新型柴油加氫實物仿真裝置

王 英

(浙江中控科教儀器設備有限公司，浙江 杭州 310053)

新型柴油加氫實物仿真裝置

王 英

(浙江中控科教儀器設備有限公司，浙江 杭州 310053)

闡述柴油加氫實物仿真裝置，以工廠真實裝置為背景，設備按比例縮小，采用替代物料全流程貫通，采用真實企業的控制系統，實現高校學生及企業人員培訓考核的功能。

本文柴油加氫；石油化工；高危行業； 仿真軟件

1 背景介紹

近來中國霧霾現象有越發嚴重的趨勢，機動車尾氣排放是霧霾的主要元兇之一，隨著汽車使用量的增加，汽車尾氣對人類的生存和發展構成了嚴重威脅，為了改善柴油油品質量，減少汽車尾氣排放的污染物，提高空氣質量，保護汽車發動機，降低燃油消耗，必須對不合格的柴油進行加氫改質處理。因此，各燃料油生產企業增加柴油加氫裝置勢在必行。但是，石油化工行業具有連續化、大生產、高技術、高危高壓等特點，因此在校學生去工廠實習時，從安全角度出發，工廠企業禁止學生對設備進行親自操作，均為參觀性實習。因此，在校學生尤其是畢業生在進行工廠實習時匱乏親自動手的操作設備的機會，缺乏理論知識和時間結合的操作環節。所以，當學生畢業后到企業參加工作時，熟悉設備需要很長的時間，上手速度慢，這對于企業及個人來講都是一種浪費。本裝置針對這一社會問題進行設計，使學生可以對設備進行現場操作，并且有物料模擬運行。有效的提供了學生及工人崗前操作裝置的實踐機會。強化了學生的實踐操作技能，提高了學生的職業素質和職業能力。

2 工藝原理

2.1 加氫精制反應原理

加氫精制反應是指原料油在催化劑和氫氣的氛圍下，在一定的溫度和壓力下進行的一系列化學反應。這些反應過程主要包括：脫除原料油中的氮、硫、氧、非烴類化合物；烯烴和芳烴的加氫飽和反應；開環、斷鏈、縮合、聚合等副反應。加氫精制主要反應類型如下。

2.1.1 加氫脫硫反應

加氫原料油中的硫化物主要有硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩、苯并噻吩等，在加氫精制條件下，這些硫化物分別轉化為H2S和相應的烴類，從而被脫除掉。

2.1.2 烴類的加氫反應

在加氫精制條件下，烴類的加氫反應主要是不飽和烴和芳烴的加氫飽和。這些反應對改善油品的質量和性能具有重要意義。例如烯烴，特別是二烯烴的加氫可以提高油品的安定性，芳烴的加氫可以提高柴油的十六烷值。

a.不飽和烴的加氫反應

直餾餾分中一般不含有不飽和烴，但二次加工產品催化柴油、焦化柴油中則含有大量的不飽和烴。這些不飽和烴在加氫精制條件下很容易飽和。代表性反應如下：

b.芳烴的加氫飽和反應

加氫原料油中的芳烴加氫，主要是指稠環芳烴(菲系、萘系)的加氫。

加氫活性：環烯烴>烯烴≥芳烴

多環>雙環≥單環

提高反應溫度，芳烴加氫轉化率下降，提高反應壓力，芳烴加氫轉化率增大。芳烴加氫是逐環進行的，芳烴第一環的加氫飽和較容易，隨著加氫深度的增加，加氫難度逐環增大。

2.2 加氫裂化反應機理

烴類在加氫條件下的反應方向和深度取決于烴的組成、催化劑的性能以及操作條件等因素。在工業加氫裂化過程所采用的條件下，烴的反應遵循以下規律:提高反應溫度會加劇C-C鍵的斷裂，即烷烴的加氫裂化、環烷烴斷環和烷基芳烴斷鏈。如果反應溫度較高而氫分壓不高，也會促進C-H鍵斷裂，生成烯烴、氫和芳烴。

提高反應壓力，有利于C=C鍵的飽和，降低壓力有利于烷烴進行脫氫反應生成烯烴以及烯烴環化生成芳烴。在壓力較低而溫度又較高時，還會發生縮合反應直至生成焦炭。在加氫裂化過程中采用雙功能催化劑，所以烴類加氫裂化的結果在很大程度上決定于催化劑的加氫活性和酸性活性及它們之間的比例關系。

a烷烴的加氫裂化反應

反應中生成的烯烴先進行異構化隨即被加氫成異構烷烴。烷烴加氫裂化反應的通式為：

烷烴加氫裂化的反應速度隨著烷烴分子量增大而加快。分子中間的C-C鍵的分解速度要高于分子鏈兩端C-C鍵的分解速度，所以烷烴加氫裂化反應主要發生在烷烴鏈中心部的C-C鍵上。在加氫裂化條件下烷烴的異構化速度也隨分子量的增大而加快。

b環烷烴的加氫裂化反應

單環環烷烴在加氫裂化過程中發生異構化、斷環、脫烷基側鏈反應，以及不明顯的脫氫反應。

環烷烴加氫裂化時反應方向因催化劑的加氫活性和酸性的強弱不同而有區別。長側鏈單環環烷烴在高酸性催化劑上進行加氫裂化時，主要發生斷鏈反應，六員環比較穩定，很少發生斷環。短側鏈單環六員環烷烴在高酸性催化劑上加氫裂化時，直接斷環和斷鏈的分解產物很少，主要產物是環戊烷衍生物的分解產物，而這些環戊烷是由環己烷經異構生成的。

雙環環烷烴在加氫裂化時，首先發生一個環的異構化生成五員環衍生物而后斷環。雙環環烷烴是依次開環的，首先是一個環斷開并進行異構化，生成環戊烷衍生物，當反應繼續進行時，第二個環也發生斷裂。

c芳香烴的加氫裂化反應

苯在加氫條件下的反應包括以下過程：苯加氫生成的六員環發生異構化，五員環開環和側鏈斷開。稠環芳烴加氫裂化也包括以上過程，只是它的加氫和斷環是逐次進行的。從熱力學角度看，稠環芳烴第一個環加氫較容易，全部芳環加氫很困難。

3 裝置組成及設計原理

3.1 裝置組成

裝置由硬件和軟件組成，關系見圖1，DCS系統和仿真系統組成，DCS系統采用國內知名品牌浙江中控的產品,是和真實工廠中使用相同的控制系統，通過該控制系統實現對裝置的測量、控制和監控功能。仿真軟件系統是通過數學模型利用數據運算平臺實現物料的屬性，仿真系統具有操作能力靈活性、參數更改便捷性及模擬多樣性等優點。裝置硬件就是實體部分，包含設備、執行機構、現場儀表部分。具體敘述如下：所有設備以工廠主裝置為背景，涵蓋了工業上常減壓裝置中的主要塔器、儲罐、反應器、機泵、風機等組成。常減壓實體仿真裝置外部形狀和真實工廠中設備外部形狀形狀大體一樣，但是按比例縮小，從整體的布局合理及設備協調為原則，設備的縮小比例不完全相同。執行機構包括氣動調節閥、變頻泵及電加熱管。本裝置中使用的氣動調節閥選用工業中真實的氣動調節閥，因此調節精度、外形及使用要求均和工業標準一致。儀表壓縮氣源的要求也和煉化企業中的儀表氣源要求相一致。檢測儀表采用工業用真實現場儀表及遠傳儀表，使學生認識各種檢測儀表，結合執行機構并感知其重要性。現場儀表(包括現場和集中控制儀表)采用和工業上真實的柴油加氫裝置的儀表相一致，增加儀表方面的真實性。

裝置的軟件部分由DCS控制系統和仿真軟件組成，DCS控制系統采用真實工業相一致的系統，即可以實時監控網絡各節點的運行情況， 操作站實時監控、調整有關配置和某些參數設定，使其運行在最佳狀態。還能實現對實訓裝置的監控數據趨勢瀏覽和報表分析、報警查詢等特殊功能。

仿真軟件系統由軟件操作平臺及數學模型組成，針對工業中柴油加氫流程中難以用替代物料模擬部分，從流態平衡的過程，對每一設備進出的物料，嚴格按照物料平衡和能量平衡的原則進行仿真計算，并輸出瞬時結果。為了保證仿真軟件模擬工藝操作過程的開、停車、正常運行、負荷調節、工藝參數調節、故障狀態操作及控制的高逼真性，仿真設計采用動態模型能反映出系統物料和能量的變化與傳遞的定量關系；反應工業系統的物理化學變化的規律，如反應動力學特征、氣液平衡特征、流體力學特性等；動態模型反映工業系統的時間常數、慣性、時間滯后、多容高階段性等特性；動態模型的求解速度達到實時要求、求解精度應滿足實驗要求。

圖1 裝置組成

3.2 裝置設計原理

在真實的工廠中，實物組成大體可以分為三類，即物料、設備、儀表。設備對物料進行加熱、冷卻或者物料自身發生化學反應，物料經過裝置時使測量儀表(溫度儀表、壓力儀表、液位儀表、流量儀表)的數值發生變化，操作者通過現場操作閥門(自動調節閥或者現場手閥)操作改變物料的性質。進而使產品達到預期目的(原理見圖2)。所以真實工廠中的危險根源是物料，儀表對物料性質進行檢測，通過信號轉換后在儀表上顯示數值。所以只要有信號源，測量儀表上均可以顯示出數值。因此，我們利用替代物料及仿真軟件代替真實物料，通過替代物料及仿真軟件運行提供給測量儀表的信號源，并且通過DCS中央集控系統處理后，使操作者對設備的操作可能會引起測量儀表的數值變化，并且儀表的顯示數值和真實企業中的運行參數基本吻合，再有，此裝置中主體運行替代物料，能給操作者真實的感覺和視覺體驗，增加裝置運行的工廠化和真實性。(原理見圖3)。

圖2 工廠中參數關系

圖3 仿真裝置中參數關系

從圖3可以看出，替代物料和仿真軟件承擔起真實物料的作用，學生在工廠中實習最重要的環節是現場操作部分，前已述及真實的化工廠是禁止學生操作的，而當我們利用替代物料和仿真軟件時可以真實的對現場設備進行操作，現場操作包含對現場操作手閥、自動調節閥(氣動調節閥)、加熱功率等。現場的操作反饋回儀表，進而儀表顯示數值發生變化。

4 裝置特點

裝置設計是以工業上真實的原油常減壓生產裝置為原型，按一定比例比例縮小而制成。在設計時應充分考慮了裝置的安全性、實用性、經濟性。具體特點為：

4.1 操作對象真實化

裝置以工廠真實裝置為背景，全程采用替代物料運行，裝置操作過程完全真實，真實體現柴油加氫企業工廠中的操作過程，操作崗位分工和真實企業一致，具體分為內操和外操，操作過程和工業現場一致。

4.2 對象背景工廠化

以柴油加氫裝置對象背景，以主物料工藝流程為基礎，可整體或單元運行。并結合職業教育的教學大綱要求，設計一定量的可視設備，以便設備解剖、認識掌握設備內部結構，全流程替代物料，增強現場實物感，避免一線生產過程中存在的安全隱患。同時，設備、儀表等選用要求多元化形式。裝置中適量的采用工廠中真實使用儀表、閥門，使學生認識各種顯示儀表，學會使用調節器并感知其重要性，可允許學生對儀表、閥門等進行仿真隨意性調節。

4.3 DCS控制系統工業化

采用真實工業上標準的DCS控制系統，配備標準工業柜機，可進行DCS組態與控制實驗，具有系統信號連鎖保護功能，當工藝設備出現超壓、超溫等異常狀態時，系統可及時報警并自動安全停車，對溫度、壓力、流量等參數進行控制。

調節閥選用工業上的標準氣動調節閥，系統對儀表測量信號進行處理，DCS儀表上顯示數據和工業裝置的柴油加氫裝置真實操作數據基本相符。裝置可以進行手動控制和自動控制，實時顯示過程數據，有工控柜，接入DCS系統，進行DCS控制。

4.4 考核系統公平透明化

裝置配有評分說明及自動評分系統，整體裝置對操作者的操作步驟、控制精度、故障處理等全過程進行自動評分(其中手閥帶有閥位信號反饋器，操作者的對手動閥門的操作及時反饋至DCS系統)。保證考核過程的公正、公平、合理性。

4.5 教學目的廣泛性

設計時應充分考慮化工類專業、機械類專業、儀表及自動化專業的特點，選型時要求同類設備多樣化，并兼顧設備的經典性和先進性。

5 束語

本裝置以工廠真實柴油加氫裝置為背景，結合實際工廠的工藝參數設計和工廠控制系統，達到高校在校學生實習需求，石油化工企業新員工入職培訓及老員工技能考核的目的。

(本文文獻格式：王 英 .新型柴油加氫實物仿真裝置[J].山東化工，2016，45(04)：108-110.)

Advanced Physical Simulation Device of Diesel Oil Hydrogenation

Wang Ying

(Zhejiang SUPCON Scientific Instrument and Equipment Limited Company,Hangzhou 310053,China)

The physical simulation device for diesel oil hydrogenation is described in this paper,equipment scaling down to plant the real device as the background, alternative materials through the whole process ,Control system using real enterprise,to realization function of college students and enterprise personnel training and assessment.

diesel oil hydrogenation；petroleum and chemical industry；high risk industry；simulation software

2016-01-14

王 英(1978—)，女，遼寧康平人，工藝設計工程師，碩士學位，從事教學產品的研發設計

TE626.24;TP391.9

A

1008-021X(2016)04-0108-03