专利名称：一种38集总的连续重整装置反应器建模方法
技术领域：
本发明涉及一种连续重整装置反应器建模方法，具体地说，是一种基于集总理论与催化重整反应机理将反应物料划分为38个虚拟组分并建立其反应网络，进而根据反应器结构特点建立反应器动力学模型的方法。
背景技术：
催化重整是炼油和石油化工工业中最重要的加工工艺之一，是从石油生产芳烃和高辛烷值汽油组分的主要工艺过程，同时富产氢气，是加氢装置用氢的重要来源，在石油化工企业中占有重要的地位。催化重整以石脑油(主要是c6_c12的碳氢化合物，大概有 300多种纯组分)为原料，在一定操作压力和催化剂的作用下，烃分子发生重新排列，使环烷烃和烷烃转化为芳烃或异构芳烃，同时产生氢气，主要发生以下几种反应环烷烃脱氢芳构化、烷烃脱氢环化、异构化、芳烃氢解、烷烃加氢裂化等[1-2]。据相关资料统计，2008年世界各国或地区总的催化重整能力占原油加工能力的比例平均为13. 42%，截至2009年6月，我国催化重整装置总加工能力为30. 89 Mt/a，约占原油加工能力的7. 98%，我国催化重整能力占原油加工能力的比例低于世界平均水平。近年来，原油供应不断短缺、价格上涨，石化企业成本提高，面临严峻考验。催化重整作为主要的石油二次加工过程之一，其装置挖潜增效、节能降耗的要求日益凸显。Davood Iranshahi 等人[3-4]提出了用改变反应器结构的方法来提高重整装置效益的方法，但对于既定的设备来说，这类方法的可操作性不强。反应器是重整装置的核心，利用流程模型技术对重整反应过程进行模拟，进而指导生产和设计，优化各操作参数是提高装置经济效益有效可行的办法。重整过程包含许多化学反应，建立严格基于机理的反应动力学模型是进行流程模拟的核心和关键。然而参与催化重整反应的化合物达300多种，直接处理如此多的组分，建立其详细的反应动力学模型是不可能实现的。60年代，麻省理工学院教授Wei提出了研究复杂反应体系的集总理论[5]，所谓集总，就是利用物理和化学分析的手段，将复杂反应体系中那些动力学特性相似的组分用一个虚拟组分来代替。最早的催化重整动力学模型是 Smith[6]在1959年提出的，此模型将原料简单的分为烷烃、环烷烃、芳烃3个虚拟组分，并假定这三种组分具有相同的碳原子数，该模型相当粗糙，它忽略了五元、六元环烷烃，正、异构烷烃之间的反应性能的差异，使用范围较小。1972年Kmak[7]发表了 22集总组分重整反应动力学模型，包括35个反应，它对相同碳原子数正、异构烷烃以及五元、六元环烷烃进行了细分，相比Smith模型，它提高了模型精度，但对C8以上组分仍分得比较粗糙。Mobil公司的Ramage等人[8]于1980年提出了一个包含24个反应的13集总重整动力学模型，它对五元、六元环烷烃进行了区分，但没有考虑正异构烷烃间的差异。80年代末Froment等人[9]提出了包含84个反应的28集总催化重整动力学模型，此模型对反应物料的划分比较细致，是一个比较接近实际的模型。90年代国内的解新安等人[10]提出了与Froment类似的动力学模型，翁惠新等人[11]在Ramage等人提出的13集总模型基础上，提出了包含27个反应的16集总模型，但没有区分C8以上烃类。 对重整反应动力学的研究大大推进了重整工业的进步，但是依然存在着集总组分划分普遍不够详细，模型精度不足等缺陷，这主要是由于缺乏足够的原料组分分析数据、复杂模型难以求解。然而随着近年来计算机技术的飞速发展和实验室化验分析条件的不断改善，这些困难已不再成为瓶颈问题。针对以上情况，本发明基于工业重整装置，提出了一种包含86个反应的38集总重整反应动力学模型，充分利用了先进的化验分析手段，覆盖了反应物料的绝大部分信息，模型更加接近实际反应，精度大大提高，可以满足现代重整装置流程模拟的需要。参考文献侯祥麟.中国炼油技术.北京中国石化出版社，2001徐承恩.催化重整工艺与工程.北京中国石化出版社，2006D. Iranshahij E. Pourazadij et al. (2010). Modeling of an axial flow, spherical packed-bed reactor for naphtha reforming process in the presence of the catalyst deactivation, International Journal of Hydrogen Energy, 35: 12784-12799D. Iranshahij E. Pourazadij et al. (2011). Enhancement of aromatic production in naphtha reforming process by simultaneous operation of isothermal and adiabatic reactors. International Journal of Hydrogen Energy, 36: 2076-2085Wei J.，Proter C. D. (1969). A Lumping Analysis in Monomolecular Reaction System. Ind. Eng. Chem. Fund.，8(1) : 114-124Smith, R. B. (1959). Kinetic Analysis of Naphtha Reforming with Platinum Catalyst. Chem. Eng. Prog.，55(6) : 76-88Kmak W. S. (1972). A Kinetic Simulation Model of the Powerforming Process. AIChE Meeting, Houston, Texas, 3: 72Ramage M. P. , et al. (1980). Development of Mobil’ s Kinetic Reforming Model. Chem. Eng. Sci.，35: 41-48Froment G. F. (1987). The Kinetic of Complex Catalytic Reactions. Chem. Eng. Sci. , 42(5) : 1073-1087解新安等(1995).催化重整反应动力学模型的建立及其工业应用(1).炼油设计，25(6) 49-51翁惠新等(1994).催化重整集总动力学模型(I).化工学报，45(4): 407-41I0
发明内容
本发明的目的是针对现有重整反应模型的不足，提供一种38集总的连续重整装置反应器建模方法，以提高模型精度，适应现代重整装置流程模拟的需要。本发明提供的38集总的连续重整反应器建模方法，其步骤如下 1) 基于“集总理论”，将反应物料细分为38个集总组分烷烃甲烷(P》、乙烷(P2)、丙烷(P3)、正异构丁烷(P4)、正异构戊烷(P5)、正己烷(nP6)、 异己烷(iP6)、正庚烷(nP7)、异庚烷(iP7)、正辛烷(nP8)、异辛烷(iP8)、正壬烷(IiP9)、异壬烷(iP9)、正癸烷(nP1Q)、异癸烷(iP1Q)、ll碳及以上正烷烃(nP11+)、ll碳及以上异烷烃 (iP11+)，共计17个集总；
环烷烃甲基环戊烷(5N6)、环己烷(6N6)、7碳环戊烷(5N7)、7碳环己烷(6N7)、8碳环戊烷(5N8)、8碳环己烷(6N8)、9碳环戊烷(5N9)、9碳环己烷(6N9)、10碳环戊烷(5N1Q)、10碳环己烷(6N1Q)、11碳及以上环戊烷(5N11+)、11碳及以上环己烷(6N11+)，共计12个集总；
芳烃苯(A6)、甲苯(A7)、对二甲苯(PX)、邻二甲苯(0X)、间二甲苯(MX)、乙苯(EB)、9碳芳烃(A9)UO碳芳烃(Altl)Ul碳及以上芳烃(A11+)，共计9个集总； 2)根据重整反应机理，构建包括86个反应的38集总反应网络该38集总反应网络包括6个直链烷烃异构化反应、6个烷烃脱氢环化反应、6个环烷烃异构化反应、7个环烷烃脱氢芳构化反应、11个芳烃氢解反应、50个烷烃加氢裂化反应共86 个重整反应。3)根据反应器结构建立及前人研究成果建立重整反应模型方程组
权利要求
1.一种38集总的连续重整装置反应器建模方法，其特征在于该方法包括如下步骤 步骤1.基于集总理论，将反应物料细分为38个集总组分；烷烃甲烷(P》、乙烷(P2)、丙烷(P3)、正异构丁烷(P4)、正异构戊烷(P5)、正己烷(nP6)、 异己烷(iP6)、正庚烷(nP7)、异庚烷(iP7)、正辛烷(nP8)、异辛烷(iP8)、正壬烷(IiP9)、异壬烷(iP9)、正癸烷(nP1Q)、异癸烷(iP1Q)、ll碳及以上正烷烃(nP11+)和11碳及以上异烷烃 (iP11+)，共计17个集总；环烷烃甲基环戊烷(5N6)、环己烷(6N6)、7碳环戊烷(5N7)、7碳环己烷(6N7)、8碳环戊烷(5N8)、8碳环己烷(6N8)、9碳环戊烷(5N9)、9碳环己烷(6N9)、10碳环戊烷(5N1Q)、10碳环己烷(6N1Q)、11碳及以上环戊烷(5N11+)和11碳及以上环己烷(6N11+)，共计12个集总；芳烃苯(A6)、甲苯(A7)、对二甲苯(PX)、邻二甲苯(0X)、间二甲苯(MX)、乙苯(EB)、9碳芳烃(A9)UO碳芳烃(Altl)和11碳及以上芳烃(A11+)，共计9个集总； 步骤2.根据重整反应机理，建立包括86个反应的38集总反应网络； 所述的38集总反应网络包括6个直链烷烃异构化反应、6个烷烃脱氢环化反应、6个环烷烃异构化反应、7个环烷烃脱氢芳构化反应、11个芳烃氢解反应和50个烷烃加氢裂化反应，共86个重整反应；步骤3.在38集总反应网络基础上结合反应器结构建立重整反应动力学模型，
2.根据权利要求1所述的一种38集总的连续重整装置反应器建模方法，其特征在于所述的包括86个反应的38集总反应网络，具体为直链烷烃异构化反应，该反应可逆 nPj^iPj , j= 6,7,8,9,10,11+ ；烷烃脱氢环化反应，该反应可逆 HPj ^SNj +H2 , j = 6,7,8,9,10,11+ ；环烷烃异构化反应，该反应可逆
全文摘要
本发明公开了一种38集总的连续重整装置反应器建模方法，该方法包括如下步骤1)将反应物料细分为38个集总组分；2)构建包括86个反应的重整反应网络；3)在反应网络基础上结合反应器结构建立重整反应动力学模型方程组；4)将催化剂失活的影响累计到各重整反应动力学参数的估计当中，确定了86个模型参数，基于工业数据样本，采用梯度下降法与BFGS变尺度优化算法相结合的方法对模型参数进行估计。本发明基于重整反应的动力学机理，充分利用了先进的计算机技术和化验分析条件，改进了重整模型的精度，使得重整装置模拟更加接近实际反应，从而能为消除生产瓶颈、优化各操作参数提供更具实际意义的指导，提高装置的经济效益。
文档编号G06F19/00GK102289579SQ201110220590
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者张泉灵, 梁超, 王连山, 苏宏业 申请人:浙江大学