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催化裂化反应-再生系统的仿真模型Karri Penttila，Pekka Savolainen，Isto Eilos and Pasi HagelbergVTT Chemical technology,P O ox 1404, FIN-02044 VTT，FinlandNeste Engineering Oy,P O Box310,FIN-06101 Porvoo,FinlandCurrent address:Kemira Engineering Oy,P O Box330,FIN-06101 Helsinki,Finland译者：刘洪刚，长江大学化学与环境工程学院摘要 这个仿真模型是对催化裂化反应再生系统进行相关描述。该模型已经在位于科技中心的富腾公司二厂试运行。该模型是由两个同轴反应器组成,这样的设计使二者的料腿都能扩宽成环形截面。该模型包括所有的循环流化床系统部分：上升器(提升管)，旋风，料腿和催化剂阀门。所有提升管里的物料不管是气相还是固相都是采用一维连续性动量守恒方程进行模拟的。料腿的下层部分类似于一个固定床模型，而上部分接近流化床模型,旋风分离器和阀门模型取决于它们压降的相关性。所有的温度计算都使用一维能量守恒方程解决，包括相邻管道径向传热。介绍在以前的文章中提出了有关核心/环催化裂化反应器的仿真模型。这项工作的目的是二厂试点制定一个常规反应器仿真模型，这种新模式旨在模拟NExCC在整个试验循环流化床系统中的运行情况，它由七个同轴流通通道组成，分别是两根提升管，两个气旋，两个料腿，最后一个是产品出口管道，所有这些管道及它们的料腿有环形截面设计。设备测试实验工厂的相关测试是在富腾公司进行,由一名操作最熟练的高级技工完成，测试结果显示其最大的处理能力为1000kg/ h真空油(气)。此操作单元是由一个全新的催化裂化反应模型组成,并由Hiltunen等人于2000年命名为NExCC系统。该项技术采用多入口旋风分离器将反应器和再生器中的催化剂与其他气体分离开来。这种多入口低进口低压降旋风分离器在处理催化剂附着物方面有着比其他方案更强的优越性。更多气旋进入的设计致使环形提升管不仅在反应器，还是在再生器方面都处于快速流化床的模式下,气体接触时间和催化剂在反应器停留时间低于2秒,实现预期收益率高和低碳烯烃的生产要求。小规模试运行的结果进一步验证了该模型不仅在产品收率上的优越，而且，还能有效控制催化剂流率的相关变化。此模型的操作条件及催化剂的循环量的估算是由Hiltunen等人在2002年率先完成的。动力学模型简单的3到5个部件组合成模型,另外给出适当的催化裂化反应的原料油,就能够实现这一过程。在这篇文章中,我们使用了5个部件的反应模式(图1)部件划分基于物料的碳数以及其各组分沸点情况催化裂化柴油和汽油和液化石油气明显是二阶反应的产物, 催化裂化的柴油的干燥和成焦，以及液化石油气的生成都被认为是一阶反应。其反应速率模型如下: (1) (2) (3) (4) (5)这里的k是反应速率常数,c是摩尔浓度,是衰减函数,反应速率常数k与阿伦尼斯关系式如下: (6)这里的A是一个正比例系数,E是反应活化能,下面是衰减函数的关系式: (7)在B的衰变常数的重量和焦炭在干熄炉催化剂的一小部分。动力学模型的参数确定的产量数据从实验室实验中获得一种脉冲反应堆(Lipiainen等,1999)。表1表明评价因子和激活能量频率为模型的反应。在量纲为1的衰变常数B数值为47.0。焦化的相关运动参数没有被这些实验证实,但是动力学参数设定确保焦炭能够在再生器和其提升管中完全燃烧成二氧化碳和水，对于满足生产工艺没有任何问题。仿真模型 提升管,料腿,旋风分离器,催化剂真空阀具有独立单元划分模型。 提升管和料腿被分轴向分离成为许多计算单元。所有的计算单元都假设为理想混合物,变量包括:组分的状态如液态、固态，温度、压力、空隙度。导料管也被分离成为许多计算单元，其变量包括管壁内外的温度，最具代表的反应系统，见图2。水力模型 动力模型是建立在一维连续性方程和动量守恒方程的气体和固体阶段。作为流动的通道被分成许多计算单元，并通过方程式通过不同的形式进行表达。在下面的方程式中单元指标j伴随着物料的流向而增加。其大量的气相组分i随着j的变化如下： (8)这个i组分质量平衡的固相组成,我为给出如下: (9)对于这个j组分气相动量平衡的给出如下: (10)图2半横截面的轴对称反应器仿真模型,定义在Excel的用户界面的几何数据的反应器。反应的径向尺寸及规模大小已确定，编号和灰度的颜色表示模拟绝对压力流量管道，浅灰色箭头指示气体物料、黑羽箭气油物料。深灰色的方向箭头指示催化剂流动。右下角显示相应反应系统的压力回路。在j组分的计算单元里固相的动量平衡给出如下: (11)这个速度下的气、固相j单元中计算如下: （12） （13）这个界面动量传递系数可从以下方程得出。 (14) (15)在一个单一的阻力系数的变化范围是: （16）料腿动力模型是很简单的,上部的料腿可以作为一种流化床和较低的部分作为填料床之间的高度,并给出了一个输入参数的模型。传热模型对于管道计算单元的能量守恒方程与连续的提升管的动量守恒有着一些相似之处，其能量平衡议程如下： （17）在第一阶段的焓变是指相和固态流动相从前一个操作单元进入到当前的操作单元，第二阶段则是气相和固态流动相从当前单元到下个个单元，其中的变量已经能够确定下来，第三阶段是物料流到当前操作单元的总焓变，第四阶段热量从当前单元到下一单元转移的总和（见图3）这个焓的反应发生在操作单元,包括在流动介质的焓及单元计算参考状态。 （18） 是在298K温度1个大气压条件下组分i的标准焓表示其热容 对于快速流化床计算整个热传递系数类似于鼓泡床 （19）从文献中可找到物料从浓相区到稀相区的传热系数图3中，能量流之所以分开为不同的，是因为每根管道在径向都能被独立划分为许多小单元，它们从物料进入到出去的过程中与其它管道里的相关参数不相匹配。连续性方程，动量守恒和能量守恒为每个计算单元组成一个非线性方程，解决了同时使用稀疏拟牛顿解法例行系统的相关问题。结果与讨论模拟和实测温度显示在图4中，由于温度变化对于燃烧的再生器是不会出现的，因为它的模拟配置在第一个计算单元中，模拟与实测值相符,发生的偏差在合理的测量温度范围内，满足工艺要求。该裂解反应产物的组成概况，并在模拟提升管的出口测量的组成如图5，干气模拟分数过高，石油气分数太低了。这个比率是非常依赖于提升管反应器处在较低的温度，这样对于测量会更好，但也使焦炭的形成降低了，这将导致目前的仿真模型产生不稳定。结论模拟提升管温度与实测温度对应相当好，但是，对于非线性方程求解的问题，需要寻找由于反应器和再生器和高度依赖裂化反应温度稳态能源一体化解决方案。这里的关键因素是焦炭的形成。简单沿用该单元的热平衡，如果焦炭的形成程度不够高，造成在提升管反应器的温度不够，以致不能促使吸热裂化反应的顺利进行。注释A freq factor， k raction rate constantB decay constant drag coefficient M molar weight,kg/ heat capacity,J/mole.K n order of reaction diameter of particle,m molar flow,mole/s hydraulic diameter,m P pressure,kg/() E activation energy,Kj/mole Q heat flow,J/s Darcy friction factor, reaction rate,mole/.s feed rate,mole/s eaction rate,mole/s frictional force per unit volume， particle Reynolds number ， gas： temperature，K gravitational constant,9.81m/ velocity of the gas phase,m/s enthalpy,J/mol velocity of the solid phase,m/s heat transfer coeff,W/m.K mass fraction enthalpy,J/mol height of calculation cell,mGreek Symbols Subscripts interphase momentum transfer cell,cross-section Coefficient,kg/.s feed fraction of wall covered by gas clusters inner surface voidage outer surface viscosity,kg/m.s particle density,kg/ solid decay function wall参考文献Ancheyta-juarez,j,lopez-Isunza,F,Aguilar-Rdriguez,E,Moreno-Mayorga,J.C,“A strategy for Kinetic Parameter Estimation in the Fluid Catalytic Cracking Process”，Ind.Eng.Chem.Res.36517-5174(1997)Basu,P.and Nag,P.K,”An Investigation into Heat Transfer in CIRCULATING Fluidized beds”,Int.Eilos,I,Hagelberg,P,Haapasaari,K,”Verification of the Modified beds”,Int J.Heat Mass Transfer 30,2399-(1987) Eilos,I,Hagelberg,P,haapasaari,K”Verification of the Modifided Dietz Model for Multi-Entry Cyclone Collection Efficiency”,5th International Conference on Cyclone Technologies,Warwick,UK,(2000)Glicksman,L.R,”Heat Transfer in Circulating 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