工业加氢裂化装置的建模和优化外文翻译资料

 2022-07-28 15:09:38

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工业加氢裂化装置的建模和优化

摘要

加氢裂化用于石油工业，将低质原料转化成高价值的运输燃料。这个过程是低硫和低芳烃柴油以及高烟点喷气燃料的最佳来源。在过去几十年中已经提出了解决加氢裂化装置优化的许多方法，但是通常忽略氢裂解反应，其中烃裂解常常发生，从而导致工业问题中出现次优解。与现有文献不同，本文同时考虑了加氢处理塔和加氢裂化器中的烃裂解反应。模型基于能量平衡，质量平衡和用于动力学建模的离散集总模型方法。 在优化之前，通过使用实验室数据从ASPEN PLUS预测原料的性质，然后利用遗传算法（GA）基于工业数据估计模型参数，并通过将模拟结果与工业数据进行比较来验证。为了改善较轻产物的产率，操作条件由GA和序列二次规划（SQP）优化。 柴油或煤油的产量随着拟议方法的增加而增加。

1 介绍

欧洲和美国的环境问题和新的液体燃料法规要求通过减少SOx和NOx的排放来产生较少的污染物燃料。同时，柴油和煤油的快速需求增长导致许多新工艺的开发，这些新工艺可以将较重的石油馏分转化为更有用的轻质产品。加氢裂化过程用于在高温和高压下将低质量原料（即真空瓦斯油（VGO））转化为高价值运输燃料，如柴油，煤油，石脑油和富氢气。 通常，工业加氢裂化在两个填充床催化反应器中进行。分解含硫和含氮化合物的第一反应器是加氢处理器（HT），而来自第一反应器的液体馏分在第二反应器即加氢裂化器（HC）中进行加氢异构化和加氢裂化。 加氢裂化是低硫和低芳烃柴油以及高烟点喷气燃料的最佳来源。产品中较高的氢含量提供更好的燃烧特性，满足新的燃料规格。 此外，加氢裂化能够处理各种不同特性的原料，以产生广泛的产品[1]。

为提高反应堆的运行效率和产品最大化，工业加工必须达到最佳运行状态。 适合的模拟数学模型可以实现现有工厂的优化，并有助于新工厂的设计。虽然在相关领域（反应机理，动力学建模，加氢裂化器反应器模拟）中进行了广泛的研究，但是很少的研究被集中在加氢裂化装置的优化（单个或多个目标）[1]。此外，VGO的加氢裂化涉及复杂的反应混合物，并且很难应用于所提出的动力学模型的工业环境中[2]。为了获得商业加氢裂化装置的最佳运行条件，应根据加氢裂化过程的特点开发新的建模与优化方法。

动力学建模是最佳的工作核心，可以预测加氢裂化过程在运行严重程度内的性能，并研究超出实验领域的性能。动力学建模和加氢裂化产量的系统分布已经在最近的出版物中得到越来越多的关注。考虑到每种化合物的动力学研究和所有可能的反应是复杂的由于所涉及的碳氢化合物的数量。 有几种方法来简化动力学模型。 其中之一是将物种划分为几个等效类（块），然后假设每个类是独立实体[3]。已经开发了基于加氢裂化方法的不同模型[4-6]。 Stangeland [7]提出了一种用于建模加氢裂化动力学的优化方法，该方法开发了一种动力学模型，用于基于表征切割的伪组分沸点的相关性来预测加氢裂化器产率。 根据Stangeland的动力学模型，Pacheco和Dassori [8]认为每个单独的加氢裂化反应中的封闭质量平衡是一个改进的动力学模型。建立了基于伪成分动力学网络的加氢裂化反应[9]。 根据伪组分的方法，Sanchez [10]提出了包括五重加氢裂解玛雅重油的动力学模型。Svoboda和Schweitzer等人使用单事件方法对块状动力学参数进行加氢裂化反应建模。 [11]，斯沃博达等。[12]。 Laxminarasimhan等人采用新型连续统计法对工业加氢裂化器进行建模。 [2]，Basak等人。 [13]，西卡雷利等。[14]和Browarzik和Kehlen [15]，其中可测量的量如真实沸点（TBP）被用作连续结块的表征参数以及反应速率和物理性质描述。 提出了使用碳数和TBP作为基础的连续动力学对VGO加氢裂化的离散集总动力学模型[16]。

动力学模型建立后，采用集结技术进行参数估计，成为重质石油原料加氢裂化的重要工作。为了估计模型的动力学参数，Kumar和Balasubramanian [17]以及Balasubramanian [18]提出了粒子群优化（PSO）方法和GA。几个研究人员提出了GA，然后是基于梯度的其他复杂反应系统的参数估计方法[19-22]。

根据加氢裂化的动力学模型，一些研究人员使用不同的方法模拟和优化了该过程。 采用正交搭配方法对Li等的加氢裂化反应器进行模拟。[23,24]。 Lu [25]进行了加氢裂化的动态建模与优化。 在每次进行李[23,24]和Bhutani等人的模拟时考虑了能量平衡方程。[1]。然而，在HT过程中的反应热被Li忽略。 事实上，整体脱蜡工艺在很大程度上是放热的[17]。 加氢裂化的建模只适用于HC，HC中材料的特性与参考文献中的HT相同。[1]。在工业加氢裂化过程中，烃裂解反应通常发生在HT [26]。 因此，为了准确描述工业加氢裂化过程中的变化，应在物料平衡，能量平衡和反应动力学方程的加氢裂化装置建模中考虑加氢脱硫（HDS），加氢脱硫（HDN）和加氢裂化。

基于上述讨论，忽略HT中的烃裂解可能导致次优结果。 通过这一特点，本文提出了一种优化加氢裂化过程的新方法，同时考虑了HT和HC中的烃裂解反应。所提出的模型由能量平衡，质量平衡和动力学建模的集中模型方法组成。 模型参数基于工业数据估计，并通过比较工厂的模拟结果进行验证。 当运行条件由GA和SQP优化时，轻质产品的产量增加。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍了详细的过程描述，然后在第3节中介绍了加氢裂化装置的建模和仿真的新方法。在第4节中，使用了优化策略，加氢裂化的性能 过程得到改善。

  1. 过程描述

在本文中，我们专注于中国石化公司的加氢裂化装置。 本单位年处理能力120万吨。 加氢裂化在多个催化剂包床中在涓流流动状态下进行。该方法使用两个串联的反应器：HT和HC，分别实现加氢处理和加氢裂化。 加氢处理机（重型减压瓦斯油HVGO）的新鲜进料是分类为石油烯烃，芳烃，环烷烃和结构化合物的各种烃的均匀混合物。

流程图（为了简单和专有的原因，没有冷却器，泵和热交换器）如图1所示。 HT和HC分别由2和4床组成，用H2换热以冷却床之间的反应混合物并控制反应温度。 加氢处理器的进料是HVGO（BP范围505-860K）和H2的混合物，它们在微红加热器和热交换器中分别加热，以在进入反应器之前达到所需的反应温度。与HC（130.1atm和645-670K）相比，HT在相对较高的压力和较低的温度（130.3atm和630-665K）下操作。 在HT中，硫，氮和氧化合物分解成硫化氢，氨和水，而芳烃和烯烃（如果有的话）被氢化。油流一度穿过垂直向下。 在加氢处理器中使用的催化剂具有高氢化/酸度比，引起进料氢化和轻度加氢裂化。 为了获得反应器的温度曲线，安装了20个温度测量点。

HC的进料是HT流体，未转化的再循环油和再循环气体（氢气）的混合物。 在负载贵金属的双功能催化剂的存在下，将进料加氢异构化并在加氢裂化器中加氢裂化。通过将热能转移到循环油，循环H2气和HVGO中，来自HC的产物混合物在一系列热交换器（图1中未示出）中冷却。产物混合物含有一系列从C1（甲烷）至C32的碳氢化合物和其他气体如氨，氢硫和氢气。 为了获得HC反应器的温度曲线，使用30个温度测量点。

从HC流出的液体被送到分离器I以除去大部分的NH 3和H 2 S. 最高分量的氢气在高压分离器II中分离。 如此回收的轻质气体几乎为91mol％的纯H2，并被压制并与补充氢混合。该气体再循环回两个反应器（HT和HC），并部分用于与其进料混合并在催化剂床之间进行换热。 来自分离器II的底部液体产物被进一步冷却并送到由汽提塔组成的下游分离系统（其中从顶部回收一些量的H 2，较轻的产物CH 4，C 2 H 6，液化石油气（LPG））和两个多组分蒸馏系列。这两列的主要产品有轻质石脑油（LN），重石脑油（HN），煤油（KS），柴油和循环油。

3、加氢裂化装置的建模与仿真

为了清楚地模拟过程，将整个加氢裂化反应器分成6个床，如图所示（图1）。 物料平衡，能量平衡和动力学方程可用于描述每个床。在第一个和第二床中，HDN，HDS和加氢裂化反应的低转化率发生，这消耗氢。裂解反应主要发生在第三至第六床。 为了模拟过程，已经做了类似于参考文献的一些假设。[27]：

1）加氢裂化是第一次伪均质反应。 由于氢过量存在，加氢裂化速率可以取决于氢气浓度。

2）反应器中存在插塞流模式。

3）热损失可忽略不计，工业反应堆在绝热条件下运行。

4）扩散电阻不存在。

5）这是稳态运行。

6）回收和补充气体是纯氢气。

7）石油进料和产品在反应器中的液相中。

8）对于每个催化剂床，总质量流量和其热容量的乘积的总和是恒定的。

9）硫和氮组分被视为一个单一的块，这个假设是出自参考文献[38]。

3.1 动力学方程

为了简化建模，采用集总方法。 假设进料和产物流含有可以仅由沸点表征的化合物的连续体。 然后将这些化合物各自分离成固化的25℃的沸点。 每个都仅由结束范围的TBP组成。 氮化合物和硫化物被视为两个组分。硫和氮组分被视为一个单一的块，这个假设是出自参考文献[38]。 另一个反应网络假设是在这里做出的：裂解反应只存在于较重的烃中，以较轻的碳氢化合物和较重的碳氢化合物不能转化成次要的较轻的团块（例如，第i个分量可以转换为第（i-1）个分量，但是不能直接转换为第（i-2）个分量，而第i个分量可以被转换成第（i-k）个分量且kgt; 1，第i个分量应该被破解为第（i-1）个，然后从（i-1）th到（i-2）th......（i-k 1）th直到（i - k）th）。如果真实沸点低于130℃（假设为第1成分），则认为不发生裂解反应[27]。

根据假设，HDN和HDS的动力学模型可以表示为：

加氢裂化过程的动力学模型与Stangeland [7]相似。 细节表达如下：

对于化合物的混合物，对相对反应速率有另外的吸附作用。 一般来说，较重的碳氢化合物吸附更强烈，反应比较轻。 此外，给定分子量的正常参数比相应的异构体或环状化合物更慢地裂解[7]。因此，ki将取决于进料组成和催化剂特性。 需要ki的表达式，可以使用最小数量的参数来反映差异。 经过几次尝试的表达，可以选择以下功能。 为了简化模型，引入了与Stangeland相似的ki和Pij相关的参数[7]。

其中，根据文献[1]中的相关性对每个组分加氢裂化过程中的产物分布进行了评估。 由第j个组分的加氢裂化（沸点，TBPj在℃）形成的丁烷和较轻组分的质量分数由下式给出：

其中C和x是常数。 沸点高于丁烷的所有馏分的产率如下评估：

3.2 HT的材料平衡和能量平衡

HT的主要反应是HDS，HDN和轻度裂解，轻质产物的产率约为10％[26]，加氢裂化装置的整体转化率约为58-65％[28,29]。为了简化HT中的裂解反应模型，HT的催化剂含量假定为HC的20％催化剂含量[29]。 根据这个假设，我们对HT（20％光产品）的模拟产量高于参考文献的结果。[29]（10％轻质产品）。因此，我们工作中HT的催化剂含量被认为是HC的10％催化剂含量，其比参考文献中的HC的催化剂含量小一倍。[29]。 加氢处理器的模型可以基于材料平衡和能量平衡来表示：

其中HRI是第i个块的在裂化反应的反应热，并且可以在等式来计算。（14）

参数HHcon（Eq。（14））是每千克氢消耗量释放的热量，值为21 MJ kg 1 [1]。

参数ai（氢含量）和Cpi（热容）是根据参考文献中提到的保罗方法计算的。[30]。

3.3 HC的材料平衡和能量平衡

裂解反应主要发生在HC中。 组合分组床3-6的HC在图1中描述。 该模型可以以与使用材料和能量平衡的HT相同的方式呈现。

每个床由氢骤冷以冷却所述床之间的反应混合物，并控制反应温度。 每个床的原料可以在本工作中尽可能早地冷却，因此每个床的入口温度可以如下计算：

3.4 原料和产品属性

HC的原料和产物需要分为假组分（基于所选择的结块技术）。 为解决该模型，应该获得许多参数，如分子量和真组分的真实沸点。在工业过程中，性能数据由Engler曲线（ASTM）提供。 但是由于不完全的数据，为了获得原料和产品的性能参数，分子量，临界温度，临界压力等都可以通过ASPEN PLUS从不完整的ASTM数据中预测出来。原料和产品的性质列于表1中。原料和产品的真实沸点和性能的预测结果列于表2和表3。

3.5 模型参数估计

加氢裂化装置的模拟取决于进料性能，催化剂活性，反应器类型和操作条件。 由于反应堆配置和操作条件因不同的不同而有差异，所以模型参数的调整是必不可少的[1]。在这项工作中，应该估计拟议模型中的a，b，c，x，k0，e，kN0，EN，kS0和ES的参数。 在应用中，加氢裂化装置的模型是非线性和复杂的，所以参数估计是一个困难的问题。 从RefS的角度来看。 [1,19-22]，参数估计可以用GA处理。此外，GA通过全球勘探搜索有助于识别有希望的地区，并且可以在单次运行中定位全局最优。 直接/随机方法，如GA，不需要对优化问题的额外假设，特别适用于不正确或未知结构的问题[31]。上述加氢裂化装置的模型以及过程模拟的性能估计编程在MATLAB平台编码。 Runge-Kutta方法用于求解质量和能量平衡的微分方程。 典型的进料性能见表1-3。使用工业数据调整加

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