（化学工程专业论文）焦化转油线工艺软件开发与结构优化.pdf

摘要 论文完成了焦化转油线工艺计算软件的开发，考察了软件的计算精度，分析了进料 物性、散热损失、焦化炉出口转化深度对转油线计算结果的影响；现场调研1 1 个企业 焦化转油线，通过散热分析、压降与汽化分率分析、转油线内反应评价，剖析调研转油 线，考察了转油线气封蒸汽、结焦厚度、管件数目、主管管径对转油线温降等关键参数 的影响，提出了以加强管线保温、合理优化管径、减少管件，缩短管线长度的转油线优 化方向；针对典型企业最大限度缩短转油线并调整管径，得到温度、压力、汽化分率、 表观流速、裂化转化率的分布，得到缩短管线前后转油线垂直管内均为环雾状流，水平 管内均为雾状流的结论，为转油线结构优化设计提供依据。 论文提出了转油线应力分析的简化计算方案，提出了转油线关键节点的对比方法， 利用c a e s a r i i 应力计算软件校核简化方案的可行性；针对调研转油线分析其应力水平与 优化裕量，得到转油线应力水平的一般规律；对典型转油线在工艺和应力评估的基础上 进行了结构优化设计。 关键词：焦化炉，转油线，结构优化，工艺计算，应力分析 t h e d e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no n d e l a y e dc o k i n gt r a n s f e rl i n e h em i n ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i a oj i a z h i ，w a n gl a n j u a n a b s t r a c t n es o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e dt oc a l c u l a t es o m ek e yp a r a m e t e r so ft h et r a n s f e rl i n e t h en a t u r eo ff e e do i l ，t h eh e a tl o s s e sa n dt h ed e p t ho ft h er e a c t i o nc a na f f e c tt h es o t h v a r e r e s u l t s ；11 s e t sd a t ao fd e l a y e dc o k i n gt r a n s f e rl i n eh a v eb e e nc o l l e c t e da n dh a v eb e e n a n a l y z e di nt h r e ep a r t s ：t h eh e a tl o s sa n a l y s i s ，t h ep r e s s u r ed r o pa n dv a p o r i z a t i o na n a l y s i sa n d a n a l y s i so ft h er e a c t i o ni np i p e t h es e a l i n gs t e a m ，c o k et h i c k n e s s ，p i p ef i t t i n g s ，t h ed i a m e t e r o ft h em a i np i p ea n dt h el e n g t ho ft h et r a n s f e rl i n ec a na f f e c tt h er e s u l t so ft r a n s f e rl i n e t h i s t h e s i sh a sg i v e nt h ew a yf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n - s t r e n g t ht h eh e a tp r e s e r v a t i o n ，o p t i m i z e t h ed i a m e t e r , d e c r e a s et h eu s eo ft h ep i p ef i t t i n g sa n ds h o r t e nt h et r a n s f e rl i n e i th a ss h o r t e n t h et y p i c a lt r a n s f e rl i n ei nt h em a x i m u mw a ya n de n l a r g et h ed i a m e t e r , t h e ng o tt h e d i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r e , t h ep r e s s u r e ，t h ef r a c t i o no ft h ev a p o r i z a t i o n ，t h ev e l o c i t ya n d c r a c k i n gc o n v e r s i o nf r a c t i o n t h et w o p h a s ef l o wi nt h ev e r t i c a lt u b ei sc e n t r a lm i s tf l o wt y p e ，i n t h eh o r i z o n t a lt u b ei sm i s tf l o w t y p e i tp r o v i d e sab a s i sf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n t h i st h e s i sh a sd e v e l o p e dt h es i m p l i f i e dm o d e lf o rt h es t r e s sa n a l y s i sa n dg a v ean e w w a yt oc o m p a r et h en o d es t r e s s t h ek e yn o d es t r e s sw a y i tu s e dt h ec a e s a ri is t r e s ss o f t w a r e c h e c k i n gt h er e l i a b i l i t y t h ec o l l e c t e dt r a n s f e rl i n e sh a v eb e e nc a l c u l a t e da n dg e tt h er u l eo f s t r e s sa n a l y s i s ；t h et y p i c a lt r a n s f e rl i n e sh a v eb e e no p t i m i z e da f t e rt h ep r o c e s sa n a l y s i sa n d s t r e s sa n a l y s i s k e yw o r d s ：t h ed e l a y e dc o k i n gf u r n a c e ，t r a n s f e rl i n e ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，p r o c e s s c a l c u l m i o n ，t h es t r e s sa n a l y s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：塑熬 日期：2 d d 7 年6 月5 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 石月5 日 6 月，日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 延迟焦化工艺的重要地位 加工重质原油是世界炼油工业的一个重要方向。延迟焦化工业装置因其工艺流程简 单，对原料的适应性强，技术成熟可靠，产品灵活性大，工程投资和操作费用较低，投 资回收年限短，产品柴汽比较高等特点，目前已成为全球重油加工的主要手段。 据美国油气杂志统计，2 0 0 4 年全世界6 7 4 座炼油厂1 4 7 座拥有焦化装置，总的 加工能力为2 4 4 m t a ，约占世界原油一次加工能力的5 9 3 。特别是进入2 1 世纪以来， 延迟焦化己成为发展最快的炼油工艺之一，全球焦化装置加工能力由1 9 9 9 年初的 1 9 1 m t a 提高到2 0 0 5 年初的2 4 4 m t a ，增长了2 7 7 5 ，仅次于异构化装置。据预测，今 后二十年焦化装置加工能力仍将以每年7 o 的速度增长【1 1 。 我国是延迟焦化能力发展较快的国家之一，自1 9 9 3 年加工能力突破1 0m t a 以来， 一直保持高速增长，1 9 9 9 年突破2 0 m t a ，2 0 0 4 年底已达到3 7 2 5 m t a ，居世界第二位。 据统计，目前中石化约有2 8 套焦化装置正在运行，总加工能力约为2 8m t a ，正在建设 的装置约有7 套，总加工能力约为l o 8m t a ，2 0 0 8 年后，中石化将有约3 5 套焦化装置， 焦化加工能力将达到约4 0m t a 。中石油约有1 4 套焦化装置正在运行，总加工能力约为 1 5 5m 妇，正在建设的装置约有2 套，总加工能力约为2 4m t a ，2 0 0 8 年后，中石油将 有约1 6 套焦化装置，焦化加工能力将达到约1 8m t a 。不完全统计国内地方炼厂建设的 焦化装置约1 5 套，总加工能力约为1 0m 妇。中海油在广东惠州建设一套4 2 0 万吨年的 焦化装置，已于2 0 0 8 年投产。2 0 0 8 年后中国的焦化总加工能力超过7 0m t a ，焦化装置 将成为中国最主要的渣油加工装置 2 1 。 1 2 延迟焦化工艺流程简介 延迟焦化是利用重油结焦前体物在裂解转化率较低时不易出现的反应现象，使重油 在热转化程度较低的情况下快速通过焦化炉炉管获得热反应所需要的热量，在焦炭塔内 完成重油轻质化的工艺过程1 3 】。该工艺过程可以根据炼油厂的不同原料和操作条件，调 节产品产率，如多产汽油、柴油或多产裂化原料的重质馏分油或多产焦炭。因此，延迟 焦化过程是炼油厂提高轻质油收率和生产石油焦的主要加工手段。 延迟焦化装置的工艺流程有不同的类型，就生产规模而言，有一炉两塔( 焦炭塔) 流程、两炉四塔流程等。图1 1 是延迟焦化典型工艺流程图，原料渣油进入装置后，先 送入原料缓冲罐，再用原料泵抽出，经换热器换热后进入加热炉的对流段进行预热，然 第一章前言 后送入分馏塔的下部，与来自焦炭塔顶的高温焦化油气进行直接接触换热后，由分馏塔 底用热油泵抽出，经加热炉辐射段加热至5 0 0 左右；然后经四通阀进入焦炭塔中进行 焦化反应。焦炭塔内的油气发生热裂化反应，重质液体则连续发生裂化和缩合反应，最 终转化为轻烃和焦炭。从焦炭塔顶部逸出的油气进入主分馏塔，经分馏得到气体、汽油、 柴油、蜡油和循环油p j 。 常规焦化生产中，一台加热炉和两台焦炭塔相连为一套，其中一台焦炭塔进行生焦 反应，另一台已充满焦炭的焦炭塔则进行除焦，两台相互轮换操作【4 】。 i 汽曲 集曲 i 曲 l 一一一d 矗囊 图1 - 1 延迟焦化过程典型工艺流程 f i g l - 1t y p i c a lt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fd e l a y e dc o k i n g 1 3 焦化转油线温降对装置的影响 焦化转油线是指从加热炉出口到焦炭塔入口的油气线，其特点是温度高、介质处于 汽液混相的状态，转油线内的压降影响到原料油的汽化率和加热炉出口温度。当操作压 力与循环比固定后，提高焦炭塔温度将使气体与汽油收率提高，馏分油收率降低，焦炭 产率下降，并使焦炭中的挥发分降低，提高反应温度对焦化有利，当原料性质一定，焦 炭塔生焦温度与焦化炉出口温度及转油线设计状况直接相关。 随着温度的升高及压力的降低，进料( 减压渣油) 在加热炉辐射段炉管内开始汽化， 介质在汽化段炉管及转油线内处于汽液两相流流动状态。两相流流型主要取决于汽液相 流速及其物理性质，对垂直管主要有气泡流、液节流、泡沫流及环雾状流四种流型，对 水平管主要有分层流、波状流及雾状流等七种流型。在实际生产中，要求转油线的压降 越小越好，这就要求在转油线内两相流的流型尽量保证为分层流，转油线最忌讳的流型 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 是液节流，由于液节流容易引起转油线的震动，对其结构强度带来危险。 由于焦化转油线内反应及流动过程复杂，目前焦化转油线未有进行工艺计算，转油 线管径设计源于经验，转油线长度按照现场主要设备的布置情况架设。由于焦炭塔操作 压力和油品进塔温度受工艺过程制约，转油线设计好坏直接影响加热炉出口温度高低： 加热炉出口温度过高，会加剧管内油品的裂解、缩合等反应，进而加剧炉管与转油线内 的油品结焦，导致装置开工周期缩短。 转油线的温降指焦化炉出口温度与焦炭塔底进料温度之差。国内转油线最高操作温 降2 3 c ，一般在1 0 左右。转油线温度调研表见表1 1 。有材料表明，生焦反应温度提 高5 6 c ，轻油收率将上升1 1 。影响转油线温降的因素主要有以下方面： 1 散热损失：焦化炉转油线弯头多管线保温质量难以保证，正常操作时各点温度都 在4 7 0 以上，管线散热难以避免。 2 介质在转油线内汽化：压降影响温降，加热炉出口压力较高，油品中较重的轻质 组分不能汽化，随着转油线内压力的降低，轻质组分逐渐汽化，并吸收热量，使焦炭塔 与加热炉出口之间形成温降，并且压降越大，油品在管内绝热闪蒸量就越大，形成的温 降也就越大。 3 介质在转油线内反应：焦化炉出口介质温度5 0 0 左右，转油线内无疑既存在着裂 解反应，又存在着缩合反应，而且主要是裂解反应，整个过程需要吸收热量，由于转油 线内油气没有任何外来能量的加入，只是一个传送热量的过程，因此随着反应的进行， 温度是逐渐降低的，反应产物的平衡汽化也会导致介质温度降低。 如果转油线温降过大，应分析其原因并采取相应措施：若由于转油线内油品压降过 大，应适当增大管径或改善管线布置，以减小油品的压降；若是转油线保温结构不良而 造成散热损失过大所导致，此时应改善保温结构及其材质，以减少散热损失；适当缩短 转油线长度，减少介质在管线中的停留时间，让其尽可能在焦炭塔内反应，从而减小转 油线温降。 3 第一章前言 表1 - 1 转油线温度长度调研汇总表 ：! 垒坠! ! ! ：!：! ：塾! ! 翌g ! 塾苎竺垒! 竺磐e ! ! 苎! 竺翌兰竺罂! 巴苎型! 兰垒! 竺2 11 垒! ! ! 呈翌! ! ! ! ! ! 呈! 厂家入口温度出口温度温降 c 长度m 根 1 4 焦化转油线特点 目前炼油厂老焦化装置使用的三通主要为t 形三通，t 形三通部位当流体汇合时压 力损失较大，且在开工时易出现管道振动的现象，因此，新设计的炼油厂会考虑采用y 形与裤形三通，y 型三通与裤型三通等特殊管件逐级扩径，使管线流畅，可以减少温降 和压降。但是这两个管件易导致局部应力高度集中，给设备安全造成隐患。对这两个管 件一般采用a n s y s 软件进行局部应力分析。 四通阀是焦化装置安全操作的重要管件。装置开停工，以及装置运行中的切换塔， 都要注意四通阀的操作，预防四通阀卡死而引发事故。四通阀是由铬、钼合金阀体和旋 塞配合而成，见图1 2 。在旋塞的锥面上开有类似弯头形状的通道；旋塞在阀体中既可 固定又可旋转，和阀体四个方向的开口对应与外面管线相接，借用旋塞在阀中所处位置 不同而使加热炉来的物料有不同的去向。两个出口分别去两个焦炭塔，一个出口可去放 空或者侧部进料供开工循环用，还有一个切断位置，即死点，为操作方便在手轮上标有 去向的箭头。在正常生产时不可切换到死点，只能旋转9 0 度角，在四通阀底部设有两 根汽封，防止渣油在旋塞和阀体间结焦。目前，不少厂家在四通阀气封上进行相应的调 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 整，如锦州石化，将四通阀汽封蒸汽和冷焦处理过程中汽提蒸汽由低压蒸汽改造为高压 蒸汽，确保了焦炭塔内反应温度，防止变温生产过程中冲塔；安庆石化从稳定加热炉炉 出口温度着手，同时降低焦炭塔底四通阀的气封量和消泡剂的护管蒸汽量，在确保焦碳 质量的同时，最大限度地提高装置的液体收率。 图1 - 2 旋塞式四通阀示意图 f i g l - 2d i a g r a mo ff o u r - w a yv a l v e 焦化转油线的操作温度为5 0 0 。c ，操作压力为0 4 5 m p a ，由于介质是高温高含 硫重油，管道材质一般选用选用c r 5 m o 。对该管道的设计应本着尽量短而至的原则， 以减少弯头数量和缩短管道长度，减小管道内的压力降和防止介质在管道内结焦。焦炭 塔的间歇操作使转油线不断处于升温与降温的过程中，受力情况复杂且相当苛刻，长期 运转易产生“热蠕变的现象，造成管线变形甚至破坏，因此，转油线设计中应慎重进 行应力分析，确保管线安全操作。 设计管线过程中应考虑合适的方式来吸收端点的位移，由于焦化转油线操作温度 高、压力大，不适合采用膨胀节等设备吸收管线热胀，一般在管线设计中靠增加管线转 弯、设置弹簧支撑的方式来减小管线应力，管线留有应力裕量较大。 目前发表的有关焦化转油线设计的文献较少，可供参考的降低转油线应力的技术主 要有由炉管吸收转油线热涨量技术【5 1 和冷壁式转油线技术 6 1 。 由炉管吸收转油线热涨量技术图见图1 3 、1 4 ，其技术要点包括： 低速段转油线与减压炉管通过三通平滑连接，取消高速过渡段管线； 辐射炉管的改造：炉出口底板或者项板根据附加位移量适当开孔；炉管下弯头设 导向管，控制炉管摆动；上弯头设正y 向约束。 5 第一章前言 低速转油线冷紧； 该技术主要针对减压转油线提出，目前已在很多焦化装置予以使用，可以利用炉管 来吸收转油线的热胀应力，取得了较好的效果。 u 墅补雠弯 图1 - 3由炉管吸收转油线热涨量技术图( 改前) f i g l - 3 r e d u c et h et r a n s f e rl i n es t r e e sb yf u r n a c et u b e ( o l d ) 图l - 4由炉管吸收转油线热涨量技术图( 改后) f i g l - 4r e d u c et h et r a n s f e rl i n es t r e e sb yf u r n a c et u b e ( n e w ) 冷壁式转油线技术关键在于管线内部采用防腐隔热新型材料如图1 5 所示，采用此 种技术一方面可以防腐隔热，降低低速段温降，还可以降外壁温度，减少热涨量，并且 转油线可采用碳素钢，节省了采用奥氏体钢材的投资。 目前该技术在大庆联谊化工厂减压转油线得以施用，在焦化转油线没有应用的案 例。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 5 冷壁低速转油线结构简图 f i g l - 5 t h et e c h n i c a lo fp i p ew a l la tl o wt e m p e r a t u r eo ft r a n s f e rl i n e 1 5 课题的提出及工作思路 目前关于常减压转油线的研究较多，而对焦化转油线研究较少，可采纳的文献更少， 虽然常减压转油线的研究对焦化转油线研究有参考价值，但两者有本质的区别：首先， 焦化转油线的操作温度接近5 0 0 ，而常减压转油线的操作温度不到4 3 0 ，普遍认为 重油在4 3 0 的情况下才会发生裂解合缩合反应；其次，为了控制焦化转油线内结焦， 要增大转油线内流速，虽然可以通过适当缩小管径来提高流速，但焦化转油线压降又不 能太高，转油线长度受制于焦炭塔和焦化炉的应力要求。国内2 1 个焦化装置调研数据 表明，焦化转油线温降最大2 3 。c ，最小4 。c ，转油线长度对温降影响明显；部分长度接 近转油线，温降有较大差别。对转油线内工艺过程研究及转油线优化势在必行。课题主 要工作内容有以下几个方面： 1 焦化转油线工艺计算软件开发 采用逐段计算法，利用物性计算、反应模型、相平衡模型、焓模型、两相流压降模 型，开发了焦化转油线工艺计算软件，软件要求具有以下几项基本功能： 给定转油线降温曲线，计算转油线散热损失； 给定转油线散热损失，预测转油线温降、压降； 计算任意条件下转油线内温度、压力、两相流流型、汽化分率、表观流速及裂化 转化率的分布。 2 转油线应力分析简化模型的提出 以焦化转油线操作特点为依据，提出了焦化转油线应力分析的简化计算方案，确立 了四通后入塔管段极限温度的应力考察方法，建立了关键节点对比的分析方法，利用 c a e s a r i i 应力计算软件采用典型转油线数据校核方案可行性。 3 焦化转油线工艺计算软件精度考察与在役转油线剖析 7 第一章前言 考察原料物性、焦化炉出口裂化深度、散热损失对转油线计算结果的影响；从转油 线散热分析、转油线压降与汽化、转油线内反应三方面综合评价调研转油线，提出加强 管线保温、合理优化管径、减少管件，缩短管线长度的转油线优化方向。 4 转油线结构优化 利用转油线应力分析简化计算方案，采用关键节点对比方法，利用c a e s a r i i 应力计 算软件分析调研转油线的应力水平及优化裕量，得到转油线应力水平的一般规律；优化 转油线，给出可参考的优化方案。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章焦化转油线工艺软件开发 对转油线进行考查，必须在已知油品性质条件下进行。因此，必须对焦化炉辐射炉 管内的两相流流动和反应过程进行模拟，得到焦化炉出口的截面性质，作为转油线入口 的初始条件，进而模拟转油线内两相流流动过程及反应过程，得到不同转油线截面温度、 压力及两相流流型等工艺参数。由于油品平衡汽化、两相流流动、油品反应过程相互耦 合，必须开发专门的设计工艺软件。 2 1 逐段计算法 油品在管内中随着压力的不断降低而不断汽化，油品流动过程属于变温汽液两相流 动过程，油品温度、压力、流速以及粘度、密度等物性沿管线不断变化，因此在辐射炉 管内和转油线内过程模拟需要分段进行。 辐射炉管的逐段计算法是将炉管均匀分段，假定每个微元段管内流速、温度、压力 及油品性质均匀一致，从辐射入口开始，在已知温度和压力条件下根据汽液平衡模型计 算汽液相组成，确定物性和流速，然后根据两相流计算压力降，得到下一个微元段内的 压力，根据反应模型得到下一个微元的油品组成，直到完成整个辐射炉管的模拟，得到 辐射出口的油品组成。 转油线的逐段计算法是将分转油线成若干段，从转油线入口开始，在已知温度和压 力条件下根据汽液平衡模型计算汽液相组成，确定物性和流速，然后根据两相流计算压 力降，得到下一个微元段内的压力，根据反应模型得到下一微元的油品组成和反应热， 最后根据热焓模型计算出下一微元段的温度，直到完成整个管线的模拟，简明计算框图 参见图2 1 。 原始数据输入 求与温度无关的物性 反应模型求产品组成 汽液平衡模型求汽化分率 求与温度有关的物性 焓模型计算截面焓值 两相流模型计算压力降 迭代求温度 将温度压力赋给下一个截面 舔言习o 否最后一段二：，2 输出截面结果 图2 - 1 工艺计算框图 f i 9 2 - 1d i a g r a mo fp r o c e s sc a l c u l a t i o n 9 第二章焦化转油线工艺软件开发 2 2 理论模型 完成转油线内过程模拟，除需要掌握油品性质计算方面的知识外，还需要了解油品 焓值、油品反应、汽液平衡、两相流压降计算方面的有关模型。 2 2 1 物性计算 1 假组分和假多元系 石油馏分是复杂的混合物，为了能够用计算机对其进行较为精确的计算，人们提出 了假多元系法【7 1 。假多元系法把石油或石油馏分按沸程分为一系列窄馏分，每个窄馏分 都被看作一个组分，称为假组分或虚拟组分，同时以窄馏分的平均沸点、密度、平均相 对分子质量等表征各假组分的性质。这样石油馏分这一复杂混合物就可以看成是由一定 数量假组分构成的假多元系混合物。 窄馏分的宽度以及一个假多元系所包含的假组分的数目应视具体情况而定。原则 上，馏分越窄，越接近纯组分，假多元系也就越接近真多元系，计算误差就越小。假组 分的宽度不能过大，e d m i s t e r 8 1 曾经指出：对于平衡汽化计算，必须以很窄的馏分来进 行，因为宽的馏分会表现出较其真实沸点为高的汽化能力。 2 与温度无关的物性 与温度无关的物性包括各假组分的分子量、临界温度、临界压力和偏心因子。 石油馏分的分子量采用w i n n 列线图的拟合式明进行计算： 22 l o g 。m = 4 丁k 7 ( 2 - 1 ) = oi = o 式中t _ 中平均沸点，下； k 埔性因数。 表2 - 1 式( 2 1 ) 中的常数 t a b l e 2 1p a r a m e t e r so ff o r m u l a ( 2 1 1 a i i = 0i - 1i = 2 j = o 0 6 6 7 0 2 0 24 5 8 3 7 0 5 x1 0 一2 6 9 8 6 9 3 x1 0 。o j - - 1 0 1 5 5 2 5 3 15 7 5 5 5 8 5 x 1 0 。43 8 7 5 9 5 0 x 1 0 。7 i - 2 5 3 7 8 4 9 6 x10 32 5 0 0 5 8 4 10 1 5 6 6 2 2 8 x10 8 石油馏分的临界温度按r o e s s 公式1 0 1 计算： t c = 8 5 6 6 + 0 9 2 5 9 d 一0 0 0 0 3 9 5 9 d 2 式中d = 。d 1 1 5 5 6 6 ( 1 8 t 矿+ 1 3 2 ) ； 1 0 ( 2 - 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 体积平均沸点，。 临界压力的求取分为两种情况i l l 】 当恩式蒸馏曲线的斜率s o 4 时，可由下式近似计算： 1 1 1 只= - 4 0 9 4 5 7 2 0 4 2 3 7 1 n m + 2 7 8 7 6 5 1 n 疋+ 0 6 5 5 4 1 n 国 ( 2 3 ) 式中m 分子量； r 一临界温度，k ； 彩偏心因子。 当s 0 4 时，石油馏分的临界压力采用下式计算： 1 1 1 只= 5 6 7 5 8 一警_ ( o 4 3 6 3 9 + 百4 1 2 1 6 + 丽0 2 1 3 4 3 ) x 1 0 - 3 瓦+ ( 4 7 5 7 9 + 可1 1 8 1 9 斗【1 d 5 若3 ；0 _ _ _ _ _ 2 ) 2 。) x 1 0 - 7 瓦2 一( 2 4 5 。5 + 耐9 9 0 1 0 x 1 0 - 1 。3 ( 2 - 4 ) 式中t b 一- 石油馏分中沸点，k 。 偏心因子按e d m i s t e r 公式【1 2 】算计： t b 中沸点，k 。 ( 2 - 5 ) 3 与温度有关的物性 石油馏分与温度有关的物性包括密度、粘度和表面张力。在转油线中既存在液相又 存在汽相，要分别计算汽液相的密度、粘度及液相的表面张力。 由于转油线内压力不高，因而汽相密度可以按理想气体处理，而液相密度采用常压 下石油馏分液体密度图【1 3 1 回归式和y a w s 方程修正式来计算，石油馏分液体密度图的 回归式在预测较高密度的石油馏分时的误差比较大，y a w s 方程修正式是y a w s 方程用于 石油馏分密度预测的推广，得到的预测值与a p i 手册密度图密度数据的相对误差一般小 于1 。在程序中，当液相相对密度小于o 8 时，采用石油馏分液体密度图回归式计算， 当相对密度大于o 8 时，采用y a w s 方程修正式进行计算。如果在实沸点蒸馏的原始数 第二章焦化转油线工艺软件开发 据中没有给定各个假组分的密度，可以用以沸点范围为关联式参数的密度预测式【”1 对 其进行预测。 计算石油馏分粘度采用粘度图【1 6 1 的回归式，对于在图表集中没有的数据，采用了线 性插值和外延插值的方法。 2 2 2 相平衡模型 汽液平衡的计算是为了求取油品的汽化率e 。在程序中采用两种方法来计算相平衡 常数k 。一种是由m a x w e l l b o n n e l l 图的拟合式【1 7 】求出石油窄馏分的蒸汽压，再根据理 想体系计算得到相平衡常数k ；另一种是采用h a d d e n g r a y s o n 相平衡常数图拟合的经 验关联式【1 8 1 ： k = = k c ，6 + 1 k c ，6 ( 2 6 ) 式中k h 、k c 2 和k c 7 分别为石油窄馏分、乙烷和庚烷在相同条件下的相平衡常数，b 为 挥发度指数，根据下式计算： 6 = - 0 7 2 3 + 0 6 9 2 x 1 0 2 乙一0 2 9 1 x 1 0 5 乙2 + o 2 6 3 x 1 0 t 6 3( 2 7 ) 式中tr 石油窄馏分的中沸点，。 在较低的压力下，可以把相平衡常数看成是体系温度和压力的函数。乙烷或庚烷的 相平衡常数与温度、压力的关系取为： i n k = + 争+ 7 a 2 + 7 a 3 + 7 a 4 + 可a s + 参+ 舞+ 舞( 2 - 8 ) 式中t _ 体系的温度，； 尸体系的总压力，a t m ； 妒a r 系数，对乙烷和庚烷分别取不同的数值。 a o - a 8 的数值见表2 2 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2 式( 2 8 ) 中的常数 t a b l e 2 - 2p a r a m e t e r so ff o r m u l a ( 2 - 8 ) 2 2 3 焓模型 关于石油馏分的焓值的计算方法有很多。l e e - - k e s l e r 提出的计算烃及其混合物液 体和实际气体焓值的方法所涉及的临界参数均为石油馏分的假临界参数，计算的焓值是 以1 2 9 下的饱和液体为基准状态。该方法需要对比温度和对比压力，同时还需要考虑 偏心因子和压缩因子以及压力对焓值的影响，计算方法比较繁琐。a p i 的石油馏分纳尔 逊焓图拟合式计算步骤较为简单，便于在计算机上实现。已知温度、压力及油品的特性 因数和a p i 重度即可求得石油馏分的焓值。当k 不等于1 2 时，液相和气相的焓值要用 不同的公式进行修正。公式的适用范围与纳尔逊焓图相同，在高压和接近临界区时，可 靠性很差。最近十几年来，人们广泛采用不同的状态方程或混合模型如b w r s 方程、 s r k 方程、c s 模型等进行计算。但是这些模型在计算石油馏分的时候需要用到假临界 参数，使计算变得非常复杂，因此在程序中采用纳尔逊焓图【1 9 】的拟合式进行计算。纳尔 逊焓图拟合式如下： 22 z = 以x y 。 ( 2 - 9 ) 式中x 、y 、z 的意义以及a u 的值列于表2 - 3 。 1 3 第二章焦化转油线工艺软件开发 表2 - 3 式( 2 - 9 ) 中各项的内容 t a b l e 2 - 3p a r a m e t e r so ff o r m u l a ( 2 9 ) 液相焓值是温度t 、比重指数a p i 和特性因数k 的函数。如果k 3 壬1 2 ，液相焓值要 用下式校正： h = h ：( 0 0 5 3 3 k + 0 3 6 0 4 ) ( 2 9 a ) 汽相焓值是温度t 、比重指数a p i 、特性因数k 和压力p 的函数。如果k ：1 2 ，汽 相焓值要用下面两式校正： 日；= 风”一日r ( 2 9 b ) 以= 以一日矿o( 2 9 c ) 2 2 4 两相流压降 汽液两相流压降的计算比单相流复杂，由于汽液两相流动不单受流速变化的影响， 而且随着汽液两相比例的变化，会出现多种流型，不同的流型对压降的影响是不同的， 主要是由于在流动中汽液间有相对运动，流型不同所产生的相对运动程度不同，因而产 生的滞流量也不同。滞流量相当于有一部分液体停留在管路中，占据了一部分管路的截 面积，相应改变了汽液相流速，对压降的影响较大。此外汽液相界面之间也存在摩擦损 失，这给准确计算压降带来了一定的困难。流体的压力沿管长方向不断变化，即使在绝 热过程中，也会导致流体的汽化率、温度及其他物性沿管长方向不断变化。 有关汽液两相流压降的计算的方法很多，其中最为简单的是均相法，此外还有 d u k l e r 法、r o s 法和b e g g s - b r i l l 关联式等。由于汽液两相流动过程十分复杂，一些机理 还不是很清楚，所以提供的方法都是一定范围内的经验关联式，常用的有均相法和 d u k l e r 法。均相法是将两相流当作单相流的计算方法，即假设汽液两相之间不存在相对 运动，忽略持液量对压降的影响。根据这些假设，均相法可以采用范宁公式计算摩擦压 力降，但是其流速、密度和粘度均应用汽液两相的混合流速、混合密度和混合粘度。对 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 于高气速的雾状流和高液速的分散气泡流，均相法的计算误差比较小，但是对于其他流 型，均相法只能作为一种初步的估算。d u k l e r 法是在大量的实验数据的基础上，通过相 似分析法得出摩擦压降的关联式，其中持液量的求取方法采用h u g h m a r k 法。该方法的 计算过程比较简单，适用范围比较广，既适用于水平管，又适用于竖直管，而且准确性 也比较高。虽然均相法和d u k l e r 法的应用比较多，但是m a s u db e h n i a 通过对几种常用 的关联式计算结果与两相流管内压降实测值的比较发现，b e g g s b r i l l s 关联式的平均误 差最小，d u k l e r 关联式居第二位【2 0 1 。b e g g s b r i l l s 法的计算方法如下： ( a p ) f = 笤筹z + 羞址 ( 2 - 1 0 ) i 毋一m 式中( p ) f 计算段压降，p a ； d r 一管内径，m ； 卜计算段压力，p a ； z 一计算段高差( 正值) ，m ； i 一计算段长度，m ； 卜计算段倾斜度，水平f f = o o ； 垂直向下。= 一9 0 0 ； 垂直向上0 = 9 0 0 ； g 。广混合质量流速，k g m - 2 s ； u 。厂混合流速，m s - l ， u 脚= 裂； q i - 计算段液相体积流量，m 3 s ； q g 一计算段气相体积流量，m 3 s 一； u s g _ _ 气相表观流速，m s ，u 阳= 羔； p t p _ 一两相混合密度，k g m 。3 ，如= 见h 。+ p g 0 一h ) ； p i 液相密度，k g m 弓； p g 气相密度，k g m - 3 ； h 1 _ 一持液分率( l i q u i dh o l d u pf r a c t i o n ) 下式确定： 吼p ) = h l ( o ) 垂+ c s i n o 阳) 一号s i n 3 ( 1 阳) b ( 2 1 1 ) 式中h l ( 0 ) 为水平持液分率，凝析流( s e g r e g a t e d ，n f r l i ) 、间歇流 ( i n t e r m i t t e n d ，l i l 2 ) ，用下式计算： 1 5 第二章焦化转油线工艺软件开发 h l ( 0 ) = 0 9 8 ；t o 4 8 4 6 n 罗 0 8 4 5 2 0 5 3 5 1 譬 3 1 0 6 5 a 0 5 8 2 4 n 紫 式中n f 广- f r o u d e 准数，无因次： 式中卜液相体积分率： 借n f , 厶时) 肖l 。 三：时) 鲁 力2 瓦习q l 定义x = l n ( l ) ，l l 及l 2 由下式确定： f 厶= 五x d 一4 6 2 3 7 5 x 一0 4 8 x 2 0 0 2 0 7 x 3 ) 【厶= 点x 砸0 6 1 4 6 0 2 x 一1 6 0 9 x 2 0 1 7 9 x 3 + o 0 0 0 6 3 5 x 5 ) 当液体向上流动时，参数c 由下式计算： c = - - 五 0 一兄 o ，nl(研0011 n i z s 9 n ( 等0 3 0 53 5 3 9 当液体向下流动时，参数c 由下式计算： 饴行 厶时) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 伴厶 n 乃 ：时) ( 2 - 1 6 ) 借n 工2 昏d c = 0 - a ) - n ( 筹 舯驴蒜时5 ； o 一液相表面张力，n m ； 砩由下式计算： 乒：e x pg ) 。l 、。 式中s 2 面面面五丽x 驴碉 一0 0 5 2 3 + 3 1 8 2 x o 8 7 2 5 i x 2 + o 0 1 8 5 3 x 4i 五 v = ，阻。( d 】2 x = i n ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 一1 8 a ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 当1 1 y 1 2 时，s = l n ( 2 2 y 1 2 ) ；当流动接近全气体时，九一0 ，s 一0 ；当流动接近全 液体时y 一1 ，s 一0 ，为单相流动时的摩擦系数，可由下式求得： 1 附= 焉孤瑟磊田 2 。1 9 或由m o d y 图得到，缸= ( 枷，n r e ) 式中： r 。= 雨丽g m d ( 2 1 9 a ) p l 九+ u 九p g 2 2 5 反应模型 1 重油热裂解模型 重油热裂化和缩合是同时进行的。由于组成复杂，其热反应过程也极为复杂，完全 从反应机理得到动力学方程式是不可能的。目前处理重油的热反应过程一般用一些简单 的反应模型来表示，按处理方式不同，可分为平行反应模型、平行顺序反应模型及集总 ( 网络) 反应模型。 根据在焦化炉管中渣油热转化反应深度不高的特点，t o mt a k a t s u k a 等开发了如图 2 2 所示的管式热裂化模型【2 1 1 ，该模型假定裂化和缩合反应均为一级，裂化产物不参加 二次反应，缩合反应是一个连串反应，最终产物为喹啉不溶物，根据馏程将裂化产物分 成3 7 0 - - - 5 3 8 ，2 6 0 , - 3 7 0 。c ，1 5 0 - 2 6 0o c ， 1 5 0 。c 及气体四个集总组分。 3 7 0 - s a s e2 6 0 - - - - 3 7 0 c 7 15 0 - - 2 6 0 c 4 0 _ l 才 l ； l # 羹3 0 l； g # l # 一 毯 ： 题2 0 ， 目 i 一 t 慢，z1 n nr n撤脯眦肛。 1 0 目，j。阻i l j ， u 1 02 2 07 1 0 4 0 5 3 07 4 03 0 06 1 04 3 04 4 01 2 4 01 4 5 c 节点号 图3 7 简化前一次应力水平 t a b l e 3 - 7t h ef i r s ts t r e s sl e v e lb e f o r es i m p l i f y o u l 5 0 i 啊 l 永 目 l l l ； 融4 0 # 长 #_ i $ r l - r3 0 ，、 翅 l 妪2 0 向 l l! 一一 l # 1 0l i 8 i 矗 丹同冈同。一目。n n ； 甘甘!柚叭k 。圉目 1百。胍阿f艄目ii ” 日，；。 ：ii u 1 02 2 07 1 04 05 3 07 4 0 3 0 0 6 1 0 4 3 0 4 4 01 2 4 01 4 5 ( 节点号 图3 - 8 简化后一次应力水平 t a b l e 3 - 8t h ef i r s ts t r e s sl e v e lo fs i m p l i f y 3 3 4 结论 1 建立了单纯考察转油线应力简化方案。 建立了单纯考察转油线的应力简化分析方案，并通过管线校核，确认其在计算中 可行；确立了四通后入塔管段极限温度的应力考察方法。 2 建立了转油线关键节点应力对比方法。 转油线的入口，三通前后，四通阀前后，转油线出口等为转油线考察的关键节点， 在数据对比中，将关键节点的应力水平对比作为转油线应力水平高低的依据。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第四章工艺软件精度考察与在役转油线剖析 现场收集了3 套焦化炉结构、操作条件数据，1 1 套焦化转油线结构、操作