一种石油催化裂化反应再生部分的建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石油催化裂化反应再生部分的建模方法，还涉及运用该方法建立 的石油催化裂化反应再生部分的模拟系统，并涉及运用该系统对异常工况进行动态模拟的 方法。
【背景技术】
[0002] 催化裂化是炼油过程中重要的二次加工工艺，最重要的石油轻质化过程之一。催 化裂化过程可由较大的烃产生多种产物。通常，将较重的烃进料，例如基础原料油供入催化 裂化反应器中。在催化剂的作用下，该系统可产生多种产物，包括汽油产物和/或轻质产物 如乙烯和/或丙烯。
[0003] 反应再生系统是催化裂化的核心工艺，国内外对催化裂化反应再生系统的研究十 分活跃。其中大量研究工作是关于工艺参数的变化对反应过程的影响。但是，反应再生系 统是一个多参数、非线性、时变及多变量紧密耦合的复杂系统，由于其复杂性和严重的非线 性特性，石油催化裂化反应再生过程建模一直是化工领域的研究难点和热点。
[0004] 通常采用机理-经验相结合的方法，即系统辨识方法，根据化工过程的反应机理 提出相应的石油催化裂化反应再生过程模型结构，然后进行模型参数估计，最后验证模型 的正确性。由于这些未知参数的估计值对得到的石油催化裂化反应再生过程数学模型的准 确性有着重要影响，因此将参数估计问题转化为优化问题，采用优化算法计算出其最优的 估计值。
[0005] 反应再生过程数学模型本质上可分为稳态数学模型和动态数学模型，其中动态模 型可更好地用于在线分析与优化。安全稳定的生产是保证石化企业经济效益与社会效益的 基础。催化裂化是一个复杂多变的过程，物料大部分为甲类危险品且伴随着高温、高压的化 学反应。若发生故障，人员应快速准确地找到故障并将危害降到最低。因此诊断催化裂化 生产过程的故障，保证安全生产具有重要的实际意义。
[0006] 现有技术中并没有通过构建石油催化裂化反应再生过程的数学模型来建立仿真 系统模拟正常工况和异常工况的方法，更没有对其求解并分析异常工况对进料温度影响的 方法。因此，化工生产中需要一种能反映其化学反应规律的动力学模型，用以分析和研究反 应再生系统的动态特性，用于动态过程分析、先进控制和在线优化。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个目的是提供一种石油催化裂化反应再生部分的建模方法。
[0008] 本方面的另一目的是提供一种石油催化裂化反应再生部分的模拟系统。
[0009] 本方面的另一目的是提供一种石油催化裂化反应再生系统异常工况的动态模拟 方法。
[0010] 本发明建立了催化裂化反应再生系统的动态机理模型并估算出所用的动力学参 数，建立仿真系统模拟正常工况和多种异常工况（原油带水、原油含烃、催化剂跑损等），并 分析了异常工况对进料温度的影响，并通过进料温度的变化查找出原油带水量或含烃量， 同时对反应器、再生器的稳态特性和动态特性进行了详细的分析。
[0011] 本发明通过如下技术方案得以实现：
[0012] -种石油催化裂化反应再生部分的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0013] 1)通过现场操作或者实验采集整个石油催化裂化反应过程再生部分的数据，将其 作为建模数据；
[0014] 2)基于集总理论，将反应物料细分为5个集总组分：
[0015] 原料油、柴油、汽油、气体、焦炭；
[0016] 3)关于再生部分，取烧焦罐内微元高度做物料和能量衡算：
[0017] 基于下述方程建立模型框架：
[0018] 待生催化剂上含炭量动态偏微分方程：
[0019]
[0020] 待生催化剂上含氢量动态偏微分方程：
[0021]
[0022] 烧焦气中含氧量动态常微分方程：
[0023]
[0024] 再生反应温度动态偏微分方程：
[0025]
[0026] 烧焦罐模型边界条件：
[0031] 待生催化剂上烧碳反应动力学方程：
[0033] 其中，
[0034] Cat是烧焦罐单位截面积催化剂的摩尔流量；
[0035] P Cat是催化剂颗粒密度；
[0036] S是快速床中处的孔隙率；
[0037] Z是烧焦罐无因次长度，其中，Z = Z' /Ζτ，烧焦罐高度；
[0038] pes是固体传质普朗特准数；
[0039] peg是气体传质普朗特准数；
[0040] peh是传热普朗特准数；
[0041] kra是烧碳反应之前因子；
[0042] kH。是烧氢反应之前因子；
[0043] kw是烧焦罐外壁散热系数；
[0044] Ec是烧碳活化能；
[0045] EH是烧氢活化能；
[0046] P是烧焦罐压力；
[0047] Cps是催化剂比热；
[0048] Cpg是气体比热；
[0049] Rg是气体单位截面积的摩尔流量；
[0050] R是气体常数；
[0051] T是反应温度；
[0052] 、％.是气体中的氧含量即摩尔分率；
[0053] (V为催化剂碳含量、H/为催化剂氢含量；
[0054] P g是气体密度；
[0055] &氏是烧碳热效应；
[0056] ΔΗη是烧氢热效应；
[0057] Δ Tw是环境温度与烧焦罐外壁温差；
[0058] DT是烧焦罐直径；
[0059] kc是烧碳反应速率常数，为 1. 67 · 10 8 · exp (-161. 2 · 103/R · T);
[0060] p是氧分压；
[0061] 4)根据步骤1)所收集的数据，以各集总组分收率与实测值的残差为目标函数，弓丨 用工程软件MATLAB进行动力学参数的求解，以最优化的方法反复迭代，最后使模拟的产率 结果与实际产率结果相对误差最小，选取Nelder-Mead单纯形法计算出动力学参数，将所 得数值代入步骤3)的模型框架中，形成石油催化裂化反应再生部分的数学模型。
[0062] 优选地，上述石油催化裂化反应再生部分的建模方法中，步骤4)在求解动力学参 数的过程中，使用基于数值差分的可变阶方法作为算法进行计算求解。
[0063] 更优选地，上述石油催化裂化反应再生部分的建模方法，步骤4)在求解动力学参 数的过程中，使用函数 〇del5s作为模型方程的求解算法。
[0064] 本发明还提供了一种石油催化裂化反应的模拟系统，其中，再生部分选用权利要 求1所述的石油催化裂化反应再生部分的建模方法进行建模。
[0065] 优选地，上述石油催化裂化反应的模拟系统中，反应器的动力学模型是基于以下 方程进行建模的：
[0072] 其中，
[0073] yA、yD、yN、y(；、C分别是原料油未转化率、柴油收率、汽油收率、气体收率、生焦量；
[0074] X是提升管无因次长度，X = X' /χτ，巧是提升管长度；
[0075] η是剂油比；
[0076] Ρ是反应压力；
[0077] 抑是催化剂时变失活函数，f电</(1+γ .t/)，失活常数丫 = 162. 15，υ = 0. 76,
[0078] t。是催化剂在提升管中的停留时间；
[0079] HAR、HDR、HNR分别是原料油裂化反应热、柴油裂化反应热、汽油裂化反应热；
[0080] Ηω是焦炭吸附的热量；
[0081] ki_k7分别是各反应常数；EA、ED、EN分别是原料油、柴油和汽油裂化反应的活化能；
[0082] ε是空时，ε = Ρ ·Α·χτ/Ρ，p是原料油密度，A是提升管截面积，F是进料质量 流量，F = F热渣油+F冷渣油+F冷料+F回炼油。
[0083] 优选地，上述石油催化裂化反应的模拟系统中，沉降器压力动态模型是基于以下 方程进行建模的：
[0085] MD、MN、M(；、MR分别是柴油、汽油、气体、回炼油的相对平均分子质量；
[0086] D是回炼比；
[0087] Fw、Fw'分别是汽提蒸汽流量和松动蒸汽流量；
[0088] ξ是和气体流动阻力相关的常数；
[0089] ρ'是分离塔顶压力；
[0090] ρ是沉降器的压力；
[0091] t是催化裂化产品在沉降器中的停留时间；
[0092] T是沉降器顶的平均温度；
[0093] V是沉降器的体积；
[0094] N是沉降器中的累积物料量，即N =柴油+汽油+气体+回炼油+松动蒸汽+汽提 蒸汽-沉降器出口油气。
[0095] 本发明还提供了一种对石油催化裂化反应的异常工况进行动态模拟的方法，其 中，采用权利要求4-6所述的模拟系统进行动态模拟。
[0096] 本发明还提供了一种在石油催化裂化反应中实时检测异常工况的方法，其中，采 用权利要求4-6所述的模拟系统进行动态模拟，从而发现各种异常工况。
[0097] 优选地，上述在石油催化裂化反应中实时检测异常工况的方法中，异常工况包括 再生器催化剂失活、再生器稀相尾燃、再生器催化剂跑损。
[0098] 优选地，上述在石油催化裂化反应中实时检测异常工况的方法中，异常工况包括 原油带水、原油含烃、反应器催化剂跑损。
[0099] 本发明针对反应器、再生器建立动态数学模型，采用"原料油、柴油、汽油、气体、焦 炭"五集总动力学模型。
[0100] 反应动力学模型可表示为：
[0107] 上述式（1)~（6)中：
[0108] kA、kD、kN--分别为原料油、柴油、汽油的反应速率常数；
[0109] λΑη--反应计量系数，AD表示原料油（Α)反应之后生成物中柴油（D)所占的质 量分率。
[0110] 因为表示的是质量分率，所以反应计量系数之间存在下列关系式：
[0111] λΑ[)+λΑΝ+λΑ(；+λ Α0= 1
[0112] ADN+ADG+ADC= 1 ; λ NG= 1
[0113] kA。、kD。、kN。 分别是原料油、柴油、汽油裂化反应指如因子；
[0114] Ea、Ed、En-一分别是原料油、柴油、汽油裂化反应活化能；
[0115] R--气体常数；
[0116] T--反应温度。
[0117] 本发明反应器建模的基本假设是：
[0118]