（控制科学与工程专业论文）催化裂化反应再生系统的操作优化与选进控制的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e 学科分类号 5 3 0 2 7 2 0 论文编号 l o o l 0 2 0 1 1 0 8 5 0密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名周操学号 2 0 0 8 0 0 0 8 5 0 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码0 8 l l o l 课题来源8 6 3 项目研究方向建模仿真 论文题目 催化裂化反应再生系统的操作优化与先进控制的研究 催化裂化，反再系统，机理模型，p i 控制，阶跃响应，系 关键词 统辨识 论文答辩日期 2 0 11 5 2 6论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师楚纪正 研究员北京化工大学 过程建模仿真 评阅人1王友清教授北京化工大学建模，控制与优化 评阅人2耿志强副教授北京化工大学工业过程建模控制 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席 朱群雄 教授 北京化工大学 智能系统和优化 答辩委员1 黄克谨教授北京化工大学复杂工业的建模 答辩委员2王友清教授北京化工大学建模，控制与优化 答辩委员3耿志强副教授北京化工大学工业过程建模控制 答辩委员4 王晶 副教授北京化工大学先进过程控制 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与 代码中查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 l 型。通过对引入流和积的物料表达方法，对整个流程进行模块化处理，并 建立子模块模型使得本文的提出的方法能够适用于不同的催化裂化装置。 其中整个机理模型包含4 个子模型模块，分别是：混合器模型，提升管模 型，分离器模型，再生器模型。通过参数优化，调整反应动力学常数以及 再生催化剂焦炭和温度使得建立的机理模型和工业生产实际相吻合。并以 所建立的机理模型为研究对象，考察了提升管反应温度，反应压力，剂油 比和原料油的性质对催化裂化油气产物分布的影响。通过与中国石油化工 股份公司九江分公司一套催化裂化装置的生产数据比较来验证模型的有 效性。 同时本文还建立催化裂化动态机理模型。相比与稳态模型，动态模型 考虑了催化剂和混合气体在汽提分离器以及再生器中的贮藏量，并在模型 中结合了调节器模型。通过减少原料油的进料量，来验证p i 控制器对于 系统的控制作用。 为了将先进控制器应用到催化裂化装置中，本文提出了一种新的基于 阶跃响应辨识高阶系统的方法。该方法通过对系统输出数据的积分以及最 小二乘法，分别考察了二阶不带零点，高阶不带零点，高阶带零点系统的 辨识。同时引入工具变量法来处理系统含有输出扰动的情况。鉴于系统在 i i l 移项法来避免矩 来验证该方法的 响应，系统辨识 a b s t r a c t p r o c e s so p t i m i z a t i o na n da d v a n c e dc o n t r o l o fr e a c t o ra n dr e g e n e r a t o ri nf l u i d c a t a l y t i cc r a c n gu n i t a b s t r a c t g i v e n l a tf l u i dc a t a l y t i cc r a c l ( i n gu n i t ( f c c u ) i st h ep r h a 巧m e m o do f o i ls e c o n b 呵p r o c e s s i n g ，i l lm i sp a p e r w ep r o p o s e dam e t h o do fb u i l d i l 玛u p t h em e c h a m s mm o d e lo ff c c ub a s e do nl u m p i n gm o d e la i l dc o m b u s t i o n k i n e t i cm o d e l - b y s e p a r a t i n gt h ew h o l ep r o c e s si n t os e v e r a lp a r t sa c c o r d i l l gt o t l l e i r 如n c t i o na 1 1 dc o n s t n l c t i n gam o d e lf o re a c ho ft h e m ，t l l ep r o p o s e dm e t h o d c a i ls u i tt od i f f e r e n tf c ce q u i p m e n t i nt h i sm o d e l i n g ，w ee s t a b l i s h e df o u r s u b m o d e l s ，i n c l u d i l l gt h em i x e rm o d e l ，t l l er i s e rm o d e l ，t h es t r i p p e r s 印a r a t o r m o d e la i l dm er e g e n e r a t o rm o d e l t l u 的u g ho p t i m i z i l l go fp a r a 胁e t e r sw h i c h i 1 1 c l u d e sm em o d i 母i 1 1 9o fk i i l e t i cr e a c t i o nc o n s t 觚t sa i l dm e 锄o u n to fc o k ei l l r e g e n e r a t e dc a t a l y s t ，m es i m u l a t i o nr e s u l t sc a i lr e n e c tr e a lm d u s 仃i a ls i t u a t i o n s t a k i n gt 1 1 ep r o p o s e dm o d e la st l l er e s e a r c ho b j e c t ，t h ea f f e c t s l a tb r o u g h tb y t h ec h a n g i i l go fr e a c t i o nt e m p e r a t u r ei 1 1r i s e r ，p r e s s u r e ，c a t a l y t i c o i lr a t ea n d t l l ec h a r a c t e r i s t i cc m d eo i lc a nb eo b t a i l l e d b yc o m p 撕n gw i mt h ep r o d u c t i o n r e c o r d s ，w ec a nv 甜匆t l l ee f 艳c t i v e n e s so ft h i sm e c h a n i s mm o d e l i na d d i t i o n ，w ea l s oc o n s t m c tad y l l 锄i cm o d e lo ff l u i dc a t a l 舛i c c r a c k i i l gu n i t c o m p a r e dw i t l lt h es t e a d ys t a t em o d e l ，t 1 1 em o d e lt a k e st l l e i i l l ( e yw o r d s ：f 1 u i dc a t a l y t i cc r a c k 崦u n i t ，r e a c t o ra n dr e g e n e r a t o r s y s t e m ， m e c h a n i s mm o d e l ，p i c o n t r o l l e r ，s t 印r e s p o n s e ， s y s t e mi d e m i f i c a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源l 1 2 论文选题的目的和意义l 1 3 本课题相关领域的历史，现状和前沿发展情况。2 1 3 1 催化裂化装置的发展和现状2 1 3 2 催化裂化反再系统仿真模型的历史和发展一4 1 3 3 系统辨识的历史和发展6 1 4 论文各部分的主要内容8 第二章九江催化裂化稳态机理模型9 2 1 催化裂化装置的组成9 2 1 1 反应再生部分9 2 1 2 产品分馏及原料预热部分。1 0 2 1 3 吸收稳定部分1 0 2 2 九江催化裂化反一再系统工艺描述1 l 2 3 系统物料表达1 2 2 4 九江催化裂化装置的组分1 2 2 5 催化裂化流程图1 3 2 6 九江反应再生系统整体结构1 4 2 7 催化裂化反再系统子模块的机理模型1 6 2 7 1 提升管入口段混合模型1 6 2 7 2 油气进料口处的混合模型1 7 2 7 3 提升管模型1 8 2 7 4 汽提分离器模型2 3 2 7 5 再生器模型2 4 2 8 催化裂化反再系统稳态模型求解策略2 6 2 9 稳态系统的仿真结果2 7 2 1 0 稳态系统操作条件影响3 2 p _ i v 北京化工大学硕士学位论文 2 1 0 1 反应温度和压力的影响3 2 2 1 0 2 原料油性质的影响3 3 2 1 0 3 剂油比c o r 的影响3 3 2 1 1 小结3 4 第三章九江催化裂化动态机理模型。3 5 3 1 概述3 5 3 2 气提分离器动态数学模型3 5 3 3 再生器模型3 7 3 4 调节器模型3 9 3 5 动态模型求解策略4 0 3 6 动态模型仿真结果4 0 3 7d 、结4 4 第四章基于阶跃响应的高阶系统辨识方法。4 5 4 1 高阶系统辨识4 5 4 2 不含零点的二阶系统辨识方法4 5 4 3 不含零点的高阶系统辨识方法4 7 4 4 含零点的高阶系统辨识方法4 9 4 5 噪声环境下系统辨识5 1 4 6 移项法5 3 4 7 仿真实例5 4 4 7 1 不同过程的辨识一5 5 4 7 2 时间对辨识精度的影响5 7 4 7 3 噪声扰动环境下的系统辨识6 0 4 7 4 工业过程仿真6 0 4 8 小结6 4 第五章结论与展望6 5 5 1 工作总结6 5 5 2 展望6 5 参考文献6 7 v i 目录 致谢。6 9 研究成果及发表的学术论文7 l 作者和导师简介7 3 v l l v l i l c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 。 c 0 n t e n t s 1 1t h es o u l c eo fm i si c s e a i l ；c h l 1 2t h ep 岫叩o s e 姐ds i g n i f i c a n c eo fm i sr c s e a r c h ：1 1 3t h el l i s t o r y ，c u r r e n ta n df i l t l l r ed e v e l o p m e n ti nt h er e l a t e da r e 嬲2 1 3 1t h ed e v e l o p m ta n dc u f 瑚ts i t i l a _ t i o ni i lf c c u 2 1 3 2t h el l i s t o 叮a n d ( k e l o p m e n to f r 瑚c t o r 舳dr e g c n e r a t o rm o d e l 4 1 3 31 h el l i s t o 巧砚dd e v e l o p m e n to fs y s t c mi d e n t i f i c a t i o n 6 1 4t h es t u - i c t l l r eo f “sp a p e r 8 c h a p t e r2t h es t e a d ys t a t em o d e lo ff c c u i nj i l l j i a n g ”9 2 1t h ec o m p o s “i o no f f c c ue q u i p m e n t 9 2 1 1r e a c t o ra n dr e g e n e r a t o r 9 2 1 2t h e p r o d u c ts 印a 瑚缸o n 觚df e e d p r e h e a t o r 一l o 2 1 3a b s o 印t i o na n ds t a b l ep a r t 1 0 2 2t h ed e s c r 酗廿o no fr e a c t o ra n dr e g e n e r a t o rs y s t e m ll 2 3t h em e n l o do f d e s c r i b i n gn l ef l o w 1 2 2 4c h 钏瞅e r so fa l lt h ee i e n k n t s 1 2 2 5f l o wc h a no f f c c u 1 3 2 6s t i l c t i l r eo f r e a c t o fa n dr e g e n e r a t o ri nf c c u 1 4 2 7m e c h a i l i s mm o d e lo f r e a c t o r 雒dr e g e n e r a l | o r 1 6 2 7 1t h em i x e rm o d e li nr i s e ri i l l e t 1 6 2 7 2t h em i x e rm o d e li no i lf e e di n 一1 7 2 7 3m o d e lo fm s e r 18 2 7 4m o d e lo fs t r i p p e r s e p a 胁r 2 3 2 7 5m o d e lo f r e g e n e r a t o r 2 4 2 8s o l v i n gm e m o do ft h es t e a d ys t a t em o d e l 2 6 2 9t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 2 7 2 1 0e 腩c t so f o p e r a t i l l gc o n d i t i o n 3 2 i x 北京化工大学硕士学位论文 2 1 0 1e 疏c t so f t h er e a c t i o nt e m p e r a t i l r e 锄dp r e s s u r e 3 2 2 1 0 2e 丘e c to f o i lc l 塌r a c t c r 3 3 2 1 0 3e f f e c to f c o r 3 3 2 1lc o n c l u s i o n 3 4 c h a p t e r3t h ed y n a m i cm o d e io ff c c u 。3 5 3 1t h ei n 仃d d u c t i o n 3 5 3 2d ) ，n 锄i cm o d e lo fs 姗p p e r s 印a r a t o r 3 5 3 3d y n a m i cm o d e lo f r e g e n e m t o r 3 7 3 4m o d e lo f c o n n 0 n e r s 3 9 3 5s o l v i i l gm e t h o do fm ed y n 锄i cm o d e l 4 0 3 6t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 4 0 3 7c o n c l u s i o n 事4 c h a p t e r4 i d e n t i f i c a t i o no fh i g ho r d e rp r o c e s sb a s e do ns t e pr e s p o n s e4 5 4 1h i g ho r d e rp r o c e s si d e i l t i f i c a t i o n 4 5 4 2i d e n t i f i c a t i o no fs o p d ts v s t 锄w i l o u tz e r o s 4 5 4 3i d e n t i f i c a t i o no f n o p d ts v s t e mw i m o u tz e r o s 4 7 4 4i d e n t i f i c a t i o no f n o p d ts v s t e mw i n lz e r o s 4 9 4 5s y s t e mi d 哪i f i c a t i o nu n d e rn o i s ei n t 锄】p t i o n 一5 l 4 6m o v i i l gt e n nm e 也o d 。5 3 4 7t h es i m u l a t i o ne x 锄1 p l e s 5 4 4 7 1i d e n t i c a t i o no f d i 岱玎e n tp m c e s s 5 5 4 7 2e a e c t so ft i m eo nt h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u h s 5 7 4 7 3i d e n t i f i c a t i o nu n d e rn o i s ee n v i r o n m e n t 6 0 4 7 4i d e n t i c a t i o no f i n d u s t r yp r o c e s s 6 0 4 8c o n c l u s i o n 6 4 c h a p t e r5c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 。6 5 5 1c o n c l u s i o n 6 5 5 2e x p e c t t a t i o n 6 5 r e f e r e n c ep a p e r sa n db o o k s 。6 7 x x l 北京化工大学硕士学位论文 x h 流s 的压力，p a ( 绝) 流s 的温度，k 提升管 汽提分离器 再生器 混合流中气体物料的流量，k g s 1 混合流中固体物料的流量，蚝s 1 混合流中气体的体积，m 3 混合流中气体和固体的体积，m 3 校正参数 高度，m f 组分的比容 i 组分的摩尔质量，k g k l n o l 原料油的a p i 指数 常数，分别取值为：口o = 3 1 0 8 8 1 0 2 ；口l = 6 0 4 1 7 l o - 1 ；口2 = 4 4 0 1 6 1 0 3 ；口3 = 4 0 8 3 6 1 0 - 3 ；22 7 5 7 3 l o - l ；口5 25 1 8 8 2 1 0 5 。 催化剂上因裂化反应生成焦炭的重量分数 固体物料密度，蚝m 3 气体物料密度，k g m 3 横截面积，m 2 固体微团直径m ，取为2 0 1 0 弓 曳力系数，取为o 4 4 气相物料的体积分率 裂解反应热，j k 手1 热裂解焦炭的含量，叭。 热裂解焦炭转化为焦炭的质量分数量 一段提升管出口处，固相混合物料的出口流速 只瓦船鼹船尾b巧日畔删q 驴见b c：办g毛毗姗 北京化工大学硕士学位论文 一段提升管出口处，气相混合物料的出口流速 再生器密相床层体积，m 3 单位床层烧焦反应生成组分f 的速率，k m o l ( s m 3 ) 。l 密相床层料位高度，m 单位床层烧焦反应放热速率，k j ( s m 3 ) o 对环境的热损失，i 【j s 容器圆筒的直径，m 传热系数，l ( j ( s k m 2 ) 一。本研究中设为0 0 4 x lld 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源：国家8 6 3 项目 项目名称：流程工业企业级仿真及优化技术平台 1 2 论文选题的目的和意义 催化裂化是石油二次加工的主要方法之一，它是以常减压馏分油，蜡油等重质馏 分油或渣油为原料，在催化剂存在的条件下，发生一系列的化学反应，将重质原料油 转化牛成气体，汽油，柴油等轻质产品和焦炭的过程。一般的原料油在经过常减压塔 蒸馏后只获得1 0 q 0 的轻质原料油，剩余的油品则变成了重质原料油，如果不进 行催化裂化二次加工，则经常减艋塔馏出的重质原料油不能实现其主要的价值。因此 催化裂化技术的发展对整个炼油界有着深远的影响。 为了提高催化裂化装置的工作性能并实现增加轻质原料油产出的目的，需要不断 研究能够提高原料油进料转化率的方法。由于催化裂化装置的复杂性，在实际设备上 来考察原料油以及操作条件对油气产物的影响是不太可行的，凶此建立准确的催化裂 化模型变得尤为重要。建立准确的催化裂化反应模型对于研究催化裂化工艺以及提高 原料油的转化率有着重要的意义【i 】。 1 准确的数学模型可以缩短新工艺开发周期。一个准确的符合实际工况的模型可 用于试验不同工艺参数和操作条件对于生成的油气产物的影响，以找出最优的工作 点。 2 可优化工程设计方案。基于准确的数学模型，可计算出原料油组成和性质对油 气产物的影响。 3 可优化催化裂化装置的操作。 本文通过建立机理模型，使模犁能够准确的反应九江炼油厂的一套催化裂化装置 的工作状况，并使其能够预测不同实际工况下的油气产物。 由于催化裂化是一个复杂的，不确定而且敏感的系统，因此催化裂化装置在受到 进料或操作条件干扰时，油气输出量以及提升管和再生器的工作温度压力会发生较大 的波动。鉴于催化裂化装置在设计时设定了一定范围的工作区间，即如果反再系统在 加入扰动后的工作点超过了设定的值则会影响设备的安全性，就有可能引起重人的事 故。因此为了减少外部扰动对催化裂化装置的影响，使系统在受到干扰后仍然能维持 在一个相对稳定的工作状态，需要将先进控制器应用到建立的模型中。 北京化工大学硕r 上学位论文 目前应用较为广泛的先进控制器，例如m p c ，i m c ，l 玎d a 【2 】等控制器都是基于传 递函数提出的控制策略，因此要验证先进控制器在催化裂化装置上的应用效果，首先 需要辨识出这个复杂的高阶系统。普遍的对系统辨识的定义是通过测取目标对象在人 为输入作用下的输出响应，或正常运行时的输入输出数据记录，加以必要的数据处理 和数学计算，估计出对象的数学模型。目前系统辨识，状态估计和控制理论是现代控 制论中三个互相渗透的领域。鉴于控制理论的应用几乎离不开系统辨识和状态估计， 因此系统辨识是自动控制领域内不可或缺的一部分。同时辨识在工业上有着广泛的应 用领域：通过辨识出的数学模型可用于控制系统的设计和分析，以改进原系统的性能； 对于一些较复杂且具有惰性的系统，辨识结果可用来进行在线控制；同时，辨识思想 可用于系统的预测以及系统的检测和故障诊断。 由于阶跃信号因其简单以及易实现而成为应用最为广泛的输入信号，因此基于阶 跃响应来辨识系统在辨识领域一直占领着重要的地位。用阶跃响应米辨识催化裂化装 置不仅能够保证辨识的精度，同时还减少辨识时所需的计算量。 1 3 本课题相关领域的历史，现状和前沿发展情况 1 3 1 催化裂化装置的发展和现状 1 9 世纪9 0 年代，g u l f 石油公司的研究员m a f e e 首次将三氯化铝应用到石油催化 裂化工艺并因此提高了汽油的产量。这一创新举动揭开了催化裂化研究的序幕，可是 该过程在当时并没有引起重视，直到2 0 年后才逐渐被科学家认识。由于催化剂的价 格过于昂贵及回收困难，在很长一段时间里，催化裂化没有在工业上广泛采用。 为了克服催化剂给整个催化裂化工业带来的阻碍，法国机械工程师h o u d r y 采用相 对较廉价的酸性白土作为催化剂，并通过烧掉催化剂上的焦炭来实现催化剂的重复利 用。该方法极大地推进了炼油技术的发展。1 9 3 6 年第一套催化裂化工业装置开始运行， 这套装置由三个水冷式同定床反应器组成【3 】。 固定床催化裂化装置是工业上最先开发出的催化裂化装置。该装置的工作原理如 下：在反应器内预先放置做成小球状或片状的催化剂，将原料油预热至4 0 0 0 c 后通入 反应器内；原料油和预先放置的催化剂相接触后在催化剂的表面进行裂化反应。大约 经过几分钟到几十分钟，裂化反应速率会因为催化剂活性的降低而减少，催化剂表面 的焦炭累积量也逐渐增加。此时，停止原料油的进料，往反应器内通入空气进行催化 剂再生。催化剂活性恢复后继续原料油的进料，以此往复操作，由此可见，催化裂化 的反应和再生是轮流间歇地在同一个反应器内进行。同时，由于原料油的裂化反应是 吸热反应，而催化剂的再生过程是一个放热反应，为了反应时供热及在再生时取热， 在反应器内装有许多小管子，管内循环一种融盐作热载体进行供热和取热【4 】。 2 第一章绪论 虽然固定床反应器是炼油技术上的重大进步，但不可否认它仍然存在着很多缺点， 其主要的缺点体现在设备结构复杂，操作繁琐，控制困难。为了克服固定床的缺点， 需在新的设备中实现催化剂在反应和再生之间循环以及减小催化剂的颗粒。移动床的 出现是为了解决第一个问题，而流化床的诞生解决的上述的两个问题。 在移动床催化裂化装置中实现了反应器和再生器的分离。在反应器中，原料油和 催化剂混合进入反应器的项部，由于重力作用，混合后的物料流会一直往下运动，并 在f 落过程中发生裂化反应。当混合物料落至反应器下部时，催化剂会因为表面积累 的焦炭而逐渐失去活性。此时在反应器的中下部引出裂解反应的油气产物，并从反应 器的底部导出失活的催化剂。待生催化剂由气升管提升到再生器的顶部，并在往下运 动的过程中进行再生。恢复活性的催化剂经气升管再回到反应器的项部，以此循环应 用。由于裂化反应为吸热反应，反应所需要的热量由高温催化剂提供，因此反应器内 不需要再单独设置加热管。同时，由于烧焦反应为放热反应，即在再生器中烧去催化 剂的焦炭会产生大量的热，因此为了维护再生器的性能需要在再牛器中设置取热器来 取走多余的热量。移动床催化裂化装置相较与之前的固定床装置，具有了一系列的优 点：降低了对反应，再生器的设备要求，不需要复杂的温度控制系统，避免了复杂的 阀门，控制设备以及安全系统，同时裂化油气产物产量基本保持不变。但移动床仍然 没有处理由大的催化剂颗粒所带来的传质阻力。 流化床的工作原理和流动床类似，只是将催化剂的直径减小到2 0 1 0 0 微米，这使 得催化剂和油气或空气混合后形成与沸腾的液体相似的流化状态。在该状态下，反应 器和再生器内温度的分布较为均匀，两者之间的温度变化幅值也相应的减小，这就意 味着在再生器中无需专门设置取热设备，也进一步简化了催化裂化装置。 由此可见，国际上原油催化裂化装置的发展经历了天然活性白土固定床反应器， 到合成硅酸铝移动床和流化床反应器以及目前较为流行的分子筛催化剂提升管反应 器等几个重要发展阶段。 在1 9 5 8 年，我国首次采用了前苏联设计的催化裂化装置并应用到实际工业生产 中。1 9 6 4 年之后，我国开发了自己的第一套流化催化裂化装置。并在第二年的5 月投 产了处理量为o 6 m t a 的同高并列式流催化裂化装置，这标志着我国炼油工业与国外 先进水平的差距大大缩短。 在1 9 7 4 年，我国开发了同高并列式提升管装置，并首次在玉门炼油厂投产，之后 又建成了第一套同轴式带两段再生的催化裂化装置。从2 0 世纪7 0 年代后期开始，我 国开始致力于快速床再生技术的研究，并分别进行了冷模实验和热模实验。之后，我 国在再生方面掌握了鼓泡床，湍动床和快速床这三种床型，记忆完全燃烧和彳i 完全燃 烧两种方式，还有单段再生和两段再生的组合形式。 流化催化裂化装置虽然经历了很多的发展，设备有了很多的进步，但是仍有很大 的发展空间，比如在原料油的充分雾化，再生器的取热，蒸汽预提升以及重金属的钝 3 北京化工大学硕士学位论文 化等方面。同时，现在工业中普遍采用的提升管是催化剂和原料油从提升管底部进料， 经由蒸汽的提升，一边往上运动一边发生裂化反应，这种上行式的提升管有一个无法 忽视的问题即返混和二次裂化。鉴于这种情况下，为了避免返混和二次裂化，下行式 反应器也是目前的一个研究热点。 另一个仍有待大力改进的设备即提升管出口，反应器顶部的分离器。提升管出口 处的混合物料是待生催化剂和油气产物的混合流。在分离器中要实现的目标即快速高 效地分离出油气产物和催化剂，同时避免在分离器中进行二次反应，此时就需要设计 一个性能好的分离器。因此高效地分离油气产物和再生催化剂仍是一大研究重点。目 前，工业上已经开始采用两段或多段气提逆流及错流分段汽提。 同时，将石油化工和催化裂化工艺相结合，很有可能是以后的主体发展趋势。目 前已经在一些石油化工厂应用了催化裂化装置。例如乙烯从催化裂化干气中提取，丙 烯作为石油化学品出售，氢气回收供炼厂使用。 除了上述提到的种种设备的改进，随着工艺的不断进步，目前催化裂化技术前进 的主要目标包含：加工重质原料，提高原油的裂化产物，降低能耗以及减少污染。为 了实现这几个目标，国内外的研究专家都在不断努力着。 由于我国开采的原油普遍偏重，因此重油的催化裂化，即将重质原料油通过加工 来提高油气产率的方法，一直是我国催化裂化主要研究的方向。为了提高油气与催化 剂的接触面积，进一步提高原油裂化率，我国掌握了原料油雾化技术以及催化剂预提 升。同时，为了提高催化剂的再生率并维持再生器的工作温度，我国的催化裂化装置 分别在再生器内外都设置了取热器；为了高效地分离油气产物和待生催化剂，我国还 掌握了提升管出口快速分离等一系列渣油催化裂化的基本技术。 同时，为了满足炼油厂新的产品结构和产品需求，我国的催化裂化技术还有一系 列新的发展：为了多产丙烯，采用了专门的催化剂和特定的操作条件，并实现了 d c c 工艺【5 】及a r g g 工艺；为了降低裂化后汽油中的烯烃含量，衍生了几种独特 的催化裂化技术，实现了m p 工艺【6 】，m g d 工艺f 7 】，f d f c c 工型8 1 ，两段提升管工 艺。 1 3 2 催化裂化反一再系统仿真模型的历史和发展 由于裂化反应是个复杂的化学反应，具有原料油组成复杂，再生器物料存在模式 不确定以及操作条件和设备条件会对原料裂化程度产生很大影响等特点，因此建立准 确的催化裂化反应再生系统的模型很困难。但鉴于准确的数学模型对促进整个催化裂 化发展有着重要的意义，国内外学者深入地研究了催化裂化反应再生系统的建模方 法。 4 第一章绪论 在催化裂化装置中主要发生了两个反应：在提升管内部发生原料油的裂解反应， 在再生器内发生烧焦反应。这两个主要的反应中，由于裂化反应直接决定着油气产物 的流量，因此建立准确的裂化反应模型是整个催化裂化反再系统中最重要的部分，并 是早期研究人员的研究热点。建立裂化反应数学模型常用的方法有关联模型和集总模 型这两种。关联建模是根据测量所得的数据，通过参数回归等方法，得出油气产物和 油气性质或操作条件等的关联式。国外建立关联模型的方法包括： b l 锄d i n g 法，即依据大量的生产数据，来关联会对裂化反应产生影响的各因素， 使得建立的模型能够较为准确的预测裂化反应后的油气产物。 e s s o 关联模型【9 】，该模型是基于对原料油中的芳烃类型的详细分析，建立了进料 的裂化程度与芳烃指数的关系，使得建立的关联式能够更为准确的预测模型输出。 a m o c o 关联模型【l o l l l ，该模型结合了油气产物的预测以及炼油过程中能耗大小的 预测。同时该模型也经过了优化催化裂化装置的方法的验证。 p r o f i m a t i c s 关联模型【1 2 】，是一个包含了反应器，再生器以及简化分馏模型的精确 静态模型，该关联式能够确定不同机理下的焦炭含量，进料和产物之前氢含量的差别， 反应器内催化剂贮藏量以及再生温度弹性。该关联模型分为：反应器模型，再生器模 型，焦炭模型和产品产率模型。 我国建立裂化反应关联模型的方法有： 曹汉昌关联式【1 3 】，即根据我国一些炼油厂的催化裂化实测数据来建立关联式并使 其预测原料油的转化率和焦炭产率。该关联式可适用于国内部分的炼油厂，并只能用 于预测油气产率。 张立新关联式【1 4 】，即依据已有的对裂化反应动力学的研究并结合实测数据建立的 关联式，该模型不仅能够预测原料油的转化率而且设置了装置因素。 虽然关联模型使用简便，所需要的物理性质不多，但是该模型一般只能在测量范 围内有效，外推性差。与之相对应的另一种应用普遍的建模方法为集总模型。集总模 型( 1 u i 】叩i n g ) 是将提升管反应器中的众多的化合物，根据其动力学特性相似的原则，归 纳为若于个虚拟组分，并将每个组分定义为集总，从而建立的集总动力学模型【1 5 】。 w e e k m a n 首先提出了将整个催化裂化反应划分为原料，汽油，气体和焦炭这三个主要 的集总组分【1 6 1 。在此基础上，随着催化裂化技术的发展，逐渐出现了4 集总模型【0 7 1 ， 5 集总模型【1 引，6 集总模型f 1 9 2 0 1 ，1 l 集总模型【2 ，1 3 集总模型2 2 】等。由于集总建模 法能够描述过程的机理过程，而且模型的参数都具有相应的物理意义，因此模型的使 用范围相较于集总模型而大大增加。 完整的催化裂化动态模型最早由a m o c o 石油公司提出，模型包含了一个提升管模 型和一个再生器的动态模型；之后m c f 砌a i l e 【2 3 1 提出了一个较为详细的催化裂化模型， 该模型相较于加n o c o 模型虽更为完整，但过分简化了裂化反应动力学模型，并没有 对再生器中发生的烧焦反应进行描述。为了完善m c f a r l 柚e 模型，a r b e l 将j a c o b 刚 北京化工大学硕士学位论文 提出的1 0 集总裂化反应模型替换了之前模型中的简单模型，并将再牛器模型替换为 k u l l i i 和l e v e n s p i e l 提出的模型。 之后，s c c c l l i 【2 5 】提出了一种针对u o p 型催化裂化装置建模的方法。该方法虽提出 了两种建立再生器模型的方法，可是在提升管中没有保持质量守恒，同时也忽略了催 化剂和气体之间的滑落。h a n 和c h 吼g 【2 6 】提出了较为完整的模型。该模型不仅包含了 提升管和再生器的模型，同时还包含了汽提器模型和催化剂传输管的模型。它不仅能 预测油气产物，同时还可确定油气产物和催化剂沿提升管的运动速度。但他们提出的 滑落速度和很多其他研究人员的研究成果并不相符。之后，f e 力1 a 】咀e s 【27 】提出了一种建 立r 2 r 模型的方法。该方法包含有一个提升管反应器和两个再生器的模型，该方法在 体现包含裂化反应特征的基础上，尽可能的降低建模的难度。 我国研究人员也致力于催化裂化建模的研究中。其中最著名的包括郑远扬【2 踞9 】提 出的模型，他建立了一个同轴式催化裂化装置的动态模型，该模型包含了提升管裂化 反应模型以及两段再生器模型；同时还有罗雄麟等【3 0 3 l 】建立的模型，提出的前置烧 焦罐式催化裂化机理模型。 1