的正构烃具有加和性,设gi(i= 1, 2, 3,n)是各个组分油的调和比例,fci(i= 1, 2, 3, ,n)是各个组分油的cfpp函数,fsi(i= 1, 2, 3, ,n)是各个组分油的s p函数,故对轻柴油而言, 有: cfpp=2(fci(c,m)gi) (i= 1, 2, 3,n)(5) s p=2(fsi(c,m)gi) (i= 1, 2, 3,n)(6) 把方程(2)代入式(5)、 (6), 得到下面的方程: cfpp=2(fci(tp i)gi) (i= 1, 2, 3,n;p= 10% , 20% ,m % ) (7) s p=2(fsi(tp i)gi) (i= 1, 2, 3,n;p= 10% , 20% ,m % ) (8) 由于各个组分油的馏出点的温度与调合油馏出 点的温度存在线性关系,设ap为调合油的各馏出 点的温度,则 ap=f(tp i,gi) (i= 1, 2, 3,n;p= 10% , 20% ,m % ) (9) 由式(7)(9)可得: cfpp=fc(ap) (p= 10% , 20% ,m % ) (10) s p=fs(ap) (p= 10% , 20% ,m % ) (11) 式中fc、fs是复合数学函数。 根据方程(10)和 (11), 通过专门设计的计算程序可解出轻柴油cfpp、s p 与ap之间的数学关系式fc、fs(见图 1) 。根据所确 定的fc、fs,就可以对轻柴油的cfpp、s p进行预 测。 由于fc、fs与轻柴油的基本化学组成有关,从 不同原油或不同加工工艺所生产的轻柴油的基本化 学组成是不一样的,因此对于不同的炼油厂来说,轻 柴油的预测方程fc、fs是不一样的。当炼油厂所加 工的原油发生变化,或当炼油厂的加工工艺进行了 较大的改变时,轻柴油的预测方程也会有相应的变 化。 图1 预测轻柴油cfpp、s p的程序框图 3 数学模型的建立 由于在恩氏蒸馏过程中,初馏点、 干点所对应的 温度不太稳定,所以计算过程中选取了10%、20% 点的温度值代表组分油中轻馏分的分布组成; 50% 点的温度值代表组分油中中间馏分的分布组成; 90%点的温度值代表组分油中的重馏分的分布组 成。选取四家炼油厂的62个轻柴油的调合配方,通 过计算机程序对这四家炼油厂轻柴油的cfpp、s p 预测方程进行计算。 回归出的预测模型列于表3。 从 表3所列的结果可以看出,不同炼油厂的数学模型 是不一样的。这四家炼油厂的轻柴油调合组成和恩 氏蒸馏数据见表1和表2。图2、3是根据四家炼油 厂的62个柴油调和方案的cfpp、s p的实测值与 计算值绘制的散布图。从图上可以直观地看出这些 点大部分分布在等值线上面,有个别点距离等值线 较远。总的来看,实测值与计算值能较好地一一对 应。 83 石 油 炼 制 与 化 工 1999年 第30卷 图1 冷滤点散布图 图2 凝点散布图 4 数学模型的应用 以d炼油厂柴油为例,共有五个柴油调合组分 油。在调整柴油的配方组成或改变生产工艺时,了 表1 四家炼油厂的轻柴油调合组分油 炼油厂调合组分油柴油调合配方个数 a常二线、 电精制油、 常三线12 b 灯油、 直馏柴油a、 直馏柴油b、 催化裂化柴油 20 c 常二线、 常三线、 侧塔油、 催化裂化柴油 20 d 常一线、 常二线、 常三线、 催化裂化柴油、 减一线 10 表2 四家炼油厂轻柴油组分油馏程() 馏出分数?%10205090 a厂 常二线234247266295 电精制油227235259304 常三线294306322356 b厂 灯油184189202235 直馏柴油a254263286332 直馏柴油b258267290339 催化裂化柴油238249274318 c厂 常二线226234246266 常三线268278297338 侧塔油227236264326 催化裂化柴油231237269330 d厂 常一线173179193222 常二线252262282317 常三线300324360384 催化裂化柴油235246273316 减一线289299321354 表3 轻柴油cfpp,sp预测模型 炼油厂模 型 acfpp= - 5 803. 7- 47. 7a1+ 172. 1a3- 123. 7a4+ 15 449. 3a7- 228. 6a10+ 1. 3a12+ 10 652. 4a13 s p= 12 951. 8+ 215. 0a1- 536. 4a3+ 337. 1a4- 48 975. 8a7+ 65. 4a10- 0. 4a12 bcfpp= - 66. 8+ 76. 4a5- 22. 8a6- 1 933. 8a7- 0. 6a8- 209. 9a9+ 82. 3a10+ 1. 0a11+ 4 396. 9a13 s p= 4 948. 7+ 59. 7a5+ 21. 8a6+ 7 324a7- 0. 8a8- 260. 2a9+ 63. 3a10+ 1. 4a11- 1 758. 6a13 ccfpp= - 246. 8+ 15. 6a5+ 50. 8a7+ 20. 0a9- 47. 6a10+ 0. 1a11+ 3 522. 6a13 s p= - 355. 5- 1. 3a5+ 1 413. 3a7- 0. 3a8+ 0. 4a11 dcfpp= 164. 554+ 1. 848a1- 4. 73a2+ 8. 08a3- 5. 04a4+ 18. 555a5- 18. 09a6- 81. 9a7- 0. 001a8- 4. 071a9 s p= 218. 28+ 2. 483a1- 9. 972a2+ 14. 575a3- 6. 671a4- 6. 923a5- 1. 553a6- 26. 218a7+ 0. 074a8+ 0. 409a9 a1为10%馏出点温度,a2为20%馏出点温度,a3为50%馏出点温度,a4为90%馏出点温度,a 5= ( a4-a1),a 6= ( a4-a3), a7=a5?a6,a8=a5a6,a9=a5a7,a10=a6a7,a11=a5a5,a12=a6a6,a13=a7a7。 解组分油配比的变化如何影响柴油的冷滤点和凝点 是很重要的。在柴油配方调合过程中,各种调合方 案非常之多,把所有的配方都进行试验是不可能的, 也没有这个必要。一般按照生产经验来进行柴油的 调合,这个过程往往比较粗,细致的配方调整仍然需 要大量的实验室工作。为了在短时间里能够找出合 理的柴油配方,通过方程(10)和(11)来预测该炼油 厂柴油的各种配比下柴油配方的cfpp和s p,从 93第11期 黄燕民.预测轻柴油冷滤点和凝点的数学模型 而减少了实验室的工作量和盲目性,在较短的时间 内找到合理的柴油新配方。 首先在实验室调合10个左右的柴油配方,测定 它们的cfpp和s p,结果见表4。 然后根据组分油 的恩氏蒸馏数据和调合比例,得到cfpp、s p的回 归方程,见表3中d栏。根据回归方程,用计算机程 序可以模拟出大量的调和配方,从中挑选出符合要 求的配方,然后在实验室用组分油进行配方的调合 与验证,测定其cfpp和s p,结果见表5。 表4 柴油调合配方的cfpp和sp 调和比例?% 常一线常二线常三线 催化裂 化柴油 减一线 s p ? cfpp ? 341503912- 6- 3 39226330- 50 19128583- 34 501312196- 17 419163131856613131247 214716115611 2020202020919 05152545101214 从表5可以看出,冷滤点预测的结果与实测数 据基本一致,而凝点的预测结果与实测数据有一定 的偏差,个别柴油配方的凝点预测结果与实测结果 相差达3. 7。总的来看,两者的结果比较相近。 表5 d炼油厂的轻柴油cfpp、sp的 计算值与实测值对比 序号12345 调合比例?% 常一线3228191122 常二线242503126 常三线162223015 催化裂化柴油016275524 减一线28931313 s p? 计算值- 7. 3- 5. 4- 4. 76. 49 实测值- 6- 6- 169 cfpp? 计算值- 4. 1- 2. 82. 91112 实测值- 5- 331112 5 结 论 用恩氏蒸馏数据建立的数学模型来预测轻柴油 的冷滤点和凝点,对于轻柴油调合过程及配方调整 等具有比较重要的意义。不同的原油以及不同的加 工工艺,数学模型是不一样的。 利用这种数学模型预 测轻柴油的冷滤点和凝点具有原始数据易得,操作 简便的优点,减少了柴油调合过程中的盲目性,提高 了工作效率。 通过四家炼油厂的柴油配方计算,计算 值与实测值有较好的一致性。 参考文献 1 krishna r, et al . erdol and kohle2erdgas2petrochem ie, 1989, 42 (2): 7274 2 徐伟,曹达溪,刘元等.柴油离线调优,石油炼制, 1987, 18(2): 242