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延迟焦化焦炭塔软测量系统软件开发 论文作者：王伟( 化学工程) 指导教师：肖家治( 教授) 摘要 论文完成了延迟焦化焦炭塔软测量系统软件的初步设计和开发，考察 了软件的计算精度，提出了焦炭塔反应层温度和起始硬焦层温度的概念以 及焦炭塔生焦机理模型，得出了焦炭产率与原料性质的关系，以及预测焦 层高度修正值与总辐射迸料量、炉出口温度的关系。 延迟焦化装置焦炭塔软测量系统软件能在离线和在线的状态下比较 准确地预测焦炭塔内焦层高度、空塔气速和泡沫层高度等重要参数。软件 结合现场数据，通过对软件计算焦高值与现场实测值的对比，考核了软件 的精度，对现场操作具有一定的参考价值。分析了延迟焦化装置焦炭产率 与原料性质的关系，以及预测焦层高度修正值与总辐射进料量、炉出口温 度的关系，为焦炭塔内焦高预测计算提供了理论依据。 通过分析生产周期内焦炭塔塔壁温度的变化，提出了焦炭塔反应层温 度和起始硬焦层温度的概念以及焦炭塔生焦机理模型，为进一步完善焦炭 塔温度场模型和准确计算焦炭塔内焦层高度提供了依据。 关键词；延迟焦化，焦炭塔，焦炭塔生焦机理模型，软测量系统软件 t h ed e v e l o p m e n to ff l e x i b l ec a l c u l a t i o ns y s t e m o nd e l a y e dc o k i n gd r u m s s t u d e n t ：w a n gw e i ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) a b s t r a e t t h 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 f t h e c o k i n gd r u m s - - t h ec o k eh e i g h t , t h ec o n d e n s i n gv a p o r sv e l o c i t ya n d t h ef o a m h e i g h te t c t h e s ep a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e db a s e do nt h es t r u c t u r ea n dt h e o p e r a t i o nd a t ao f t h ec o k i n gu n i t t h es o f t w a r ew i t ht h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h e c a l c u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e sc a nb ep r o f i t a b l ef o rt h ef i e l do p e r a t i o n b a s e do nt h ef i e l do p e r a t i o nd a t ao f t h ec o k i n gu n i t , t h er e l a t i o nb e t w e e n t h ec o k ey i e l da n dt h ef e e dp r o p e r t i e sa n dt h er e l a t i o nb e t w e e l lt h ec o r r e c t e d v a l u eo f t h ec a l c u l a t e dc o k eh e i g h ta n dt h ef e e df l o w , t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo f t h ef u m a c et u b e sh a v eb e e nd i s s e c t e d t h e s ec o n c l u s i o n sh a v ep r o v i d e dt h e t h e o r yb a s e sf o r t h ec a l c u l a t i o no f t h ec o k eh e i g h t t h r o u g ha n a l y z i n gt h ev a r i a t i o no f t h e w a l lt e m p e r a t u r e so f t h ec o k ed r u m w i mt i m ei nt h ep r o d u c t i o nc y c l e , t h ec o n c e p t i o n so ft h er e a c t i o nl a y e r t e m p e r a t u r e a n d t h e i n i t i a l t e m p e r a t u r e o f t h e s t i f f c o k i n g h a v e b e e n p u t f o r w a r d ， a n dt h en e wc o k ef o r m a t i o nm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e d t h e s ec o n c e p t i o n sa n d m o d e lh a v el a i dt h ef o u n d a t i o n so ff u n l e rp e r f e c t i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l d m o d e la n dm o r ea c c u r a t e l yc a l c u l a t i n gt h ec o k eh e i g h ti nt h ec o k ed r u m s k e yw o r d s ：d e l a y e dc o k i n g , c o k i n gd r u m ，c o k ef o r m a t i o nm o d e l ，f l e x i b l e c a l c u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，i l l i 学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 如t j 年 。曰年 易月( p 日 6 月 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 延迟焦化工艺的重要地位 目前重油深度3 n - r 技术仍是当今世界炼油工业发展的重点。提高重油 转化深度、增加轻质油品产量的主要技术，仍然是焦化、渣油催化裂化和 渣油加氢处理等工艺。自1 9 3 0 年8 月世界上第一套延迟焦化工业装置在 美国建成以来，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 l 世纪以来，延迟焦化已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i l 】。 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1 0 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：j n t 能力约为 1 5 5m t a ，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 如。 中海油在广东惠州建设一套4 2 0 万嘟年的焦化装置，预计2 0 0 8 年投产。 2 0 0 8 年后中国的焦化总加工能力将超过7 0 m t a ，焦化装置将成为中国最 主要的渣油加工装置1 2 j 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 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【3 1 。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。 延迟焦化典型工艺流程如图i - i 所示，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 c 左 右；然后经四通阀进入焦炭塔中进行焦化反应。焦炭塔内的浊气发生热裂 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。 从焦炭塔项部逸出的油气进入主分馏塔，经分馏得至4 气体、汽油、柴油、 蜡油和循环油【4 l 。常规焦化生产中，一台加热炉和两台焦炭塔相连为套， 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【5 l 。 汽曲 囊曲 蜡曲 l 一一一b 雠 图l - i 延迟焦化装置工艺流程囝 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 延迟焦化焦炭塔介绍 延迟焦化装置的主要设备包括加热炉、焦炭塔、分馏塔等，其中焦炭 塔则是焦化装置的核心单元设备之一。焦炭塔虽然是一个空筒，但它是焦 化装置的反应器，焦化的裂解和缩合反应在此塔内进行1 6 】。 在生产过程中，焦炭塔是轮换使用的，焦炭塔提供了反应空间使油气 在其中有足够的停留时间以进行反应。焦炭塔里维持一定的液相辩面，随 着塔内焦炭的积聚，此料面逐渐升高。当液面过高，尤其是发生泡沫现象 严重时，塔内的焦粉会被油气从塔顶带走，从而引起后续管线和分馏塔的 堵塞。因此，一般料面达到2 ，3 总塔高度时，就通过四通阀将进料切换到 另一焦炭塔，然后对老塔进行除焦1 7 】。 国内焦炭塔容积利用系数约为6 0 ，国外为8 0 左右，主要是由于检 测、控制焦炭塔焦层料位仪表不足或者使用不好，为实现安全操作，焦炭 塔只能在较低的焦层高度下切换。 防止沥青质泡沫夹带可提高焦炭塔的利用系数阿：为了减轻携带现 象，有的装置在焦炭塔顶设泡沫小塔以提高分离效果；有的向焦炭塔注入 消泡剂( 消泡剂是硅酮、聚甲基硅氧烷或过氧化聚甲基硅氧烷溶在煤油或 轻柴油中) ；塔体外观测塔内泡沫层高度的技术对充分利用焦炭塔内空间 是一种有效的措施例。 1 3 1 焦炭塔内生焦模型 国内关于焦炭塔内焦炭形成模型的理论【1o j 简述如下：焦化原料渣油在 加热炉中被快速加热到5 0 0 左右进入焦炭塔，为防止加热炉管结焦，炉 出口的反应转化率一般不大，大部分的反应延迟到焦炭塔内进行，在塔内 适宜的压力、温度和停留时间的条件下发生裂解和缩合反应。裂解反应产 生气体及轻质及重质油品，裂解的热量除了来自原料渣油本身外还有一部 分由缩合反应提供，缩合反应生成的焦炭停留在塔内，并由塔壁向中心扩 展，中心形成迸料通道。在焦炭层以上为主要反应区，即泡沫层。泡沫层 分油相泡沫和气相泡沫，气相泡沫在上部，其密度约为3 啦l o o k g ，m 3 ，油 相泡沫在焦层以上，其密度约为1 0 睢7 0 0k g ，m ，焦化反应主要在泡沫层， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第】章前言 一般为4 6 0 - - 4 8 0 0 ，高度5 - 8 m 。热态的焦炭层高度一般高于冷态的焦炭 层高度。随着原料的不断进入，产生的焦炭量增加。焦炭层高度增加，泡 沫层也随之连续升高。塔内反应示意图如下： 图1 2 焦炭塔内反应示意图 美国g r e a t l a k e s c a r b o n 公司也对焦炭塔模型进行了研究【1 1 ) 。他们通过 研究针状焦样品和观察从接近焦炭塔底部处切下的焦炭块，提出了“焦炭 塔里树样结构”的孔道分枝理论：原料油在焦化炉里被加热到4 8 5 c 切换 到新塔，由于塔壁温度较低，一部分高温油气在塔壁周围冷凝，大量的液 体沿塔壁流到塔底剧烈的沸腾区域中。由于高温油气的缘故，焦炭塔壁温 逐渐升高，所以被冷凝的油气越来越少，而塔底液相区域温度升高，开始 发生生焦反应，像树干一样的主通道形成了。随着时间的推移，焦炭上层 的液相区域逐渐减少，液体变为一种粘度更大的焦油。这些焦油在试图倒 流回主通道过程中在主通道项部结焦，使主通道出现分枝。所以“焦炭塔 里树样结构”的大分枝出现了，并伸展到整个塔里。最后不流动区域的液 体慢慢变成固态的焦炭。在去掉焦炭塔底部法兰后往上看，可看到一个孔 道从焦炭塔底部向上延伸。该理论模型妇下图1 3 1 所示： 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 图i 3 美国g r e a tl a k e sc a r b o n 公司焦炭形成模型 1 3 2 焦炭塔内泡沫层形成及其影响因素 焦炭塔反应过程中，沿其高度从下到上可分为几个主要区域：下部是 焦炭层：中部是高粘度的胶质沥青质，称为泡沫层；上部为油气层。泡沫 层是由油气气泡，油料和焦炭颗粒混合的一层物料，般其高度随温度的 升高而下降，随注水量和塔内油气线速的增大而增大【1 4 1 。随着裂解反应的 进行，高粘度的树脂状胶质沥青质不断被鼓泡而形成泡沫，已形成的鼓泡 又不断地破裂逸出油气，在一定的温度和压力下达到动态平衡，使泡沫层 维持一定的高度i i ”。 对于泡沫的定义，各国研究者说法不一。美国有学者1 1 6 】认为：泡沫 是体积密度接近气体，而不接近液体的“气液”分散体。日本有人提出【1 r l ： 泡沫是大量气体在少量液体中的分散体。对互不影响的、分散在液体中的 球状气泡组成的体系，称为“气体乳液”。并且指出：减少“气体乳液” 中液体对气体的比例，最终形成高比表面积的，由液膜包裹气泡所组成的 泡沫。我国有文献报道：泡沫是气体分散于液体中的分散体系，气体是分 散相( 不连续相) ，液体是分散介质( 连续相) 。由于气体与液体的密度相 差很大，故在液体中的气泡总是很快上升至液面，形成以少量液体构成的 液膜隔开气体的气泡聚集物影响泡沫性质的因素主要有以下几个方面： 1 表面张力 根据g i b b s 原理，系统总是趋向较低表面能的状态，低表面张力，可 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 使泡沫系统能量降低，有利于泡沫的稳定1 甜。根据l a p l a c e 公式，泡膜内 外的压力差a p = 2 a r ，表面张力a 越低，毛细管压力越小，泡沫排液速度 越慢，所以泡沫相对稳定时间越长1 1 9 】。 2 表面粘度 表面粘度是指液体表面单分子层的粘度，不是纯液体粘度，液体内部 的粘度叫体粘度。如果体粘度很高，也可获得较稳定的泡沫，但远不如表 面粘度影响大。表面粘度与泡沫寿命有正比的关系，表面粘度较大的溶液 所生成的泡沫寿命也较大1 2 0 ! 。 3 溶液粘度 溶液本身的粘度大，贝i j 泡膜中的液体不易排出，又使气体在液膜中的 溶解度降低，增长了泡沫的重力排液松驰时间，气体扩散松驰时间及泡沫 半衰期，因而延缓了液膜破裂时闯，增加了泡沫的稳定性【2 “。但是溶液粘 度仅为一辅助因素，表面膜的形成才是一个关键问题，若不形成表面膜， 液相粘度再大，也不一定能形成稳定的泡沫。如果系统中既有增高表面粘 度的物质，又有较高的溶液粘度，则泡沫的寿命可以大大提高【1 9 1 。 4 温度的影响 泡沫形成之后，温度对它有较大影响，因为泡沫本身是一个热力学不 稳定系统，根据实验一般来说，泡沫的寿命随温度的增高而降低。在低温 和高温下泡沫的衰变过程不同：低温下，泡沫排液使泡膜厚度降低时， 就呈亚稳状态，其衰变机理主要是气体扩散；高温下，泡沫破灭由泡沫 柱顶端开始，这是因为最上面的泡膜上侧，总是向上凸的，这种弯曲面对 蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜越变越薄，最后自行破灭。但有 少数泡沫却随温度增高而稳定性增加，原因是表面活性剂的溶解度随温度 的增高而增大吲。 5 表面效应 泡沫液膜受外力作用，变薄之处吸附的表面活性剂表面浓度瞬间降 低，表面张力升高，液膜其余部分的表面活性剂分子将向此浓度低处扩散， 以恢复原来的浓度和泡沫稳定性嘲。如g i b b s 和m a r a n g o n i 这样的表面效 应，它们“愈合”由于液体流失而交薄的薄膜区域 2 4 j 。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 加热炉出口温度与焦炭塔泡沫层高度直接有关。炉出口温度高，反应 深度增加，泡沫层高度降低；反之，泡沫层高度增加【l 卯。 1 3 3 焦炭塔制约焦化装置加工量提高的因素 焦炭塔内焦层高度和塔内油气流速是制约延迟焦化装置加工量提高 的两大因素。焦层高度过高或塔内油气流速过大都有可能使泡沫层及油气 夹带焦粉冲入分馏塔，引起油气管线及分馏塔底部的严重结焦，加重塔底 循环管线和过滤器堵塞，加速炉管结焦速率而缩短装置运行周期，导致非 计划停工。 1 焦层高度的控制 焦炭塔在进料过程中，随着油料的不断进入，焦层逐渐升高，泡沫层 有可能冲入分馏塔。泡沫层是一种油气气泡、油料和焦炭颗粒混合的一层 物料，一般其高度随温度的提高而下降，随注水量和塔内油气线速的增大 而增大。焦炭塔内的泡沫层约为5 8 m ，当在焦炭塔内注入消泡剂后，泡 沫层的高度可减少5 0 嗡o 。 在确定焦炭塔高度时应留有一定的安全空高( 安全空高为塔顶切线离 泡沫层顶部的距离) ，以防止泡沫层冲入分馏塔。焦炭塔内的料位测量一 般采用中子料位计或r - 射线料位计，其辐射剂量要求s 1 3 微希时。有料 位计时，安全空高可留3 m 左右；无料位计时需5 , - - 6 m ，以保证安全生产1 2 5 】。 空高越大，焦炭塔的利用率越低。 分析研究焦炭塔焦高及泡沫层高度与渣油原料性质、操作条件之问的 定量关系，同时利用焦炭塔多个料位测量点对处理量与焦高预测值及泡沫 层高度预测值之间的关系进行校正，相应调整控制加工量，才能确保一个 生产周期结束时焦炭塔焦高基本接近焦高容许值，达到焦炭塔容积利用率 最大而实现整个装置加工量的卡边操作。 2 焦炭塔油气流速的控制 焦炭塔的单塔处理量越大，要求的焦炭塔直径越大，这主要是由焦炭 塔塔内的允许气速决定的。焦炭塔内油气速度过高，造成油气夹带泡沫和 焦粉进入分馏塔底，然后进入加热炉辐射管。焦粉沉积在分馏塔底会使塔 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 底严重结焦并堵塞塔底循环系统，进入加热炉管易造成炉管提前结焦，影 响正常操作和产品质量，因此应考虑焦炭塔内油气的适宜气速，以防止油 气夹带泡沫和焦粉。 为消除焦炭塔瓶颈制约，缩短生焦周期降低焦炭塔生焦高度是扩大焦 化装置处理能力的常见做法。如镇海炼化公司焦化装置的4 台q ) 6 0 0 0 m m 焦炭塔，通过缩短生焦周期将装置的处理能力由0 8 m t a 提高到1 0 m t a ： 广州分公司也采用同样的方法将装置处理能力扩大到1 1 5 m t a ；长岭分公 司通过缩短生焦周期使原来4 台0 5 4 0 0 m m 焦炭塔处理能力由0 6 0 m t a 提 高到0 9 6 m t a 1 2 6 】。但缩短生焦周期，扩大焦化装置处理能力必须顾及到空 塔气速不能过高，以免造成油气夹带泡沫和焦粉进入分馏塔底。 据资料报导 2 7 1 ，国外在焦炭塔内不注入消泡剂时，允许气速一般为 o 1 1 1 0 1 7 m s 。在使用消泡剂时，由于泡沫层高度降低，密度变大，正常 的设计油气速度应低于o 1 2 - o 2 1 m s 。为减少泡沫夹带，国内焦炭塔内适 宜气相流速约为0 0 9 2 r i d s ，焦炭塔设计的油气速度一般低于o 1 0 - 4 ) 1 5 m s 。 根据焦炭塔的结构参数和现场工艺参数计算塔内的空塔气速，进而作 为现场的参考值调整操作参数以确保气相流速在极限值以下，是缩短生焦 周期操作技术的基础之一。 1 4 课题的提出及工作思路 根据中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油化工总厂和中 国石油大学合作项目延迟焦化装置焦炭塔软测量系统开发应用的要求， 论文的主要目标是利用关系数据库管理系统软件m i c r o s o ra c c e s s ( 简称 a c c e s s ) 和可视化编辑语言v i s u a lb a s i c6 0 ( 简称v b 6 o ) 开发一个方便 灵活的软件系统，用来预测焦炭塔焦高、计算空塔气速及预测产品分布， 实现在线计算功能，以方便操作工人调整参数，帮助解决焦炭塔的一系列 操作上的难题，尽可能的提高延迟焦化装置的处理量。主要工作内容有以 下几个方面： 1 开发延迟焦化焦炭塔软测量系统软件，该软件应具有以下几项基本功 能：预测焦炭塔内焦层高度；估算空塔气速；预测焦炭塔内泡沫层 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 高度；预测产品分布。 2 提高软件的实用性：提高软件的在线计算功能，使软件能够实时地从 在线数据库中读取实时数据库系统采集的数据，然后再计算焦层高度和空 塔气速。 3 校正软件计算的准确性：通过将软件的计算结果与现场采集数据相比 较，校正软件中所用的公式。 4 加强软件计算泡沫层高度的功能：通过进一步修正计算泡沫层高度的 模型，提高计算的准确性。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 第2 章理论基础 2 1 焦炭塔生焦机理 2 1 1 生焦过程 根据国内外文献对生焦机理的解释和现场观察分析，本文提出焦炭塔 生焦机理模型为：焦化原料在加热炉中被快速加热到5 0 0 。c 左右进入焦炭 塔，在塔里主要发生裂解反应和缩合反应，裂解反应生成的油气从焦炭塔 顶逸出并进入分馏塔，缩合反应生成的焦炭则停留在焦炭塔内。假定焦炭 层分为两部分，上部为不易流动的焦层( 即软焦层) ，是生焦反应的主要 反应层，温度较高；下部为已经结焦的焦层( 即硬焦层) ，存在少量的生 焦反应，温度较低。生焦反应为壁面反应，首先在塔壁周围形成不易流动 的软焦层。焦炭塔中间孔道为物料上升区，随着孔道内液相物料的增多及 塔壁周围焦炭的增多，孔道内的液相物料也开始向四周结焦。随着焦炭量 的增加，焦炭层高度增加，泡沫层也随之升高。综上所述，焦炭塔内自下 而上分为四个部分硬焦层、软焦层、泡沫层和油气混合气体，如下图 所示。 图2 - 1 焦炭塔生焦机理模型图 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 2 1 2 塔壁温度 1 反应层温度概念 现场典型焦炭塔塔壁温度随生焦时间变化参见图2 2 2 4 ：当软焦层 和泡沫层位于焦炭塔塔壁热电偶周围，塔壁硬焦层尚未形成，塔壁热电偶 检测到的温度基本不变，假设该状态下一定时间间隔内壁温热偶采集的温 度平均值为反应层温度。 2 起始硬焦层温度概念 现场典型焦炭塔塔壁温度随生焦时间变化参见图2 2 2 4 ：从加热炉 出口而来的油气初始温度较高，塔壁未形成硬焦层时，塔壁传热良好，壁 温检测值基本为反应层温度；反应层内的生焦反应是个吸热反应，塔壁周 围形成不易流动的软焦层后，由于塔体散热的存在，壁温检测值将会下降， 随着焦层上移，检测值将持续下降，直至中问孔道高温油气传递给塔壁的 热量等于散热损失与硬焦层内残余生焦反应所需要吸收的热量。此后壁温 检测值维持不变，定义温度明显开始下降的温度为起始硬焦层温度。结合 现场实际情况，提出判断起始硬焦层温度的条件为： ( 1 ) 起始硬焦层温度要小于反应层温度； ( 2 ) 起始硬焦层温度的范围大致在4 4 0 , - - 4 5 0 1 2 之间； ( 3 ) 起始硬焦层温度处曲线变化斜率小于- 2 o c i - i r ； ( 4 ) 起始硬焦层温度之后连续至少有5 个温度点满足条件( 3 ) 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 4 6 0 4 5 0 4 4 0 4 3 0 4 2 0 4 1 0 4 0 0 3 9 0 p 3 8 0 越3 7 0 明3 6 0 3 5 0 3 4 0 3 3 0 3 2 0 3 1 0 3 0 0 2 9 0 2 s o i i j u l1 。j r ( 1 。一 一 - 一 一 - 一 ￥ jr 。 一 r r o o , i f， 。 e 韶槐电儡 中韶执由但 l ij 一 |岫 十_ 卜_ | | ：孟一l 鲴：工丁一一一q ! ! 止! s o - u j “iff 卉 】m “ f 旷l _ ， f 1一一 卜都批由揠 由瓤拭由偶 下韶热电儡 i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 p 趟 赠 “帆”r 9 广丁一 k 一 ll - _ 一 ，_ 一 j 一 一 f b 蟓拙南悝 掘执由腱 o2468m1 21 41 6 1 爵衙h 产2 4 2 6 嚣3 03 23 43 6 3 8 图2 - 4 焦炭塔壁温对时同趋势图( 三) 2 2 高度预测 无论是预测焦层高度还是泡沫层高度，都要用焦炭产率的概念，下文 首先讨论焦炭产率的预测原理。 2 2 1 焦炭产率预测 1 焦炭产率的概念 定义一个生产周期所得到的焦炭量与减压渣油迸料量之比为装置的 焦炭产率： 十池2 等( 2 - 1 ) 式中m 。o i c r 焦炭产率，； m c o k r 单个生产周期所得到的焦炭量，t ； m v i r 一单个生产周期内减压渣油进料量，t 。 1 3 枷伽枷啪伽啪蝴瑚瑚啪姗瑚枷瑚啪m蛐蜘抛啪拗 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 个生产周期所得到的焦炭量可以根据测得的焦炭塔焦层高度、焦炭 塔内径、焦炭密度进行计算： m 幽= ( 詈d ；h 幽+ 吧kj p 一( 2 - 2 ) 式中m c 北r 单个生产周期所得到的焦炭量，t ； h 。础焦炭塔焦层高度，1 1 1 ； d r 焦炭塔内径，m ： 吧。焦炭塔底不规则部分体积，矗； 氏。k 广焦炭密度，峪m _ 3 。 2 焦炭产率的计算 焦炭产率的获得有多种途径，本文只选其中几种方法迸行简要介绍。 ( 1 ) 焦炭产率短期预测 在一个操作周期内，原料性质和操作条件变化不大，可将焦炭产率看 作常数，在切换塔之后，可根据实时系统检测到的生产数据对本操作周期 的焦炭产率进行预测： 巾。：鱼! 兰竺：兰：蔓竺 。：哪 式中 o 。k ，一焦炭产率，2 d i 一焦炭塔内径，m ； h c o k r 焦炭塔焦层高度，m ； v 三。焦炭塔底不规则部分体积，m 3 ： p 锕h 一焦炭密度，蟾- 功p ； m v rd 一焦炭塔的进料量，k g t 吨 n l v r , d = 1 0 , m d o ( 2 - 4 ) i 式中m 豫d _ 焦炭塔的迸料量，k g ： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 g v r 一焦炭塔的进料速率，蚝h r l ； 0 d _ - 焦层到达下部热电偶所耗时间，b r 。 ( 2 ) 根据原料康氏残炭值预测焦炭产率 焦炭塔内沉积的焦炭源于重油的缩合反应。原料性质及操作条件( 原 料康氏残炭、循环比、焦化炉出口温度、焦化炉注气量、焦炭塔顶压力等) 都对焦炭产率有影响： 幽= f 隙料性质，操作条件) ( 2 5 ) 过去在进行装置设计时。常用原料康氏残炭值估算装置的焦炭产率贮s 1 ： 巾出= a c c r f + b ( 2 - 6 ) 式中西o o k r _ 焦炭产率，； c c r r 原料康氏残炭值，； a ，b _ 一回归系数。 这种方法没有考虑操作条件的影响。实际上，对同一种原料，焦炭塔 顶压力、生焦反应焦化炉给热量大小、装置的循环比都对装置的焦炭产率 有一定影响。同时考虑原料性质及操作条件，对焦炭产率进行精确计算有 一定的难度。 ( 3 ) 根据原料2 0 密度预测焦炭产率 当操作条件( 循环比，焦化炉出口温度、焦化炉注气量、焦炭塔顶压 力等) 不变时，只有原料性质对焦炭产率有影响。由于原料2 0 密度容 易取得在线检测值，为了满足连续预测的需要，可通过数学分析和回归得 到某一操作工况下，装置焦炭产率和在线密度之间的关系： 十= a a p 嚣一b b( 2 - 7 ) 式中 o 。k r 一焦炭产率，； p 景原料2 0 密度，k g m 。； a a ，b b _ 一回归系数。 上式中的关联系数a a 和b b 可根据统计好的焦炭产率和原料2 0 ( 2 的密度数 据进行回归，此工作需取得大量原始数据，进行繁琐细致的分析计算。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章理论基础 2 2 2 焦层高度预测 1 根据焦炭产率预测最终生焦高度 装置最大处理能力与焦炭塔容许焦层高度之间的关系可用下式表 达： 皆紫趔 ， 式中m 嚣装置最大处理能力，t d ； v k c r 焦炭塔底不规则部分容积，m 3 ； p c a i c r 一焦炭密度，埏m 4 ； d r 一焦炭塔内径，m ； m 。k r 焦炭产率，； 8 。r 谋个生产周期的时钟间隔，h r ； h 麓焦炭塔容许焦高，m 。 确保焦粉不被大量携带至分馏塔底的最基本要求即焦炭塔的焦层高 度最大值与泡沫层高度之和应小于焦炭塔实际高度。定义焦炭塔容许焦层 高度为： h 警= h o h ，( 2 - l o ) 式中h 麓焦炭塔容许焦高，m ； 凰广_ 焦炭塔实际高度，m ； 地。o 一泡沫层高度，m 。 显然，确定装置最大处理能力关键在于事先确定装置的最大焦高及泡 沫层高度。给定时刻0 ，焦炭塔焦高所到达的高度可用下式计算： 十m f g d e p 洳吧k h o = 卫= ( 2 - 1 1 ) 等d ；p 幽 式中h 旷铪定时刻0 焦高所到达的高度，m ： 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 m c o k r 焦炭产率，； b 一到达给定时刻所耗时间，k g v i r 进料速率，k g h r l ； p c o k 广焦炭密度，k g n ，； v 埘焦炭塔底不规则部分容积，m 3 ； d 广一焦炭塔内径，m 。 2 根据起始硬焦层温度预测最终生焦高度 塔壁温度到达起始硬焦层温度时硬焦层高度即为下部热电偶高度，假 定焦炭塔内焦层是均匀增长的，则依据下部热电偶高度结合该生产周期内 起始硬焦层温度点出现的时间和塔壁下部热电偶高度折算出该焦炭塔的 最终生焦高度为： h m 麟：h t 唧+ h t 唧孚鳇 2 - 1 2 ) 。硬麒 式中h 。k 最终依据起始硬焦层温度点折算最终焦高，m ； h t 锄下部热点偶高度，m ； 。0 诎r 一生产周期时间，1 l r ； 0 _ g 詹一该生产周期内起始硬焦层温度出现的时间，k 。 2 2 3 泡沫层高度预测 在生焦反应过程中时，焦层逐渐升高，泡沫层也在油气的鼓泡之下不 断升高。根据某个生产周期中焦炭塔下部热电偶检测到泡沫层所耗时间， 可计算出该生产状态下泡沫层高度值如下： e o p + mj g w d 0 一p 幽吧k h p = h d 一匕- 一( 2 - 1 3 ) p 。d ； 式中 h d 一焦炭塔下部热电偶的标高，m ： h 。一泡沫层到达下部热电偶时的泡沫层高度，m ； 0d，一泡沫层到达下部热电偶标高所耗时间，llr；,p m o o k e - 一焦炭产率，； 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 p c 。舻一焦炭密度，蚝功一； v k ，一焦炭塔底不规则部分容积，r l l 3 ； d r 焦炭塔内径，m 。 泡沫层到达上部和中部热电偶时高度预测原理同上，在此不再赘述。 2 3 空塔气速估算 2 3 1 根据产品分布估算空塔气速 1 基本公式 空塔气速与焦炭塔截面积及油气体积流率之间的关系可用下式表达： u - 2 壹 式中1 卜空塔气速，r f l s o ； v 广油气体积流率，m 3 ，s i ； a 焦炭塔横截面积，m 2 ； d r 焦炭塔内径，m 。 焦炭塔内油气体积流率可裉话质量流率求得： v = 堡p v ( 2 q s ) 式中m 。油气质量流率，k g - s 一； p 驴r _ - 油气密赛，k g 1 1 1 4 ； 焦炭塔内质量流率可由物料平衡得到： m ；= m f + m ? 扣+ m + m ，+ x 血m ，+ m ，+ m f( 2 1 6 ) 式中m 罗富气质量流率，k g - 一； m ? t o 注水质量流率，k g s ； m ，气油质量流率，k g s ； m 爹柴油质量流率，k g ，s i ； m p 急冷油质量流率，k g s 1 ： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 x 。急冷油下沉到泡沫层的质量百分数，m ； m ，蜡油质量流率，蚝s i ； m 于环循环油质量流率，k g s 。 式( 2 1 5 ) 中汽相密度与温度及压力的关系，- - i 用下式计算： 旷譬丢号 其中 m p o2 西 式中z 一压缩因子： p 旷标准状态下混合气体混合密度，k g h l - 3 ； t o 标准状态温度，k ； t o ，焦炭塔内油气急冷前温度，k ； p o 示准状态压力，m p a ； p - 焦炭塔内实际操作压力，础p a ； m 一混合气体平均相对分子质量。 2 所需条件 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 1 ) 平均相对分子质量、焦炭塔内油气急冷前温度和压缩因子 要计算空塔气速必须己知焦炭塔内油气平均相对分子质量、焦炭塔内 油气急冷前温度和压缩因子，下面分别讨论。 平均相对分子质量 混合气体的平均相对分子质量可用每个气体组分的摩尔分率和摩尔 质量求得： m = e x i m i( 2 - 1 9 ) 铲匿n i ( 2 - 2 0 ) 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 i l i ：嚣( 2 - 2 d 式中x 一组分摩尔分率，； m 厂- - - i 组分摩尔质量，k m o l k g 1 ； n j _ i 组分摩尔数，m o l ； 1 1 1 v 一一i 组分质量流率，k g s 1 。 在不具备实测数据的情况下，石油馏分的平均相对分子质量可以用经 验公式计算，寿德清一向为正关系式【2 9 】： m = 1 8 4 5 + 2 2 9 5 t 一0 2 3 3 2 k t + 1 3 2 9 1 0 。( k t ) 2 0 6 2 2 2 p 2 0 t ( 2 - 2 2 ) 式中m 石油馏分的平均相对分子质量5 t 一中平均沸点，k ： k 特性因数； p 2 0 油品2 0 c 密度，g - c i n - 3 。 特性因数k 、油品的平均沸点和相对密度的函数，其关系式如下【3 0 】： k ：1 2 而1 6 t i t 3 ( 2 - 2 3 )j i ) d d 麓。p 2 口+ 心岬2 “+ 1 8 2 , 5 5 8 9 3 p 2 0 4 5 7 8 2 7 8 1 p 2 ( 2 2 4 ) + 5 2 9 9 9 7 9 5 p 一2 9 2 4 3 6 1 9 p + 6 2 4 9 9 7 9 0 2 0 ) x 0 0 0 1 式中t l 一油品平均沸点的绝对温度，一般使用中平均沸点，k ； p 2 r 油品2 0 ( 2 密度，g - e m 3 d 鐾石油馏分的相对密度。 焦炭塔内油气急冷前温度 由于现场只能检测到急冷后的温度。焦炭塔内油气急冷前温度( 塔内 实际操作温度) 需要由热平衡推算，即热流体放出的热量等于冷流体吸收 的热量： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 ( m 。一x m m p ) c 罗( k t ) = x m m c 。一k ) r 2 2 n + ( 1 一x 由) m p d c p 一。( t t k 瞳) + ( 1 一x 血) x m c 。1 a h 、一7 c p = x “c 4 ( 2 - 2 6 ) 式中m 。由气质量流率，k g s ； m 急冷油质量流速，k g s ； 1 k 焦炭塔内油气急冷前温度，k ； 卜大瓦斯线温度，k ； t c o 一急冷油温度，k ； t p 。o _ 一急冷油换热后温度( 即泡沫层温度，近似等于急冷前温度) ， k o c f 急冷前混合气体( 包括富气、汽油、柴油和水蒸汽) 的平 均比热，k j ( k g ) 一； c 4 降到泡沫层的急冷油比热，l 【j ( 1 c g ) - 1 ； c 严进入大瓦斯线部分的急冷油比热，k j o g ) - l ； h 一急冷油的汽化潜热，k j 蚝； c p i j 组分恒压比热，k j ( 1 ( g ) - l ； x 。r - i 组分的质量分数，； x 。急冷油下沉到泡沫层的质量分数，。 对于气相石油馏分，可按下式计算平均比热容口1 】： c p - 。i + d 2 t + 叩2 一吾( 警( 2 - 2 7 ) d i = 一1 4 9 2 3 + o 1 2 4 4 k + d 4 ( 1 2 3 5 2 一1 雨0 4 0 _ ) 2 5 ( 2 - 2 8 ) d 2 ：_ 2 2 0 4 l 一( 1 1 6 9 9 一o 0 4 1 7 7 3 k ) k + d 4 ( 4 5 4 3 1 下38 2 厂0 4 ) 】1 0 3 ( 2 - 2 9 ) d 3 = 一( 2 2 9 8 8 + 0 1 1 4 9 2 d ) 1 0 _ 6 f 2 3 0 ) 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章理论基础 d = 雌删( 1 o 一警x o 8 8 5 - d 1 5 6 刖m 1 5 6 _ o 7 0 ) 1 0 4 】2 ( 2 - 3 1 ) 式中c 广气相馏分恒压热容，k j ( k g - c y l ； 门v ，、 二! i 1 为压力校正项，工程计算通常忽略； k r j 8 3 1 4 5j ( m o l k 1 1 ，气体常数； k 4 寺性因数。 压绢凼于 压缩因子z 的计算方法很多，s r k 方程3 习适用于烃类混合体系，其 形式为： p = 器一鼎( 2 - 3 动p 2 瓦百一面而i 纠 其中 a ( d ：a 。a ( t ) ：o 4 2 7 8 r 吾2 t 2a ( d ( 2 3 3 ) o s s 甜譬 b ( r ) r5 = 1 + m ( 1 - t 0 5 ) ( 2 3 5 ) m = 0 4 8 0 + 1 5 7 4 o 一0 1 7 & 0 2 ( 2 - 3 6 ) t f2 ( 2 3 7 ) 式中t c 一临界温度，k ； p r 临界压力，m p a ； n 一对比温度； 一偏心因子。 则压缩因子由下式求得： z ：罢( 2 - 3 s ) 2 - 而 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章理论基础 ( 2 ) 平均沸点 在计算过程中要用到石油馏分的平均沸点，这里重点讨论平均沸点的 求法【3 3 】。 体积平均沸点 石油馏分的体积平均沸点通常根据恩式蒸馏数据计算： 铲望堕等盟( 2 - 3 9 ) 式中t o - - - 体积平均沸点，； t l o ，t 3 0 ，t 5 0 ，t 7 0 ，t 9 旷一恩式蒸馏1 0 、3 0 、5 0 、7 0 和9 0 点 温度，。 蒸馏曲线的斜率s s = 型幽豢产( 2 - 4 0 ) 式中s 一思式蒸馏曲线的斜率，1 。 中平均沸点 周佩正根据石油馏分的体积平均沸点及馏程的斜率归纳出平均沸点 的关联式，根据关联式计算中平均沸点白出： t m , = t v 一( 2 - 4 1 ) l n a = - 1 5 3 1 8 1 - 0 0 1 2