催化裂化反應器異常工況的動態模擬

靳滿滿 田文德

(青島科技大學化工學院，山東 青島 266042)

流化催化裂化(FCCU)是最重要的重質油輕質化過程之一，核心部分為反應再生。反應再生過程數學模型本質上可分為穩態數學模型和動態數學模型，而動態數學模型可更好地用于在線分析與優化[1]。安全穩定的生產是保證石化企業經濟效益與社會效益的基礎。催化裂化是一個復雜多變的過程，物料大部分為甲類危險品且伴隨著高溫、高壓的化學反應[2]。若發生故障，人員應快速、準確地找到故障并將危害降到最低。因此診斷催化裂化生產過程的故障，對保證安全生產具有重要的實際意義。筆者旨在建立反應器動態機理模型并估算出所用的動力學參數，建立仿真系統模擬正常工況和兩種異常工況(原油帶水、含烴)，并分析兩種異常工況對進料溫度的影響，通過進料溫度的變化查找出原油帶水量或含烴量。

1 動態機理模型和仿真系統的建立①

根據餾分油催化裂化反應的特點，采用集總方法，將反應體系劃分為原料油(A)、柴油(D)、汽油(N)、氣體(G)和焦炭(C)5個集總。反應器動態數學模型的建立思想和方法見文獻[3～6]。

原料油

(1)

(2)

(3)

PrayAφ(tc)

(4)

(5)

(6)

(7)

Praφ(tc)

(8)

(9)

1.1 動力學參數的確定

利用某石化企業某天每隔1h催化裂化裝置的操作數據和相應的物料性質數據，以各集總組分收率與實測值的殘差為目標函數，利用MATLAB進行參數的求取[7,8]。各個集總的分布如圖1所示。

圖1 反應器各集總分布

圖2～ 7分別是原油未轉化率，柴油、汽油、氣體、焦炭收率和反應溫度的實驗數據、擬合曲線與模擬曲線的比較。擬合曲線與模擬曲線基本一致，說明建立的動態模型是真實可靠的。

圖2 原料油未轉化率變化趨勢

圖3 柴油收率變化趨勢

圖4 汽油收率變化趨勢

圖5 氣體收率變化趨勢

圖6 焦炭收率變化趨勢

1.2 仿真系統

規范的流程圖便于明確模擬工作的各個環節，有利于問題的解決，也有利于項目的維護。筆者建立的仿真流程如圖8所示。

圖7 反應溫度變化趨勢

原油是一個多組分的復雜混合物，所以原油的分子式不曾被確定。各集總均由性質相似的烴類代替。筆者進行大量模擬之后決定用C25代替原油，C14代替柴油等，確定了各集總的基礎物性[9～13]，部分物性見表1。

圖8 反應器仿真流程

表1 各集總部分物性表

建立的仿真系統運行界面如圖9所示，各顯示表、調節表示數均能穩定且仿真計算結果和實際生產中的各類數據(質量流量、液位及溫度等)保持一致，部分顯示值與真實值的比較見表2。

圖9 仿真系統運行界面表2 顯示值與真實值的比較

工段顯示值真實值FIC1209/t·h-116.90016.800FI211/t·h-145.4145.90FI1201/t·h-1123.1122.0LI202/%55.24255.000TI1232/℃123.524125.700TI1201/℃235.111235.800

2 異常工況的分析

原油性質是所有操作條件中最重要的條件，制定生產方案、選擇操作條件都應先了解原油的性質。生產中要求原料要相對穩定，若原油性質不穩定會急劇降低反應溫度，反應壓力因水的汽化而迅速上升，嚴重時會造成重大事故。筆者模擬原油帶水和含烴兩種異常工況對原油性質造成影響，通過仿真系統找出原油帶水或含烴時對進料溫度的影響。

2.1 原油帶水對進料溫度的影響

正常工況下進料溫度為235℃左右。由圖10可知，不論是否有相變，只要原油帶水都會引起進料溫度下降，且在有相變時引起進料溫度的大幅下降。而實際生產時伴隨著相變且當原油帶水時可引起進料溫度的大幅下降，所以筆者的模擬結果和實際生產相吻合。

a. 1股進料帶水

b. 3股進料均帶水 圖10 原油帶水時對進料溫度的影響曲線

2.2 原油含烴對進料溫度的影響

烴種類繁多，首先要通過模擬找出所含的是哪類烴。又由于原油所含烴可能是混合物，所以要找到一種物質能近似替代這種烴。筆者找到了替代烴(C7)并進行了模擬。由圖11可知，當原油含烴時也會引起進料溫度的下降，較原油帶水時進料溫度下降的幅度減小。

a. 1股進料含烴

b. 3股進料均含烴 圖11 原油含烴時對進料溫度的影響曲線

3 結束語

建立了催化裂化裝置的反應器動態數學模型并建立了相應的仿真系統。動態模型很好地反映了原料未轉化率、各集總收率和溫度的變化情況。仿真系統可以有效地模擬實際生產工況，模擬的異常工況(原油帶水或含烴)引起的進料溫度驟降，與工廠實際異常工況現象相符合。

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