（化学工程专业论文）fccu反应再生部分动态建模与仿真系统研究.pdf

摘要 摘要 催化裂化是目前炼油厂中的核心加工工艺，国内外对催化裂化反应再生系统 的研究十分活跃，其中大量研究工作是关于工艺参数的变化对反应过程的影响， 但反应一再生器是一个多参数，非线性、时变及多变量紧密耦合的复杂系统，为 此就要建立能反映其化学反应规律的动力学模型，分析和研究反应再生系统动态 特性，对其进行设计改进、参数优化以及自动控制系统的建立、控制系统的可靠 运行至关重要。 本文基于以上原因，在综合考虑了物料衡算、能量衡算等方程的基础上，采 用机理建模方法，建立了催化裂化反应再生系统的动态简化数学模型。在提升管 反应器的建模过程中采用五集总( 原料油，柴油，汽油，气体，焦炭) 动力学模型， 再生器采用烧焦罐烧碳反应动力学模型，烟气耗氧动力学模型，再结合提升管二 段反应温度，再生催化剂温度方程构建成了反应再生系统数学模型。 为了解决反应动力学参数，利用某工厂催化裂化装置的现场数据，引用工程 数学软件m a t l a b 7 0 中n e l d e r - m e a d 单纯形法，然后对求得动力学参数代入模 型中进行验证，再通过m a t l a b 中o d e l 5 s 算法对反应再生系统模型进行仿真 模拟，得出结果与现场采集到的数据能够基本吻合。 随后，对提升管反应器模型进行简化，根据反应几乎是在瞬问完成的特点， 忽略反应的动态过程，简化后的模型仍然可以很好地反映反应再生系统的动态特 性。 最后，本文根据上述简化的动态模型，在本实验室开发的x d - a p c 软件平 台软件上组态，创建了反应再生仿真系统，完全模仿实际工业装置的计算机控制 过程，并分析研究了催化剂流量、反应温度、进料量以及空气流量对整个系统的 动态响应，其结果与实际工业的变化趋势一样，再次证明模型总体上可以正确地 反映反应再生系统的动态特性，可以用来作为逼真的虚拟环境来实现工业过程的 仿真研究。 关键词：反应再生系统；动态建模；仿真 a b s t r a c t f l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n g ( f c c ) u n i ti so n eo ft h ek e yp r o c e s s e si nm o d e m p e t r o l e u mr e f m i n g m a i n l ys t u d yt h ei n f l u e n c eo ft e c h n o l o g yi n n o v a t i o no nr e a c t i v e p r o c e s si nd o m e s t i ca n da b r o a d b u tf c c r e a c t o ra n dr e g e n e r a t o ri sac o m p l e xs y s t e m f o ri t sm u l t i v a r i a b l e ，t i m e v a r y i n ga n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s , t h em o d e l i n go ft h e s y s t e mo fc o m p l e xk i n e t i c sr e a c t i o n ss h o u l db es t u d i e d ad y n a m i cm o d e li sp u t f o r w a r dt os t u d yt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff c cr e a c t o ra n dr e g e n e r a t o r , i ti s a l s oo fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h ed e s i g n ，o p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n d s i m u l a t i o no ff c cr e a c t o ra n d r e g e n e r a t o rs y s t e m b a s e do nt h ee q u a t i o n so fm a s sb a l a n c e ，e n e r g yb a l a n c e ，ag e n e r a lm a t h e m a t i c a l m o d e li sd e v e l o p e df o rr i g o r o u sd y n a m i cs i m u l a t i o n so ff c cr e a c t o ra n dr e g e n e r a t o r t h i sp a p e rb u i l tu pf i v e l u m p ( i n c l u d i n gn o n c o n v e r s i o nla wm a t e r i a lo i l ，d i e s e lo i l ， g a s o l i n e ，g a sa n dc o k e ) k i n e t i cm o d e lo far i s e rr e a c t o ra sw e l la st h et e m p e r a t u r eo f t h er e a c t o re q u a t i o n s c a r b o nb u r n i n ga n df l u eg a so x y g e nb u r n i n gr e a c t i o nk i n e t i c s m o d e li su s e di nf c cr e g e n e r a t o ra sw e l la st h et e m p e r a t u r eo ft h er e g e n e r a t o r e q u a t i o n s t h er e a c t i o nk i n e t i c sp a r a m e t e r so ft h el u m pm o d e lw e r ee s t i m a t e df r o mt h e o p e r a t i o nd a t aa n dy i e l d sd a t ao ff c cr e a c t o r ( p e rh o u r ) i na ni n d u s t r i a lp l a n tb y n e l d e r - m e a dm i n i m i z a t i o na l g o r i t h m t h e ns i m u l a t i o ni s i m p l e m e n t e db yt h e o d e15 so fm a t l a b7 0 t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na r ei nag o o da g r e e m e n tw i t ht h e i n d u s t r i a ld a t a a c c o r d i n ga sc h a r a c t e r i s t i co fr a p i d l yr e a c t i o ni nt h er e a c t o r ，b e t w e e nt h eg a sa n d t h es o l i dp h a s e sc a nb ei g n o r e d c o m p a r e dt ot h ef o r m e rs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e s u l t s o fs i m p l i f i e dm o d e lc a na l s or e f l e c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff c cr e a c t o ra n d r e g e n e r a t o rs y s t e m b a s e do nt h es i m p l i f i e dm a t h e m a t i cm o d e l ，t h es i m u l a t i o ns y s t e mo ff c cr e a c t o r a n dr e g e n e r a t o ri sd e v e l o p e do nx d a p c ，o n ek i n do fc o m p r e h e n s i v ep r o c e s sc o n t r o l s o f t w a r ed e s i g n e db yo u rl a bo nw h i c ha p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n do p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g i e sc a nb ei m p l e m e n t e de a s i l y t h es y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h e a b s t r a c t s i m p l i f i e dd y n a m i cm o d e la b o v ec o m b i n e dw i t hc o n t r o l l e re q u a t i o n s ，w h i c he n a b l e s t h eu s eo fp h y s i c a li n s i g h tf r o mt h ed y n a m i cm o d e lt ob eu s e dd i r e c t l yi nt h ea n a l y s i s a n dd e t a i l e dd y n a m i cs i m u l a t i o nc a p a b i l i t yo fap r o c e s s s i m u l a t i o no fo p e r a t i o n p r o c e s sa r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fc a t a l y t i cc o n t e n t ，ar e a c t o rt e m p e r a t u r e ， r a wm a t e r i a lo i l ，a i rf l u x e so nt h es y s t e m t h er e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h ei n d u s t r i a l f i n a l l y , t h eo v e r a l ld y n a m i cs i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e li ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e dw h i c hp r e s e n to p p o r t u n i t i e sf o rt h e f u t u r ee s t a b l i s h m e n to fs u i t a b l e i n t e g r a t e da d v a n c ec o n t r o lo ff c c r e a c t o ra n dr e g e n e r a t o rs y s t e m k e y w o r d s ：r e a c t o ra n dr e g e n e r a t o rs y s t e m ；d y n a m i cm o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：百拇否 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：侍，弓日期 刷程轹b 醐： 年 年 月 月 日 日 第一章文献综述 第一章文献综述 催化裂化装置是现代炼油企业的关键装置。自1 9 4 2 年第一套工业化流化催 化裂化装置运转以来，它已发展成为炼油厂中的核心加工工艺【l 】，( 表1 1 ，2 0 0 5 年原油加工能力统计) 催化裂化技术水平不断提高。其中，催化裂化装置的优化 操作与控制一直是一个具有挑战性的重要课题。这一方面是因为催化裂化装置处 理量大、利润高，设备和控制技术的任何改进都会带来极大的经济效益，另一方 面是因为装置中各操作变量问具有高度非线性关系及以下特点：( 1 ) 多目标、多 变量互相关联，如反应器与再生器以及它们与能量回收系统的关联产品质量控制 与节能降耗( 优化) 的关联，这些关联具有不同程度的时间滞后，动态特性较为复 杂。( 2 ) 不少重要变量不能通过实时测量得到，如原料性质、反应深度、催化剂 活性、产品产率和产品质量指标( 汽油干点和柴油9 0 点) 等。( 3 ) 有些情况存在不 确定性，如原料频繁变化，生产方案随市场变化，设备状况或其他条件也在变化， 操作控制必须迅速适应这些变化，在保证各变量不超限的条件下，充分发挥装置 的潜力，取得最大效益。( 4 ) 运行必须安全可靠，确保不发生事故。在出现不确 定或不正常工况时，如原料带水、仪表检修或故障、变量超程或设备故障等情况 时，要便于操作处理。 表1 - 12 0 0 5 年原油加工能力统计 国家炼油厂( 座1 丽委磊虿蘸花_ 1 酾毒嚣f 弓警警耋墨l 面函荐酾f 丽 中国 5 11 2 7 2 8 5 83 0 5 7 6 6 7 0 82 7 5 62 3 3 7 3 上述资料不包括台湾，资料来源：o i la n dg 鹬j o u m a l 数据截至到2 0 0 6 年 1 1 国内外催化裂化应用现状 1 1 1 国外情况 国外催化裂化工艺实现工业化生产已有6 8 年的历史，其中流化床工艺也已 出现6 2 年，并迅速淘汰了固定床和移动床工艺，不久它就成为一项重要的炼油 工艺，其总加工能力已列各种重油轻质化工工艺的前茅( 超过加氢裂化、焦化和 减粘裂化之和) ，而且进入2 l 世纪之后这一地位保持不变【2 1 。虽然它曾面临着后 第一章文献综述 起的加氢裂化工艺的竞争和上世纪末以来生产质量标准日益严格的清洁燃料的 挑战，但最终都化险为夷。推其原因首先归结为催化裂化的技术进步，在工艺流 程、催化剂性能和机械设备大型化等方面都有长足发展和改进，降低了投资和加 工成本，化解了由于节能和环保要求带来的压力；其次是相继开发成功了多种原 料预处理、产品精制和改质等工艺技术和催化裂化工艺“配套”，还有其他炼油工 艺和催化裂化工艺的合理“组合”；最后是以催化裂化技术为核心派生出来的一系 列“家族工艺”，将催化裂化转变为构成“炼油一化工一体化”的主题装置。 1 1 2 国内情况 国内流化催化裂化工艺实现工业化生产即将4 0 年。根据我国的具体情况 3 - 9 ，它的发展势头很猛，进入2 1 世纪已建成的装置超过1 0 0 套，年加工能力超 过l o o m t 。由于清洁燃料的标准逐步向国外高档次靠拢，催化裂化的汽油和柴油 质量明显不能满足商品燃料要求。我国石化企业及时抓紧了科研工作，相继开发 了多种催化剂、助剂和工艺技术，成功的应对了高价引进国外专利技术和市场开 放将导致外油大量进口和高辛烷值汽油组分的调和比例，但我国仍继续保持着独 有的以催化裂化汽油为主要商品汽油组分的特色。 1 2 目前我国催化裂化面临的问题 1 2 1 目前我国催化裂化面临的问题 目前世界原油的重质化趋势正在明显加大，在原油质量变重、变差的同时， 对轻质产品的需求却日益增多，在我国更是如此。国内目前的石油资源中，大于 5 0 0 。c 的馏分在原油中占4 0 - - 一5 0 ，而且还有继续变重的趋势【4 】 【l o j 3 1 。然而随 着我国经济的飞速发展，国内石油需求特别是轻质油的需求在不断增长。我国自 1 9 9 4 年以来成为石油净进口国，石油缺口增加很快。随着市场重油需求量的减 少，轻质油品需求量的增加以及原料重质化，重油催化裂化将是今后世界催化裂 化发展的重要方向【9 】，【1 4 】。最主要的是面对不断严格的环保要求，主要是汽油规格 的升级对汽油中的烯烃和硫含量的要求降低以及烟气排放量的限制，其次是对产 品需求比例的变化，如市场对柴油需求比例和数量的增加，即所谓的柴油化趋势。 这些都对现有的催化裂化装置与催化裂化的进一步发展形成很大的冲击。 经过多年的努力，我国催化裂化工艺已接近世界先进水平。但从综合水平来 第一章文献综述 看与国外还有一定差距【1 2 1 。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 我国催化裂化装置运转水平不高，自动化水平较低，目前大多数催化裂 化装置都采用单参数闭环系统( p i d 控制) ，少数有串级控制，由于催化裂化瞬 时变化和滞后性，传统的p i d 控制方法往往达不到令人满意的效果【8 】，【1 5 1 6 1 。 ( 2 ) 我国炼油企业催化裂化比例过大，装置开工周期和装置负荷率低，2 0 0 1 年，全国催化裂化装置平均负荷率接近8 0 ，还有2 0 的能力没有发挥作用。 这其中有不少装置运转不正常，生产周期短，非计划停工多m 【1 1 】。 ( 3 ) 催化裂化产品质量难以满足日益严格的国家标准要求，能耗偏高，产品 结构不适合成品油市场的要求1 4 】，f 1 7 1 。 ( 4 ) 加工量大，轻质油收率低。近十几年来，国内催化裂化掺炼渣油量在不 断上升，已居世界领先地位，而轻质油收率与国外炼油厂相对比较低【8 】，【1 3 】。 ( 5 ) 研究开发能力不足，工程能力不强。计算机在线、离线调优、先进控制 及专家系统等的差距更大【吼。 目前国外许多自动化软件公司现已推出了商品化工业化的催化裂化装置先 进控制软件包，但其价格昂贵、使用维护困难。国内虽有多家企业购买，但真正 能够长期使用的却很少。 1 2 2 催化裂化装置提高效益的方法 在生产过程中，由于f c c u 有很大的经济效益，对于一定的处理量，总是 在接近约束限下操作。如果操作仅在一个非常小的范围内进行，基于线性动态模 型的多变量控制系统，但如果操作范围较宽，催化裂化各变量就表现为高度非线 性，在线或离线优化的操作点出现较大的变化。仿真实验采用非线性机理模型， 因而f c c 装置动态仿真为研究这些影响、改进控制性能和提高经济效益提供了 一个有用的工具。 ( 1 ) 改进工艺技术提高催化裂化效益 一些企业以满足市场需求为目标，在催化裂化装置上进行了工艺新技术的改 造。如采用适合于渣油的催化裂化新技术，多产柴油新技术，催化裂化提高汽油 辛烷值技术1 8 。2 1 1 等。为了满足环保法规的要求，采用汽油降烯烃技术、汽油脱硫 技术和生产清洁燃料的催化裂化技术【2 2 2 3 1 。一些企业采用改进操作条件如进行催 化裂化装置回收系统的改进，优化吸收稳定系统的操作，实行高温短接触催化 第一章文献综述 裂化，进行提升管反应器的优化2 4 。2 6 1 等。还有一些企业采用新型催化剂，如渣油 催化裂化催化剂，多产柴油催化裂化催化剂，多产低碳烯烃催化裂化催化剂，降 低汽油中的硫含量的催化剂【2 7 ，2 引。 ( 2 ) 使用先进控制技术提高催化裂化效益 除进行工艺改造外，大部分企业还使用先进控制或对原有控制系统进行改造 以提高装置效益。直接使用于催化裂化装置的先进控制技术主要有以下几大类： 多变量预估控制、自适应控制、线性和非线性优化、模糊逻辑、性能数学模型、 神经网络性质预测以及专家操作系统等。虽然有不少文献报道已有不少先进控制 技术在催化裂化装置上成功应用，但据一些参加过多年炼油行业先进控制系统验 收和年会的技术人员介绍，在国内虽然有多家企业曾购买过催化裂化装置先进控 制软件包或进行装置的先进控制改造，但真正能够长期投入使用的几乎没有，往 往是在验收后不久就不得不停下来。究其原因，这些投运的先进控制系统的有其 共同弊端，这些先进控制系统要对实际上的生产装置进行一系列规模很大的试验 来获得过程的动态模型，不仅花费很大，而且可能会造成生产装置长时间操作不 稳的危险。同时，当设备老化或更新，装置检修以及原料性质有较大的变化时， 也需要对原来的动态模型进行更新，这意味着要重新作一系列的现场实验。而这 样的实验又非一般工程技术人员能完成，这就给这些软件的使用和维护带来了很 大的困难【2 9 1 。 1 8 催化裂化数学模型简介 催化裂化装置的优化操作与控制有赖于建立装置的动态数学模型，这有助于 研究装置在各种输入操作条件变化后输出变量的动态变化规律和在线实时优化 控制。 自7 0 年代以来，催化裂化装置的稳态模型有了很大发展，已成为生产装置 设计、分析和离线优化的有力手段，对于先进控制和实时优化更需要建立动态数 学模型。 建立动态数学模型基本上有两种方法【3 0 3 1 1 ： ( 1 ) 利用输入输出数据，通过系统辩识或学习方法，建立所谓“黑箱模型”，只 注重系统的输入输出特性，当然，通过状态观测也可以了解某些状态变量的特性， 第一章文献综述 得到所谓的“灰箱模型”，这种建模方法较为简便，但需要对生产装置进行试验以 得到辨识所用的数据，试验时会影响生产装置的正常运转，而且所得到的模型一 般不能反映过程内部的运动规律，变量也不具备明确的物理意义。 ( 2 ) 从过程的机理出发，建立“白箱模型”。对于催化裂化这种比较复杂的过程， 在线实时应用报道中大部分是前一类模型，如s e t p o i n t 和p r o f i m a t i c 公司的先 进控制软件产品，都是基于脉冲或阶跃响应的卷积模型。由于“黑箱模型”在很多 方面的应用不很理想，从机理出发建立动态数学模型已引起了人们的注意。 此外还有人工只能或者其它的建模方法，例如统计回归模型、专家系统、人 工神经网络模型等等。 从机理出发建立过程的动态数学模型，除了依据物料和能量守衡原理外，还 应考虑依时间变化的积蓄量。这种模型有以下优点： ( 1 ) 对于多变量互相影响、具有时间滞后特点的过程，通过合理建模才能比 较透彻地掌握其特性，尤其是一些重要变量不可实测，如催化剂循环量，不通过 机理分析难以掌握其过程特性。 ( 2 ) 基于机理的模型在装置运行前就可以建立，生产装置的设计、操作分析、 技术人员与操作人员的培训均可通过计算机仿真系统进行。 ( 3 ) 一些输入变量和状态变量不可实时测量，如原料和产品性质( 组成) 、催化 剂活性等，这就使利用输入输出数据的系统辩识和自学习方法遇到了根本性困 难，而机理模型仍可给出它们的规律并对其进行实时计算。 ( 4 ) 利用机理模型可以避免或大量减少干扰生产过程的现场测试工作。 催化裂化( f l u i d i z e dc a t a l y t i cc r a c k i n gu n i o 是重油轻质化的主要手段之一， 主要包括：反应再生系统、分馏系统、吸收稳定系统( 图l 1 ) 。建立过程动态数 学模型的重点和难点在于建立反应再生系统数学模型。反应器和再生器之间的催 化剂循环使两器有机地联系在一起，各变量相互影响。所以，反应器和再生器应 作为一个整体进行分析，建立反应再生系统的整体动态模型，这样才能得到全面、 正确的结论。 第一章文献综述 富气 粗汽油 轻柴油 重柴油 油浆 图l 催化裂化装置工艺流程简图 f i g 1t h ef l o wc h a r to ff c c u 1 一加热炉；2 一再生器；3 一反应器；4 一分馏塔；5 - 提升器( i ) ：6 一提升器( i i ) ； 7 一回炼油罐；8 一泵；9 一换热器；1 0 一汽提塔：1 1 一冷却器；1 2 一粗汽油罐 图1 - 1 催化裂化装置图 1 3 1反应再生部分数学模型的分类 反应再生过程数学模型本质上可以分为静态( 也称为稳态) 数学模型和动态 数学模型。根据应用目的的不同，又可将过程的数学模型分为精确模型和简化模 型。一般来说，精确模型功能齐全、适应性强、能够为系统设计和优化提供更可 靠的信息；简化模型随简化程度的不同而功能各异，一般能满足系统的控制、操 作、优化、预测或监测中的某些要求，提供数据的精度、适应性有一定的范围。 静态模型和动态模型的主要区别是静态模型主要用于工艺过程的设计和分析以 及静态优化，动态模型主要用于过程控制【3 1 1 。静态模型和动态模型在应用范围、 模型形式和求解方法上有很多的不同，但是在内容和模型假设方面有很多密切的 关系。动态模型是对生产过程更一般的描述，能反映过程的动态变化，其稳定时 的变量关系就是稳态模型。因此动态模型常要求借助于稳态模型的结果和假设， 但是动态模型有其自身的特点和应用时简化的要求，故又必须有适应动态模型的 假设和方法。 由于原料油和催化剂在提升管中的反应是瞬间完成的【3 2 1 ，时间非常短，在提 升管反应器内各点的温度，集总的浓度变化可以看成只随提升管位置有关。考虑 到再生器温度和再生催化剂含碳量比与气体有关的变量响应时间长得多，催化剂 藏量总是被控制，因而一般密相床只取再生温度和催化剂含碳量为动态，其他变 量均用拟稳态。 第一章文献综述 目前大多数催化裂化装置采用分子筛催化剂和提升管式反应器，反应物料在 提升管内流动状态接近活塞流，因而k u r i h a r a 3 3 1 基于完全返混假设建立的流化床 反应器模型就不再适用，结合已有的催化裂化反应器模型和再生器模型，建立了 适合提升管反应的动态过程模型。 反应压力和再生压力可以通过控制汽轮机转速和烟气流量而快速稳定。由于 催化裂化原料油性质、回炼比、反应操作条件和反应深度的变化，产品分布是动 态变化的，因而反应器压力也随之变化。反应压力的变化又反过来影响裂化反应 速率及产品分布【蚓。反应器压力的变化还影响其后的分馏塔压力。因此，还需建 立催化裂化装置压力系统的动态数学模型。 以裂化反应动力学、再生反应动力学、提升管反应器流化模型和再生器流化 模型为基础，根据物料和能量守衡原理m e s h ，并考虑到依时间变化的积蓄量， 可建立反应再生系统的动态机理模型，用于过程仿真与控制。 1 3 2 裂化反应动力学模型的发展 催化裂化装置的原料为减压馏分油( 部分装置掺炼减压渣油) ，其化学组成复 杂，所含分子数目繁多，目前尚无法知道其结构式，因此也就不可能就各分子写 出裂化反应速率表达式。 b l a n d i n g 3 5 1 把原料当作一个反应物，认为裂化反应本应是典型的一级反应。 但对于催化裂化的实际过程来说，只有在催化剂活性中心附近的烃分子才能参与 反应，随着反应的进行低分子反应产物的稀释作用增大，原料油的实际可裂化性 随着反应深度的增加而降低。因此，裂化反应实际表现为接近二级反应，由此导 出的裂化反应模型为： y 0 0 0 - y ) = 后p 圪( 1 1 ) 式中，y 为原料的转化率；后为综合反应速率常数，( p a h ) - 1 ；p 为原料油分压，p a ； 圪为原料油质量空速，h 一。 a n d r e w s 3 6 1 对流化床反应器中焦炭产率与剂油比的关系进行了考察，并提出 了计算式。b l a n d i n g 方程对催化裂化反应规律的阐述被人们广泛应用于模型的建 立，其综合反应速率常数由大量试验和工业装置数据拟合得到。许多国外公司都 以b l a i l d i n g 方程为基础开发出半经验半理论模型【3 7 - 3 9 1 ，其中p a c e 模型可用于处理 各种裂化原料的裂化反应过程，如各种原料馏分及回炼油等【3 7 ，3 9 1 。 第一章文献综述 另一大类模型是按原料和产品的化学反应动力学相近的原则，把原料和产 品划分成若干个集总，考察每个集总的反应动力学规律，建立集总反应动力学模 型。w e e k m a n 在假设原料裂化为二级反应( b l a n d i n g 的结论) 、汽油裂化为一级反 应的条件下提出了包括原料、汽油、气体焦炭的3 集总反应动力学模型m - 4 2 。 n a c e 和v o l t z 等人以3 集总反应动力学模型为基础，提出了最大汽油产率与 反应动力学参数及操作变量的关系式，考察了原料烃类组成和原料中碱氮、回炼 油对裂化性能的影响，并提出了反应速率常数与原料烃类组成关联式【4 3 郫】。 在b l a n d i n g 转化率模型和w e e km a n 的3 集总动力学模型 4 0 - 4 2 1 中，原料油的反 应采用二级反应，而其他反应均为一级反应，但k r i s l l l l a s w a n l y 【4 6 】认为，原料油表 现为二级反应动力学，不是因为原料油沸点范围太宽，而是因为催化裂化反应比 催化加氢裂化反应时间短得多( 加氢裂化反应对各集总均为一级反应) 。由于焦炭 沉积是快失活过程，应当同时考虑一次反应动力学和失活反应动力学。他认为失 活速率不但与活性中心成一级反应关系，而且与原料未转化率也成一级反应关 系。本文认为催化剂活性对活性本身为一级反应，对未反应进料为一级，进料( 包 括回炼油) 的反应级数对未反应为一级别。 1 3 3 催化裂化反应的机理模型的发展 众所周知，要对工业生产装置进行先进控制和优化控制，最好也是最基本的 方法是了解生产机理，以机理模型为基础实现装置的优化控制和先进控制。对于 催化裂化来说，就是要建立催化裂化的反应机理模型，在机理模型的基础上进行 先进控制与优化控制，但是催化裂化是一个复杂的反应体系，催化裂化原料和产 物的组分繁多，反应复杂，用一般的方法来研究催化裂化这类复杂反应显得十分 困难。一般建立反应器模型都是按照原料和产品的化学反应动力学相近的原则， 把原料和产品划分成若干个集总，a r i s 4 7 1 和w e e k m a n 【4 0 】等人创导的集总理论， 为催化裂化反应动力学的研究开辟新途径。 所谓集。也o , ( 1 u m p i n g ) ，就是利用物理和化学分析的手段，将大量化合物按其动 力学性质归并成若干个虚拟的单一组分来处理。美籍学者韦潜光教授首先对复杂 的单分子反应体系进行了广泛研究，创立了集总体系的动力学速度常数矩阵法。 在此基础上，可以对各种复杂体系进行动力学分析，确定集总分族及集总反应网 络，建立反应动力学模型，并用实验方法结合数学模型，确定各动力学常数。用 8 第一章文献综述 集总理论建立动力学模型的方法已经在石油炼制过程的复杂反应体系中得到了 广泛应用。 2 0 世纪6 0 年代，w e e k m a n 等人应用集总理论，将催化裂化反应系统中的 所有组分归并为原料油、汽油、裂化气体+ 焦炭三个集总，首先开发出催化裂化 反应三集总动力学模型，并用该模型满意地预测同一原料的反应转化率和产品分 布，指导工业装置进行优化操作。 三集总模型的优点是：反应原料不需要分析，应用方便；不涉及复杂的数学 处理。容易建立和求解动力学方程；能够同时计算瓦斯收率和汽油产率。但是， 由于三集总理论模型没有对原料进行分族，当原料油组成发生变化时，其反应速 率常数必然改变，大大限制了模型的应用范围。 众多的后来研究者进一步提出了蜡油裂化的4 集总模型【4 8 1 ，5 集总模型h 9 】， 日本学者高冢透等人提出的六集总模型【5 明模拟渣油的催裂化反应。六个集总分别 为：渣油油浆( v t b s o ) 、蜡油回炼油w o o h c o ) 、柴油( l c o ) 、汽油 ( g o ) 、裂化气( g s ) 和焦碳( c k ) 六集总反应动力学模型的反应网络如图1 - 2 所 示。 么滁冬 v 纨肜 图1 - 2 日本学者高冢透等人提出的六集总模型 2 0 世纪7 0 年代，j a c o b 等又将3 集总动力学模型发展成1 0 集总动力学 模型。其基本思路是把原料和产品分成轻、重两大馏分( 2 2 1 - 3 4 3 c 馏分和 3 4 3 馏分) ，每个大馏分又分成烷烃、环烷烃、芳香环和芳香取代基共8 个集总， 另加汽油、气体焦炭2 个集总，并假设各反应均为一级反应。 在国内，洛阳石油化工工程公司和华东理工大学在1 0 集总动力学模型基础 第一章文献综述 上，考虑到的回炼油中的芳烃是以多环芳烃为主，易发生缩合生焦反应，故在多 环芳烃中再进一步分解成一，二芳环集总和三环以上芳环集总，建立了十一集总 动力学模型，并已获得工业应用 5 2 - 5 6 1 。 此后，国内外学者在尽可能详尽合理的基础上，相继提出了新的集总模型。 我国学者刘之定等 5 7 , 5 8 】等在十集总基础上，根据我国大回炼比的实际情况，提出 了符合我国炼厂实际的十二集总动力学模型。为了解决渣油催化裂化应用上述模 型存在的问题，邓先梁【5 9 1 等提出了催化裂化十三集总模型。孙铁栋【6 0 】等提出了 渣油催化裂化十四集总动力学模型。这些模型均能很好地预测各种原料油反应的 产品分布，具有良好的适应能力，但是它们对反应原料组成分析要求较高，需要 进行质谱分析，在一般工厂较难做到，使模型的推广应用受到一定的限制。 集总数越多，所建立的集总动力学模型越接近真实的反应动力学，尽管离分 子反应动力学还很遥远。然而，集总数增加后，反应速率常数等动力学参数剧增， 不仅增加了数学处理上的复杂性和难度，同时大大地增加了确定动力学参数的实 验工作量。特别是大量的实验室工作只能使模型对于反应动力学的深入研究和离 线仿真、离线优化，由于计算工作量大和目前计算机速度的限制，难以用于实时 控制和在线优化操作，所以，用于控制方面的动态机理模型中，采用集总数较低 的反应模型较为适宜。 综上所述，本文将采用石油大学的罗雄麟，袁璞，林世雄 6 1 。s 2 1 建立了前置烧 焦罐式高效再生器催化裂化装置的提升管反应器和汽提段的动态数学模型。反应 动力学采用“原料油，柴油，汽油，气体，焦炭”五集总模型。 1 4 催化裂化反应再生部分的仿真控制发展 国外在8 0 年代以来，以模型预估控制为代表的先进过程控制技术在石油化 工过程中得到广泛应用6 3 。6 7 】。 国内在1 9 8 6 年华东石油学院的郑远扬【6 1 】等为采用提升管裂化反应器和再生 器两段再生技术的同轴式提升管催化裂化装置建立了一个动态模型，它具有一定 的理论基础，但是没有充分的进行动态模拟仿真。 浙江大学的裘俊红等人运用了四阶的r u n g e - - k u t t a 方法对上述模型进行了 动态仿真。谭清，朱建军，林西平【醅】在九十年代中期江苏石油化工学院学报提出 第一章文献综述 了一个用于描述催化裂化单元提升管反应器、沉降器及再生器动态行为的计算机 仿真模型。该模型由一组微分方程组成，通过合理的简化，已被成功地应用于九 江炼油厂1 0 0 万屯年重油催化裂化装置的仿真。+ 1 9 9 8 年王克庭6 9 7 叫等人建立了适合提升管式催化裂化装笔i ( f c c u ) 反应再生 系统的动态过程模型，数字仿真结果表明，所建立的模型正确地反映了系统的动 态特性，对此模型进行了合理的简化，得到了易于应用的简化模型简化模型较 好地保留了工作点附近的系统特性。应用实例表明，简化模型可以用于过程控制 系统的仿真研究。 同年石油大学的田学刚。n 】在前人工作的基础上，应用化工动态学原理，开发 了重油不完全再生催化裂化过程动态模型，考虑了催化剂输送过程的纯滞后；用 “非平衡”机理分析，建立了主分馏塔的动态数学模型。在一套培训系统上同时实 现6 套2 0 0 万吨年r f c c u 全流程并行仿真培训。主要缺点是只是对r f c c u 流程并进行简单仿真培训，虽然基本仿真的实时性要求，但是模型比较简单，精 度要求不高，不能用于基础研究和精确仿真。 1 5 本论文的工作安排 f c c u 反应再生装置的优化控制是f c c u 提高经济效益的一个重要环节，本 文主要从机理模型着手对反应再生系统进行仿真研究，主要包括以下几个方面： 一、结合已有的文献资料，选用提升管反应器五集总模型，总结得到油品性质的 计算方法。 二、从实际装置着手，建立反应再生系统的机理模型，并采用合理的假设对机理 模型进行简化处理。 三、进行反应动力学参数求解，并用m a t l a b 软件进行仿真模拟。 四、利用本实验室开发的x d a p c 仿真平台对所建立的模型进行仿真，其中进行 仿真平台的界面设计等。 五、通过仿真平台来考察催化剂流量，反应器温度等的动态响应情况。 第一章文献综述 本章主要参考文献 【1 】石卫2 0 0 5 年原油加工能力统计【r 】国际石油经济，2 0 0 6 0 5 【2 】陈俊武，卢捍卫催化裂化在炼油厂中的地位和作用展望一催化裂化仍将发挥主要作用 【j 】石油学报( 石油加工) ，2 0 0 3 ，1 9 ( 1 ) ：l 一1 0 ( c h e njw ，l uhw p r o s p e c t so fs t a t u sa n d r o l eo ff c ci nr e f i n e r y f c cw i uc o m i n u et op l a yal e a d i n gr o l ei np e t r o l e u mr e f i n i n g i n d u s t r y 阴a c t ap e 们l e is i n i e a ( p e t r o l e u mp r o c e s s i n gs e c t i o n ) ，2 0 0 3 ，19 ( 1 ) ：1 10 ) 【3 侯芙生中国石化集团公司，北京2 l 世纪我国催化裂化可持续发展战略 j 】石油炼制与 化工，2 0 0 2 ，3 2 ( 1 ) ：1 6 【4 】山红红，李春义，杨朝合，张建芳流化催化裂化技术研究进展阴石油大学学报( 自然 科学版) ，2 0 0 5 ，2 9 ( 6 ) ：1 3 6 1 5 0 【5 】周春晖过程控制工程手册北京：化学工业出版社1 9 9 9 ，1 3 9 0 。1 3 9 7 【6 】邬国英等石油化工概论北京：中国石化出版社2 0 0 0 【7 】 张德义提高催化裂化技术水平，增强炼油企业竞争能力炼油技术与工程，2 0 0 2 ，3 3 ( 3 ) ： 1 8 【8 】左丽华我国催化裂化技术发展现状及前景石油化工技术经济，2 0 0 0 ，1 6 ( 1 ) ：1 6 2 1 【9 】 侯芙生充分发挥催化裂化深度加工的骨干作用当代石油石化2 0 0 3 ，“( 6 ) ：1 - 5 1 0 张德义提高催化裂化技术水平，增强炼油企业竞争能力【j 炼油技术与工程，2 0 0 2 ， 3 3 ( 3 ) ：1 - 8 【“ 王飙，徐春明，高金森我国重质油加工方案的分析叨当代化工，2 0 0 3 ，3 2 ( 2 ) ： 1 1 5 一1 1 7 【1 2 】余绩庆国内重油加工技术动态综述石油规划设计，1 9 9 7 ，( 5 ) ：6 - 8 【1 3 】郝锐，钱伯章面向2 l 世纪的重质油和渣油改质技术石油化工，1 9 9 7 ，2 6 ( 4 ) ： 2 5 7 - 2 6 7 【1 4 】汤相华。世界石油供需分析与展望当代石油石化，2 0 0 2 ，1 0 ( 7 ) ：11 1 6 【1 5 】吕雪松，张其凯催化裂化过程控制与优化西北大学学报，1 9 9 5 ，2 5 ( 5 ) ：5 4 3 5 4 6 【1 6 】徐树军，颜秀，裴小军，部广斌，张滨生微机优化控制系统应用科技2 0 0 0 ，2 7 ( 4 ) ： 2 2 2 5 【1 7 】张德义进一步发展催化裂化在原油加工中的作用川当代石油石化2 0 0 1 ，9 ( 2 ) ：5 1 1 【1 8 】乔欣，冯浩，易明新，余惠军，赵冉红，f c c u 多产柴油的技术措施，油气田地面工程， 2 0 0 2 ，2 1 ( 4 ) ：7 2 【1 9 】崔文广，周二鹏，赵地顺改进催化裂化汽油辛烷值技术进展河北化工2 0 0 3 ，( 6 ) ：l - 4 【2 0 】杨朝合，郑俊生，钮根林，山红红，张建芳重油催化裂化反应工艺研究进展炼油技 术与工程，2 0 0 3 ，3 3 ( 9 ) ：1 - 5 【2 l 】闫平祥，高金森，徐春明重油催化裂化反应技术的进展石化技术，2 0 0 3 ，1 0 ( 1 ) ：4 l 4 4 1 2 第一章文献综述 【2 2 】张国磊，高金森，梁咏梅，徐春明，刘耀芳催化裂化汽油降烯烃技术研究进展化工 纵横，2 0 0 3 ，1 7 ( 8 ) ：1 - - 4 【2 3 】李建强，钮根林催化裂化汽油脱硫技术研究及进展天然气与石油，2 0 0 3 ，2 l ( 3 ) ： 2 6 3 0 【2 4 】曹新波，段占庭催化裂化装置回收系统的进展和改进炼油技术与工程2 0 0 3 ( 3 ) ： 2 3 - 2 6 【2 5 】侯永兴，姜波，赵峰催化裂化装置吸收稳定