（化学工程与技术专业论文）催化裂化装置动态模拟.pdf

催化裂化装置动态模拟 催化裂化装置动态模拟 摘要 本文对催化裂化装置进行了全流程的动态模拟，并重点对提升管 反应器的动态模拟进行了研究，以深入了解提升管反应器操作特点和 动态特性。 催化裂化系统包括反应器、再生器、分馏塔、吸收塔、解吸塔、 稳定塔、换热器、加热炉、蒸汽再生器、泵等设备以及流程管网结构。 在充分了解这些设备和管网结构的基础上，分别建立了这些设备的数 学模型和管网系统的模型，并且选择了合适的模型求解方法对催化裂 化全流程进行了模拟。开发出的动态模拟软件应用于实际生产装置的 实时仿真，并取得了良好的效果。 通过对提升管反应器的分析，进行了合理的简化和假设，建立了 六集总反应动力学方程的数学模型，并选择了适当的计算方法对模型 求解。模拟结果能很好的表明反应器出口产品的组成和原料油进料量 对反应器温度及催化剂循环量的变化规律 该软件的仿真模拟的结果，基本反映了催化裂化系统整个过程的 规律，可对催化裂化工艺过程进行模拟仿真。从整套工艺装置的模拟 情况看，当操作达到稳态时，各状态参数与设计值比较接近，在进行 动态操作时，其动态的变化规律符合实际装置的变化规律，所以整个 模拟过程能够很好地反映出装置实际运行情况。该软件不仅可以用来 北京化工大学硕士学位论文 进行仿真培训，还可用于技术人员对工艺过程的技术改造以及控制系 统的研究。此研究成果将应用于某炼油厂催化裂化车间的职工操作培 训。 关键词：催化裂化，数学模型，动态模拟，仿真 i i d y n a m i cs i m u l a t i o no fca t a iy t i cc r a c k i n g a b s t r a ct t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ff c ca n di no r d e rt o u n d e r s t a n dd e e p l yt h eo p e r a t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr i s e r r e a c t o r ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fi tw a sm a i n l yi n v e s t i g a t e d t h ef c cs y s t e mm a i n l yc o n s i s t so fr e a c t o r ，r e g e n e r a t o r ，m a i n c o l u m n ，p r i m a r ya b s o r b e r ，s t r i p p e r ，d e b u t a n i z e r ，h e a te x c h a n g e r ，h e a t i n g ， s t e a mr e g e n e r a t o r ，p u m pa n dp i p e l i n en e t w o r k b a s e do nt h ek n o w l e d g e o ft h e s ed e v i c e sa n dp i p e l i n en e t w o r k ，t h em a t h e m a t i c sm o d e l so ft h e s e d e v i c e sa n dp i p e l i n en e t w o r ka r ee s t a b l i s h e da n dt h es u i t a b l ea l g o r i t h mi s s e l e c t e d f i n a l l yt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns o t 乇w a r ew a sd e v e l o p e da n d i ti s u s e dt ot h er e a l t i m es i m u l a t i o na n dp r a c t i c a lp r o c e s ss u c c e s s f u l l y ，a n d o b t a i n e dg o o de f f e c t b a s eo na n a l y s i so fr i s e rr e a c t o r ，s i xl u m p e dk i n e t i cm o d e li s e s t a b l i s h e d t h r o u g h r e a s o n a b l e s i m p l i f i c a t i o n a n ds e l e c t a p p r o p r i a t e m e t h o dt os o l v et h em o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c t c o m p o n e n to fr e a c t o re x p o r t a n dt h ei n f l u e n c eo ff e e dt or e a c t o r t e m p e r a t u r ea n dc a t a l y s tc i r c u l a t i o nr a t ei sc o r r e c t t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns o t 气w a r eh a v e a p p r o a c h e d t h e p r a c t i c a ld a t e ，r e f l e c t e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so ff c c a n dc a nb ea p p l i e dt o i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o no ft h et e c h n i c a l p r o c e s s f r o mt h ew h o l ep r o c e s s s i m u l a t i o ns i t u a t i o n ，t h es t a t ep a r a m e t e r sc a i la p p r o a c ht h ed e s i g nv a l u e w h e nt h eo p e r a t i o nr e a c h e st h es t e a d ys t a t e ，t h ed y n a m i cc h a n g em e e t t h ep r a c t i c a ld e v i c eo p e r a t i o n a ld i s c i p l i n ei nd y n a m i co p e r a t i o n ，s ot h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ec a l lr e f l e c t c o r r e c t l y t h e r u n n i n gc o n d i t i o n so f e q u i p m e n ta n dh a sb e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s c a nb e u s e dn o t o n l yf o rt h e s i m u l a t i o n t r a i n i n g b u ta l s of o rt h e t e c h n o l o g yu p g r a d ea n dc o n t r o ls y s t e ms t u d y t h i sr e s e a r c hw i l la p p l yt o o p e r a t o rt r a i n i n gi nf c cw o r k s h o po fs o m er e f i n e r y k e yw o r d s ：f c c ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ， s i m u l a t i o n i v 符号说明 符号说明 组分向量，t o o l 集总j 儋混合气体 j f 集总的浓度，m o l 集总j 儋混合气体 生器截面积，n 1 2 重环芳烃的浓度，( 叭) ； 反应后催化剂含碳量， 再生器催化剂含碳量， 焦炭燃烧耗氧量，m 3 蚝 等压热容，l d t o o l 催化剂比热容，k j n m 3 烟气一氧化碳含量， 烟气二氧化碳含量， 烟气氧含量， 闪蒸气化分率 组分的活化能( k j m 0 1 ) 烧焦反应活化能，k j k m o l 一氧化碳反应活化能，k j k m o l 组分逸度 碱性氮化物引起的失活函数 速度常数矩阵，t i n 3 ( g 催化剂) h 闪蒸模型进料量，k m o l h r l 闪蒸罐气相累积量，k m o l 烟气流量，n m 3 h 催化剂流量，k g h 待生催化剂循环量，k g h 再生催化剂藏量，埏 闪蒸模型进料焓，l d k m o l d 闪蒸模型液相焓，k j k m o l 。 闪蒸模型气相焓，k j k m o l d 总换热系数，l 【j n 1 2 。1 实际动力学速率常数，l t l l 3 ( g 催化剂) h 本征动力学速率常数，c l t l 3 ( g 催化剂) h 重环芳烃吸附系数，( ( 叭) ) 。 组分的指前因子，m 3 ( k g h ) v 口吩么or毒f口弓臣如厂例尸g嚷瓯嘞乓琢凰肌k。匆匆锄 c 3 0 ) ， 重循环油层h ( h c o ，c 1 5 4 2 3 0 ) ，反应产物分为4 层，产物分为轻循环油层 l ( l c o ，c 1 0 c 1 3 ) ，汽油g ( g a s o l i n e ，c 5 c 8 ) ，裂化气s ( g a s ，c 1 4 ) 和焦 炭c ( c o k e ) ，总共6 个虚拟集总组分 4 3 4 6 】。整个催化裂化反应网络如图3 1 所 示。 3 1 2 反应动力学方程 为简化数学模型，在反应网络中我们做如下的假设【4 7 】： ( 1 ) 由于反应是雾化的油气在催化剂上发生裂化反应，可认为是气一固相催化 反应，反应过程由化学反应控制，忽略扩散对反应过程的影响。 ( 2 ) 组分间发生的化学反应主要是裂化反应，且化学反应均在同一类活性中 心上进行，看作是一级不可逆反应。 ( 3 ) 由于该工艺采用提升管式的反应器，催化剂和雾化油气从底部由提升气 体从底部吹到顶部，所以可认为是气相、活塞流反应器。 根据上面假设，考虑揲总组分的浓度和催化剂在油气中的密度，得到揲总 的一级反应速率方程为： ，= 一尼，( p 口川譬i ( 3 - 1 ) 如果考虑到催化剂的结焦和碱氮失活以及重芳烃吸附在催化剂上等因素影 响，假设所有的反应都发生在相同活性中心，而且反应无选择性，也就是说不一样 的反应路径，催化剂的失活函数一样，那么反应速率的表达式为： r j = - k j ( p a 4 纠她。) 雨丢厂( ) ( 3 2 ) 式中：伊= 1 ( 1 叫玩】，) ，失活常数f l = 1 6 2 1 5 ，y = 0 7 6 第三章催化裂化工艺模型的建立 3 1 3 反应器数学模型 由于是等温活塞流反应器，忽略内扩散的影响，根据连续性方程得 4 & 4 川： 型+ 里竺生= ， a ta x j ( 3 3 ) 假设反应器的截面积和空隙是均匀分布的，具有稳定的质量流速， 么g v - - - p u 为常数，则( 3 ) 可化为： 掣崛等= 。 4 ， 8 t8 x j 。“ 将( 2 ) ( 4 ) 式结合得反应器的模型为： 掣崛誓一k j ( p a 榭她。，去倒， 当反应器处于稳态时塑罢尘：o ，其稳态模型为： d f g ，等一k j ( p a 槲她。，去倒， = 器，即、：兰：等 pm p2i 厂 其中面要随床层距离而变化，不是一个常数。 _ - 专 令彳= x l ，将床层的长度无因次化，则方程( 6 ) 重新整理得： 面d a i = 一瓦1 糍a 倒) 一= 一二r ，v i 脚 1 + k 。c 。s 。尺r ；。、 7 改用矩阵形式表示为： 去= 去刑，篙法a 砌 一= r i ，v - 二_ 一 仃 扰 1 + k 。c 。、 7 s 。尺丁。 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 北京化工大学硕士学位论文 3 2 再生器数学模型的建立 反应后的待生催化剂进入再生器与空气混合进行燃烧发生氧化反应，把吸附 在催化剂表面的焦炭烧掉，使催化剂活性恢复。再生后的催化剂被收集后离开再 生器重新进入催化裂化反应器【舡5 。 3 2 1 反应动力学方程 冉生器的效翠由再生反应速度决足，能够亘援影响催化剂的远弹性、活性以 及设备的生产能力【5 2 1 。而再生反应速度由焦炭中的碳的燃烧速率决定，催化剂上 焦炭的燃烧反应机理较复杂，一般情况下采用比较简单的反应速率次方程式来描 述，再生器烧焦反应过程的化学计量方程式可写为： c h 朋+ ( 等+ 如专熹吗+ 击+ 詈印p 2 c 0 - i - 0 2 哼2 c 0 2( 3 1 2 ) 其中，h 为烟气中c 0 2 与c o 的摩尔比，即h = c 0 2 c o ， 对应的烧焦和一氧化碳燃烧的反应动力学方程如下： 比= c v x d l - 几e 。g oj c g 尼： ( 3 - 1 3 ) 厂一k 唧1 鲁j 瓒 。j 4 ， 3 2 2 再生器数学模型 在数学模型的建立前，模型做了一些简化假设【5 3 1 。待生催化剂在输送管线 过程时输送时间很短，焦炭的燃烧量可以忽略不计。床层中空气是自下而上通 过再生器，可看作以平推流的方式通过反应床层，且与催化剂充分接触，所以 床层处于热平衡状态。由于稀相中的含碳量相对于密相很少，所以焦炭在稀相 中的燃烧可以忽略，反应只在密相层中进行，且烧焦过程由动力学控制。再生 器中的气体是充分混合的，所以烟气在再生器稀相段的温度与密相段的温度可 看作一致。床层中的催化剂属于完全返混，床层的温度和含碳量能够均匀分布。 该模型可用下述物料平衡和热量平衡方程式表达。 氧含量、一氧化碳、二氧化碳的组分方程： 第三章催化裂化工艺模型的建立 鲁= 一水等+ ；卜e x 一急卜+ 叫一惫 ( 3 - 1 5 ) 警= 一“点唧 - 惫卜一2 如d 一麓 瞪) p 6 ， 警刊 南e x p 一爿气+ 2 龟e x p 一麓 噬) p 在该条件下的含碳量和催化剂温度的动态方程为： 1 再生催化剂含碳量方程： 警= 怠奴一c ，4 ) 一恚( 0 m 一) c 3 郴， 2 再生催化剂温度方程： 鲁= 去 挚2 1 一d g 衄卜伍一乙) 一g g 也一l ) _ q 1 ( 3 - 1 9 ) 3 3 分馏、吸收稳定部分精馏塔模型的建立 3 3 1 平衡闪蒸模型 平衡闪蒸模型是化工过程模拟中最基本也是最常用的单元模型。在计算气 液分离罐、精馏塔、冷凝器、再沸器等各种单元操作设备的过程时，一般都使 用闪蒸模型，现有的闪蒸模型主要分两类：定压和定容闪蒸模型。 定压闪蒸模型主要适用于稳态模拟l 降5 6 】。在迸料状态一定的情况下，假设 已知闪蒸后的压力及温度( 等温闪蒸) 或焓( 绝热闪蒸) ，对气相分率和气液相组成 进行迭代求解。在动态模拟时，压力都是时刻改变的，要用物料衡算和热量衡 算联解才能得到闪蒸后的压力，这就是说动态闪蒸模型要比稳态闪蒸模型多一 圈对压力的迭代。动态模拟过程中，气相容积随时间变化较小，相邻的积分圈 中，可以忽略其变化，但压力却随时间变化较大。所以，定容闪蒸模型比较适 合于动态模拟过程。该模型固定气相容积( 实际气相容积随液层高度而变，但其 改变量是很小的) ，同时联立解气液平衡、物料恒算、热量恒算，由状态方程求 得压力。 在原有稳态数学模型的基础上，对定容闪蒸模型作了改进，推导出动态形 北京化i 大学硕士学位论立 姗a _ ， 1 、物料平衡计算 总物料平衡计算 组分物料平衡计算 2 、热量平衡计算 3 、相平衡方程 气化分率 4 、约束组分方程 d u ：= f v l u = g + d ( u h ) = h i z y , h j d t u z f = g y ，+ 眠 d 了( u h ) = f hr v i i v l h l u h = g h r + 附 y ，= k ，。 i = 1 ，2 = 1 7 i 3 4 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) r 3 - 2 2 】 r 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) f 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) r 3 2 7 ) r 3 2 8 ) f 3 - 2 9 ) 第三章催化裂化工艺模型的建立 5 、物性关联方程： 气相焓值计算： 液相焓值计算： 相平衡常数计算： 一 乃= 1 阐 矗 yz ，= 1 z 一 i = l r h p 产h q i 七l c 州d t 而 c p ? v i = a + b ， h y = y i h y i i m r h l j = h o j + i c 叫d t 晶 c p ? n = a i + b , r 糟 h l = y t hl i i = l 毕等= 每p 妒i = 裔p毛仍 根据以上相关方程，闪蒸模型的计算过程如下所示： 由相平衡常数耻等= 等= 器= 4 垃px ip 9 t p 9 i 当模型压力不高时，简化参数么f 的初值取1 把方程( 3 - 2 8 ) 和( 3 3 9 ) 代入( 3 2 3 ) 得： 铲瓦g ”等2 e k i x i + x ie k ”毗 z j2 瓦y i + 百2u 叫蚝 由此得x ，y 的表达式： - x = 二土一 。 e k i + ( 1 一p ) ( 3 - 3 0 ) ( 3 - 3 1 ) ( 3 - 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) ( 3 - 3 7 ) ( 3 - 3 8 ) ( 3 3 9 ) ( 3 - 4 0 ) ( 3 4 1 ) 北京化工大学硕士学位论文 1 ，= _ 一 “ e k i + ( 1 - e ) 把方程( 3 - 4 1 ) 和( 3 - 4 2 ) 代入( 3 - 2 9 ) 和( 3 - 3 0 ) 得： 露 _ y 三l 一：1 智啦+ ( 1 一p ) 争 壁垒 ：1 百e k , + ( 1 一p ) 将上面两式相减得： f ( e ) _ 窆，司_ 队z i 烈( k i - 一1 ) 石= 。 假定是理想气体，由理想气体状态方程： g r 丁 p = 1 y w | d 把方程( 3 - 4 6 ) 代入( 3 - 3 9 ) 得： k：丝：逝：i p ：r , ( v - r v d ) x lp 铖4 g r t 把方程( 3 2 8 ) 代入( 3 - 4 7 ) 整理得： e k = = , p ；r , ( v - w d ) 妒 u r t 由上面的方程得出：躐只是温度的函数，与e 无关 令e k i = e k i ，则方程( 3 4 3 ) 转化为： f ( e ) _ 善南卸 其一阶导数为： 厂。) 善南汕 其二阶导数为： m 2 喜闭2 z i 。 ( 3 - 4 2 ) ( 3 - 4 3 ) ( 3 4 4 ) ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) ( 3 4 7 ) ( 3 4 8 ) ( 3 4 9 ) ( 3 5 0 ) ( 3 - 5 1 ) 当e = l 时，f 亿夕 d ，我们可以判断闪蒸处于气相状态，不需要迭代。 当进行迭代运算时，主要采用牛顿迭代法，这样收敛速度会比较快。 第三章催化裂化工艺模型的建立 ，一怒 把方程( 3 - 2 8 ) 代入( 3 - 2 5 ) 整理得到能量平衡计算式： g ( e ，d = 巩+ ( 1 一e ) h l h = 0 综合以上各方程，就可以组成闪蒸模块的算法 定容闪蒸计算流程图如图3 - 3 所示 3 3 2 塔模型的建立 图3 - 3 闪蒸模型计算流程图 f i g 3 - 3c a l c u l a t i o nf l o wc ：h a r to ff l a s hm o d e l ( 3 - 5 2 ) ( 3 - 5 3 ) 在过程模拟中每个塔看作是由多个平衡闪蒸模型组成，每块理论塔板可近似 的由一个平衡闪蒸模型代替，经过多级的平衡闪蒸来达到塔分离的效果。下面以 3 7 北京化工大学硕士学位论文 催化裂化工艺分馏塔的模拟为例说明塔的模拟过程。如图3 3 所示。 对分馏塔模型的模拟采取分段集结建模的方法。按照气液两相传质的动态特 性，把分馏塔分成若干部分，每部分近似抽象为一“虚拟理论级”，每部分的气液 两相能达到相平衡。通过对分馏塔的闪蒸计算，以确定汽、液相分率和状态。闪 蒸计算出来的气液两股物流，分别参与气相和液相的物料衡算和热量衡算。 通过以上方法建立的平衡闪蒸模型，每一段气液两相都达到相平衡，每一 平衡闪蒸罐( d t a n k ) 都有物流进出管线。然后按照气液流动的先后顺序连接起 来，上一模块的输出为下一模块的输入，从而建立整个分馏塔的模型。 分馏塔 图3 - 4 分馏塔模型 f i g 3 - 4m o d e lo f f r a c f i o n a f i o nc o l u m n 3 4 其它单元模型的建立 3 4 1 衡算模型 3 4 1 1 物料衡算模型 在建模过程中，首先要满足物质守恒和物料平甜5 7 1 。任何过程必须遵循质量 守衡定律，质量既不会创造也不会消失。因此，任何系统的物质必须满足： 输入量+ 生成量一输出量一消耗量= 积累量 上式可适用于系统处理的物料总质量，也适用于任何一种组分物料的质量， 第三章催化裂化工艺模型的建立 还可用于物料中包含的各种分子和原子的量。对与不同的过程，某些项可能为零， 比如：稳态过程的积累量是零；如果没有发生化学反应则生成量与消耗量项为零。 e 1 r v v 过程单元 锄。渤 瓦i 如 图3 - 5 物料守恒示意图 f i g 3 - 5m a t e r i a lc o n s e r v a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 物料守恒如图3 - 5 所示，假设过程单元有m 股输入物流，有他股输出物流， 各输入物流的质量流量为乃，各输出物流质量流量为，魄设备内物料的积累 量，则总物料衡算式为： 警：兰弓一兰乃一，y ( 3 - 5 4 ) 3 4 1 2 能量衡算模型 能量衡算的基本原理是能量守恒与转换定律，能量既不能创造也不能消灭， 只能从一种形式转换成另一种形式。 假设用晟，表示过程单元的第外输入流股传递的能量速率，脓示过程单元 的第外输出流股传递的能量速率，卵形分别是能量和机械功传入过程单元的速 率，m 为设备内物料的积累量，则可写成： _ d ( m f h ) ：q + + 兰一兰如 ( 3 5 s ) 历 智“智w 或： 芸一善= 丁d ( m h ) 一q 一矿 ( 3 - 5 6 ) 根据热力学原理，流股的能量包括内能、动能、势能，表达式为： e j = ( u j + e 巧+ 寺v 2 + g z j ) ( 3 - 5 7 ) 根据热力学焓的定义式：h = u + 尸矿 ( 3 5 8 ) 司写成： e j = f j hj + 鼍v 2 + g z j b 5 9 ) 若令输出流股与输入流股的焓差、动能差、势能差分别为埘，e ，衄， 则可写成： m + a y ，+ a e , ：d ( m j _ h ) 一q 一矿( 3 - 6 0 ) 3 9 北京化工大学硕士学位论文 3 4 1 3 物料分割与加合 在化工模拟过程中物料一般会有两种情况，如果把两股或多股物料合并成 为一股物料，一起进入下一设备，则称作物流加合。如果把一股物料分成两股 或多股物料则称作物流分割。在处理过程单元的物流的主流股时，只有流量发 生变化，而其余各参数不会发生变化，或其变化能用简单方法进行计算。 ( 1 ) 分割器 化工模拟过程中把一股物流分成两股或者更多股物流的情况，则称该过程单 元为分割器，如图3 6 所示： ，分割器i 鸳 酪 谚 l & 彩。玉，。j 。篇 l 2 n o 图硒分割器模型 f i g 3 - 6m o d e lo fs e g m e n t a t i o n 分割器是指将一股物流分成组分、压力和温度完全相同的n o 股分流。分割 器的分割率吩和入口物流乃的各项物流变量都是已知的，每股物流按照分割率分 成两股或多股出口物流的各物流变量，数学模型如下所示： 物料平衡： 分流率约束： f j = n t f i ， i = l ，2 ，n o 兰铲1 ， ( 3 6 1 ) ( 3 - 6 2 ) ( 2 ) 加合器 化工模拟过程把多股物流混合成一股物流，如果各股物流的状态参数差别不 大，则称该过程单元为加合器，如图3 7 所示： 加合器 ：h 。：。“。五邈 p 3 ，而m 图3 7 加合器模型 f i g 3 7m o d e lo fa d d u c t 假设有m 个组分，两股物流加合成一股物流，如果没有热量产生或者输入的 第三章催化裂化工艺模型的建立 情况下，方程式表达如下： 总物料衡算： e + e = e 组分物料衡算： 五i 互+ x 2 j e = x 3 ，e i = l ，2 ，oo o jm 热量衡算：互马+ 五h 2 = e h 3 3 4 2 传热单元模型 ( 3 6 3 ) ( 3 6 4 ) ( 3 - 6 5 ) 传热单元主要是换热器，在进行换热器模型的建立时进行了简化，实际换 热器的各种参数不进行参考，只对实际热量进行模拟计算。 q 总物料衡算： 各组分物料衡算： 能量衡算： 传热方程： 3 4 3 管网系统模型 图3 - 5 换热器模型 f i g 3 - 5m o d e lo f h e a te x c h a n g e r f o = e x 。l = xr i - 1 2 3 。m a t i = q d = k 么r ( 3 6 6 ) ( 3 - 6 7 ) ( 3 6 8 ) ( 3 - 6 9 ) 管网模型是化工动态模拟系统的关键之一【5 ”】。流体网络系统的结构复杂、 变化多样，流体压力和流量响应特性具有较强的非线性。流体压力的特点是扰 动双向传播、响应速度快，这会加强流体网络模型中各个方程之间的耦合，给 数学模型求解带来很大困难。如果管网的拓扑结构稍有不同，其网络特性就可 能有较大差别。在系统管网中，由于压力与流量间的互相影响，使用仿真常用 的序贯模块仿真方法，常常造成模型解的振荡。因此，在仿真过程中，如何协 调处理单元设备模型与管网模型，以正确反映系统的动态特性，同时还保证较 快的计算速度和快速简便的建模。管网起着连接和协调各单元设备的重要作用， 从宏观角度的观点去看，管网相当于各个子单元系统间的协调器。所以在仿真 模拟中，管网模拟计算的主要目的是在确定各种单元设备压力的前提下，计算 管网各结点的压力和结点之间的流量，以确保系统在动态模拟过程中能够保持 流量平衡和压力平衡。压力和流量是管网中最重要的参数，所以在进行模拟计 4 1 北京化工大学硕士学位论文 算时，也最关心这两个参数的计算方法。 3 4 3 1 流程拓扑结构 设备之间的连接关系用单元过程矩阵来描述，每个单元设备有几股物流【删。 单元过程矩阵定义为1 3 _ ，1 3 为单元设备总数： 单元设备1 ：输入物流( + )输出物流( 一) 单元设备2 ：输入物流( + )输出物流( 一) 单元设备1 2 ：输入物流( + )输出物流( 一) 单元过程矩阵是进行模拟计算的初始数据，模拟系统的主程序根据过程矩阵 的信息就可以正确判断设备的进出关系，正确地为物流状态赋值。 3 4 3 2 管网流量和压力计算 与稳态流程模拟有很大区别的是实时动态流程模拟计算过程中的流量计算 是比较复杂【6 1 1 。进行稳态模拟计算时，流量计算的依据是物料衡算，而且直接是 在单元模块里完成。但是在进行动态模拟时，单元模块仅仅计算流股的起始压力 和终到压力，流量赋值在设计技术标准中是不允许的。流量的计算是单独由流量 计算模块完成，流量计算模块是独立的模块与单元模块之间是互不干扰的。流量 计算模块是根据各个物流的起始压力和终到压力，按照流体流动的原理来计算物 流的流量和中间节点的压力。遇到复杂的物流管网体系时，需要联立求解代数方 程组。物流邻接矩阵是代数方程组建立的依据，同时也是模拟计算运行时的初始 数据。流程模拟系统可以按照该矩阵自动建立相应的代数方程组，描述流量计算 的问题并自动求解。物流邻接矩阵的标准为( ，z 为物流总数) ： 物流1后续物流1后续物流2 物流2后续物流1后续物流2 g000000 物流咒后续物流1后续物流2 依据物流邻接矩阵，物流所形成的管网体系由模拟系统识别，并且把计算后 的流量与压力值准确地赋值给对应的变量。 4 2 第四章催化裂化全流程模拟及仿真软件 第四章催化裂化全流程模拟及仿真软件 4 1 催化裂化信息流程图 建立工艺流程的数学模型是流程模拟的主要任务，之后再对模型进行求解。 模拟过程中使用模块化的方法，去建立各个设备的数学模型，通过流股进行各设 备模块间信息的传递。整个工艺数学模型采用序贯模块法进行求解。所以对于全 流程模拟来说，首先是系统信息流程图的建立【6 2 1 。 化工流程模拟，其基本内容实际上就是对整个化工系统的模型进行求解。反 应器是关键设备，其数学模拟也比较复杂、难度较大，因此，需要重点解决反应 过程的数学模拟问题。在此基础上，继续解决其它设备的模拟问题，并按照一定 的方法，将所有设备的模拟计算集成到一起，就可以完成整个化工装置的模拟任 务。 在单元模块中包含了该单元得数学模型及该模型的求解，其作用是根据当前 时刻单元设备状态，用数值积分算法算出一个微分时刻后新状态值。单元模块设 计主要点为： ( 1 ) 仅需对状态变量进行积分，而对时间变量的积分由另一程序进行； ( 2 ) 只有输入物流状态变量才能能够改变单元过程的状态，其它变量不会对 单元模块产成影响； ( 3 ) 单元模块只对设备内部状态和输出物流状态进行计算并赋值，不能影响 其它变量的取值； ( 4 ) 单元模块要对相应的输入物流的终到压力和输出物流的起始压力赋值； 过程模拟要严格按照以上标准进行单元模块的设计，才能保证用序贯模块法 顺利实现全流程的模拟。否则会影响整个程序组织，降低计算效率，并带来严重 计算隐患。 在实际化工过程中通常都有比较复杂的网络状物料回路，因此采用序贯模块 法进行模拟时，关键的问题是怎样确定整个流程中模块计算的先后顺序，如果人 工给定计算顺序，不仅带有一定的人为因素，而且也不方便使用。所以需要给定 一些算法让计算机自动确定流程中模块计算的先后顺序。这样就要对流程模拟的 对象先作信息流图，明确各物流流股与各单元模块的连结关系，识别回路。如果 有回路存在，还要确定断裂的流股集与计算顺序，然后设定输入流股向量及相关 联的设备参数向量，给定断裂流股向量的初值，各单元的输出流股向量就作为下 一个单元的输入向量，按照流程顺序逐个单元进行模拟计算并且迭代使各断裂流 4 3 北京化工大学硕士学位论文 股收敛。 4 1 1 反再部分信息流程图建立 催化裂化系统反应再生部分工艺流程的信息流程图如图4 1 所示： 催化剂 图4 - l 反应再生部分仿真流程简图 f i g 4 - 1s i m u l a t i o nf l o wd r a w i n go f r e g e n e r a t o ra n dr e a c t o rp a r t v 3 2 蒸汽 v 3 5 原料油 提升蒸汽 b o i ：蒸汽过热器c 0 1 ：主风机c 0 2 ：次风机e 0 1 ：外取热器f 0 1 ：空气预热 炉f 0 2 ：过热蒸汽加热炉h o i ：空气加热炉r 0 1 ：反应器r 0 2 ：再生器v 0 1 ： 催化剂储罐v 0 2 ：催化剂储罐v 0 3 ：催化剂储罐v 0 4 ：高温取热炉v 0 5 ：蒸 汽包v 0 6 ：旋风分离器 4 1 2 分馏部分信息流程图建立 催化裂化系统分馏部分工艺流程的信息流程图如图4 2 所示： 第四章催化裂化全流程模拟及仿真软件 图4 - 2 分馏部分仿真流程简图 f i g 4 - 2s i m u l a t i o nf l o wd r a w i n go ff r a c t i o n a t i o np a r t e 3 1 ：原料油换热器e 3 2 ：油浆产品冷却器e 3 3 ：油浆蒸汽换热器e 3 4 ：原料油 换热器e 3 5 - 轻油换热器e 3 6 ：轻油空冷器e 3 7 ：分馏塔顶空冷器e 3 8 ：分馏 塔定水冷器e 3 9 油浆换热器e 7 3 ：脱吸收塔进料换热器e 7 5 ：分馏塔一中回 流冷却器e 7 6 ：分馏塔中回流冷却器v 3 1 ：原料油缓冲罐v 3 2 ：分馏塔v 3 3 ： 油气分离罐v 3 4 ：轻油气提塔v 3 5 ：油浆气提塔 4 1 3 吸收稳定部分部分信息流程图建立 催化裂化系统吸收稳定部分工艺流程的信息流程图如图4 2 所示： 4 5 北京化工大学硕士学位论文 图4 - 3 吸收稳定部分仿真流程简图 f i g 4 - 3s i m u l a t i o nf l o wd r a w i n go fg a sc o n c e n t r a t i o np a r t c 6 1 1 ：一级压缩机c 6 1 2 ：二级压缩机e 6 1 ：压缩机级间空冷器e 6 2 ：压缩机 级间水冷器e 6 3 ：压缩机出口空冷器e 6 4 ：压缩机出口水冷器e 6 5 ：吸收塔一 中回流冷却器e 6 6 ：吸收塔二中回流冷却器e 6 7 ：再吸收塔贫油富有换热器 e 6 8 ：水冷器e 7 0 脱吸收塔进料换热器e 7 1 ：稳定产品空冷器e 7 2 ：稳定产 品水冷器e 7 3 ：脱吸收塔底再沸器e 7 4 ：脱吸收塔底再沸器e 7 5 ：稳定塔进料 换热器e 7 6 ：稳定塔底再沸器e 7 7 稳定塔顶空冷器e 7 8 ：稳定塔顶水冷器 e 7 9 ：水冷器v 6 1 ：压缩机吸气塔v 6 2 ：压缩机一级出口分液罐v 6 4 ：气液分 离罐v 6 5 ：吸收塔v 6 6 ：再吸收塔v 6 7 ：贫油气分液罐v 6 8 ：脱吸收塔v 6 9 ： 稳定塔v 7 0 ：稳定塔顶回流罐 严格按照上面的标准进行单元模块流程的设计，才能保证序贯模块法全流程 模拟的顺利实现。否则，会影响整个程序的整体组织性，降低运行效率，会带来 严重的隐患。 4 2 催化裂化仿真软件 本课题利用北京化工大学开发的d s o 软件平台开发出一套催化裂化仿真软 件【6 2 击3 1 ，可用于职工的培训、技能鉴定、学校教学、方案设计及辅助优化，尤其 是对于新建装置的顺利开工以及原有装置的改造挖潜有着极为重要的意义 4 2 1 软件开发工具和运行环境 第四章催化裂化全流程模拟及仿真软件 d s o 软件平台是在化学工艺、反应工程、热力学、传递过程、系统工程、过 程控制、应用、计算机软件等学科的技术支持下，按照通用化工流程模拟系统的 结构和原理开发而成的。该平台使用标准c c + + 语言编制而成的基于 w 烈d o w s n t 的全3 2 位软件平台。 平台按照一定的规则，将所要模拟的流程分割成相互之间没有或只有较少相 互作用的各个独立部分，主要包括有组分、物流、仪表、设备、调节器、开关、 手操器、阀等，分别用相应特定的结构予以描述。平台内部运用流程拓扑结构自 动识别程序包来处理了这些独立对象之间的关系，让开发者可以轻松高效地进行 使用。针对某一具体的工艺流程，如果运用d s o 工艺平台，开发人员只要把流程 的各个组成部件通过一定的方法正确地搭接起来，通过调试就可以完成整个流程 的动态模拟工作。 4 2 2 软件模块构成和结构 d s o 动态流程模拟软件平台主要包含三个部分的模块：工艺过程的数学模 块、控制系统的数学模块以及d c s 操作界面的仿真。 ( 1 ) i 艺过程的数学模块，是用数学模型代替实际工艺装置，用来描述工艺 过程和设备的性质和行为。对流量、温度、压力、相态、组成、液位、能量等信 息都可以进行动态模拟与预测。主要由下面几部分组成：化工基础物性数据库( 是 使用机理模型的基础，查询基础物性能够快捷可靠) ；基础物性预测和估算体系 ( 正确计算过渡产物或少见物质的基本物性) ；化工热力学基本计算程序包( 机理模 型的重要部分，主要包括热力学模型及其求解算法) ；通用稳态化工流程模拟系 统( 是研究工艺过程规律的工具) ；流程拓扑结构自动识别程序包( 是定义和计算工 艺流程结构的工具) ；单元模块动态模拟程序包( 包括单元模块机理模型及求解算 法) ；管网压力分布计算、流量分配子系统( 确保物流输送计算的机理性、正确性) ； 常微分方程组数值求解算法子系统( 保证求解机理模型的严谨性) ；工艺过程仿真 调试支持系统( 工艺软件调试工具) 。 其中，基础物性数据库和基础物性估算系统经过不断的完善和扩充，已经逐 渐成熟。在实践检验中，已经显示出了其巨大的优越性，由于其提供的物性数据 准确、可靠，所以给开发人员提供了良好便捷的支持，并且节省了大量的时间， 从而可以保证更多的时间投入到其他开发工作中去。良好的通讯、内存管理子系 统和流程拓扑结构自动识别程序包则为开发人员提供了自由搭接流程的空间，提 高了工作效率使工作量变小。具有特色的管网流量分配、压力分布计算子系统使 4 7 北京化工大学硕士学位论文 复杂管网的流量计算轻松实现，只需要填表就可以完成。工艺过程仿真调试支持 环境为软件调试提供了便利的条件，开发人员可以在线实时观察和调整各个工艺 参数。工具软件包更为开发人员在建模工作中提供了诸多便利。 ( 2 ) 控制系统数学模块实质上是一套通用的计算机控制系统模型蝉】。利用该 软件可以通过组合、拼接等方法来模拟实现各种实际操作控制系统的基本控制功 能。 ( 3 ) d c s 操作界面仿真是运用多媒体技术和硬件仿真技术对生产现场的计算 机控制系统、现场操作、常规仪表控制系统、控制室环境等进行仿真，其作用是 提供模拟的操作使用环境【6 5 1 。目前可开发的仿d c s 类型如表4 1 所示，所仿d c s 类型已经比较丰富。仿d c s 系统组态总体可分：流程图组态、库组态、标准画面 组态和键盘组态四个主要部分。对于不同的仿d c s 类型其组态的过程是类似的， 只是在进行标准画面组态、流程图组态和键盘组态时，不同的仿d c s 系统有其 独有的样式、命令及标准画面。 表4 - 1 仿d c s 类型 t a b l e 4 - 1d c st y p e so fi m i t a t i o n 生产厂商d c s 类型 h o n e y w e l l y o k e i g a w a f o x b o r o a b b f i s h e r r o s e m o u n t b a i l e y 和利时 t d c 3 0 0 0p m 、g u s c e n t u m c s 、c e n t u m c s 3 0 0 0 姚s 、姒s a p 5 l a d v a n t 5 0 0 、m o d 3 0 0 p r o v o x 、p r o v o xo w p i 峪3 玳f i 9 0 h s 2 0 0 0 结合以上三部分的可以使仿真软件系统不仅可对实际装置进行精确的动态 仿真，还可通过良好的人机界面实现实际生产环境。因此，输入数据、提出问题 和输出数据、解决问题都可使用实际的、可操作的、工程化的实时在线方式完成。 在这三个部分模块中，工艺过程数学模块无疑占有重要的地位。如果没能对 工艺过程准确、实时的动态模拟，那么整个装置的仿真就没有意义。所以说，这 也是仿真系统中技术含量最高的部分。 4 2 3 软件模块求解 化工动态流程模拟在数学上主要是常微分方程组的求解，并且通常都是初值 问题【鲫。对于实际流程模拟计算问题，方程组一般比较复杂，需要引入更多中间 第四章催化裂化全流程模拟及仿真软件 变量才能容易表达数学模型。因此其表现形式一般为“微分代数 混合方程组 的形式。特别的，对于实时在线动态交互式操作型模型( 如仿真机) 问题，数学 模型的表达式如下所示： a ，y = ( x ，y ，f ，c ) 口f 矽( x ，y ，c ) = 0 x l ，：f 0 = c = c ( f ) 为时变函数或随机干扰变量 x 为时刻r 的m 维向量函数，可称状态变量。多- ( 多j ，咖2 ，妒脚) 也是m 维向量函数。c 为时间r 的z 维向量函数，称作控制变量，等价于独立影响因素的 设计变量，并且代表了控制系统的控制作用或者影响。对上面的模型，如果使用 普遍的欧拉法计算求解，