加氢裂化分馏过程的模拟与分析_刘光辉

○— 柴油 95 %的馏出温度 ;□— 柴油 5 %的馏出温度 ; △— 航空煤油 95 %的馏出温度
图 4 柴油抽出量对航空煤油 、柴油馏出温度的影响 Fig .4 T he influence of diesel oil rate o n distillation temperature of aviation kerosene and diesel oil
塔压
单位
kg·h -1 kg·h -1 kg·h -1 kg·h -1 kg·h -1
℃ ℃ ℃
MPa
模拟值
67600 27000 26000 14600 141000
212 370.9 382.2 -0.072
实际值
67600 27002 26000 15100 140000
212 362.5 388.8 -0.072
· 16 ·
北京化工大学学报(自然科学版) 2009 年
图 7 柴油与航空煤油 A ST M D86 蒸馏曲线 Fig .7 AST M D86 distillation curves for diesel
计算得出各参数的模拟数据 , 将模拟数据与实 际数据相比较 , 见表 2 。
通过对比可以看出 , 模拟计算结果与实际数据 基本一致 , 相对误差较小(均在 5 %以内), 证明了模 型的正确性与合理性 , 所以能够进行下一步的优化 计算 。
2 操作条件优化分析
在实际生产过程中 , 操作条件的变化 , 如进料温
(1.北京化工大学 化学工 程学院 , 北京 100029 ;2.霍尼韦尔 (中国)高科技有限公司 , 北京 100016)
摘 要 :针对某炼油厂加氢裂化段第二分馏塔分馏所得产 品航空煤油与 柴油不符合 要求的问 题 , 使 用流程模拟 软 件 U niSim Desig n, 数值模拟了加氢裂化段第二分馏塔分馏过程 , 通过调节 工艺的主 要影响因素 柴油抽出 量与尾 油 抽出量 , 产品达到了航空煤油的干点为 300 ℃ 、柴油干点为 360 ℃的要求 , 提高了航空煤油的产量 。 关键词 :分馏塔 ;模拟分析 ;航空煤油 ;柴油 中图分类号 :T E624.2
继续减小柴油的抽出量至 8 t/ h , 航空煤油 95 % 馏出温度高于 300 ℃, 说明航空煤油中开始混入较 重组分 , 柴油 95 %馏出温度也在升高 , 作出 柴油的 与航空煤油的 AS TM D86 蒸馏曲线图 5 。 此时 , 可 以看出柴油 5 %馏出温度在 300 ℃以上 , 说明航空煤 油与柴油的 重叠较小 , 但柴 油 95 %馏出 温度高 于 360 ℃, 没有达到要求 。 可见 , 仅仅调节柴油抽出量 是不够的 , 不能使柴油的 95 %馏出温度降到 360 ℃
收稿日期 :2008-12-25 第一作者 :男 , 1982 年生 , 硕士生 ＊通讯联系人 E-mail:wjhmaster @263.net
型保留了分段数学模型的全部优点 , 并且拓宽了其 应用范围 。
但是 , 对于加氢裂化分馏过程中的操作条件对 产品的影响方面 , 研究较少 。UniSim Desig n 流程模 拟软件采用了新型的算法与模型 , 能够较为准确的 用于化工流程的模拟与计算 , 本文应用该软件对加 氢裂化的分馏过程做稳态模拟 , 并对重要操作参数 进行分析 。
第 36 卷 第 5 期 2009 年
北京化工大学学报(自然科学版) Journal of Beijing U niBiblioteka Baiduersity o f Chemical T echno logy (Natural Science)
Vol.36 , N o .5 2 00 9
加氢裂化分馏过程的模拟与分析
刘光辉1 王健红1＊ 耿国其2
的流量 。尾油原来的抽出量为 14.6 t/ h 。 尾油的流 出量对柴油与航空煤油馏出温度的影响见图 6 。可 以看出随着尾油流量的增大 , 柴油与航空煤油的馏 出温度逐渐 降低 。 当尾油 的流量 增大至 16.6 t/ h 时 , 柴油 95 %馏出温度为 361 ℃, 作出此流量下的柴 油与航空煤油的 AST M D86 蒸馏曲线图 7 。
(5)
各种算法不同之处仅在于联解这些基本方程组
所采用的方法和步骤互异 。 现有的严格算法大体可
分为 3 类[ 11] :矩阵法 , 逐板计算法 , 不稳定方程法 。
为求解各变量 , 先假定各级 温度 T j 和气相流 率 Vj , 根据具体情况用(6)式计算出相平衡常数 K ,
K i , j =K i , j (T j , Pj , xi , j , y i , j ) i =1 , 2 , …, c
(6)
利用 M 、E 方程求出气液相组成 , 而 S 、H 方程
用于迭代和收敛变量 Tj 和 Vj 。其迭代收敛准则可 用 Wang 和 Henke 等[ 12] 提出的收敛标准 , 见(7)式 :
N
∑[
T
k j
-T
(k j
-1)]
2
≤0.01 N
j =1
1.3 模拟结果
(7)
UniSim Desig n 模拟系统的热力学方程有 20 余
1 分馏过程描述与模拟
1.1 工艺流程及问题描述 经加氢裂化后的油品进入减压分馏塔根据油品
的性质不同 , 分馏出航空煤油和柴油 , 其他产物进入 下一工段或作为循环物质 。 图 1 即为第二分馏塔的 流程图 。
图 1 第二分馏塔工艺图 Fig .1 T he second fractionation process
2)相平衡方程组(E 方程组)
y i , j -K i , j xi , j =0
(2)
其中 i =1 , 2 , …, c ;j =1 , 2 , … , N
3)分子数加和式(S 方程组)
c
∑ xi , j -1 =0 1 ≤j ≤N
i =1
(3)
图 3 分馏塔模拟流程图 Fig .3 Simulatio n of the fractionation process
度 、流量及产品抽出量的变化都对分馏塔的分馏效 果产生很大的影响[ 14-15] 。调节各种影响因素 , 只有 柴油抽出量与尾油抽出量对分离效果影响较大 , 下 面就对这两个主要影响因素进行分析 。 2.1 柴油抽出量
该塔原来的柴油抽出量为 26 t/ h , 当减 小柴油 的抽出量时 , 其对航空煤油 、柴油馏出温度的影响如 图 4 所示 , 当柴油抽出量减少到 12 t/ h 时 , 航空煤油 95 %馏出温度接近 300 ℃。
航空煤油 98 %馏出温度为 291 ℃, 柴油 5 %馏 出温度为 301 ℃、95 %馏出温度为 361 ℃, 并且柴油 与航空煤油重叠 较少 , 基 本满足厂方提出 的要求 。 当进一步增大尾油流量时 , 二者的分离效果变差 。 2.3 航空煤油抽出量
当柴 油 的抽 出量 至 12 t/ h , 尾 油 的抽 出 量为 16.6 t/ h 时 , 调节航空煤油的抽出量 , 其对柴油与航
引 言
目前 , 我国航空业的快速发展 , 对轻质化油品的 需求增长加快[ 1] 。 因此 , 提高航空煤油的产量具有 重要的意义 , 而加氢裂化分馏过程的主要产品之一 是航空煤油 , 优化分馏过程的操作条件 , 有利于提高 航空煤油的产量 。
对加氢裂化分馏过程的分析 , 前人主要是对分 馏算法及模型进行讨论与分析 。如 Lew is 等[ 2] 最早 提出了关于简单精馏塔的单股进料 、无侧线进料非 线性方程组的迭代解法 , Thiele 等[ 3] 提出了另一个 经典的逐级 、逐个方程计算法 , 常用于与组成无关的 K 值和组分焓值的情况 。这些方法广泛用于手算 , 不适用于 计算机 。 随着 计算 机的发 展 , Amundson 等[ 4] 提出了关于操作型问题的 M ESH 方程解离法 , 后来又发展了改进 的 Amundson-Po ntinen 法 , 如泡 点法 、流率加和法等 , 适用于不同的体系 。在精馏模 型方面 , 70 年代末 , España[ 5] 在恒分子流假设前提 下 , 对二元精馏塔推导了它的三维双线型模型 , 但由 于要辨识模型参数 , 失去了机理建模的优点 。 此后 针对二元精馏塔 , 提出了精馏过程的分段数学模型 , 首次运用物料平衡关联出入塔段的中间变量 。 Benallou[ 6] 进一步推导了二元精馏塔的分段数学模型 , 并通过仿真证明了这种简化模型化方法的有效性 。 黄克谨等[ 7] 开发的多元精馏过 程分段集结数 学模
求是 :1)航空煤油干点 300 ℃;2)柴油干点 360 ℃; 3)航空煤油与柴油馏程上要脱空 。
表 1 航空煤油与柴油产品的恩氏蒸馏数据 Table 1 AST M distillation data for aviation kerosene
and diesel oil
馏程
温度/ ℃ 航空煤油
c
∑ y i , j -1 =0 1 ≤j ≤N
i =1
4)热平衡方程组(H 方程组)
(4)
FjH F, j +Vj +1 Hj +1 +L j -1 hj -1 -(Vj +Gj )Hj -
(Lj +Sj )hj -Qj =0 其中 i =1 , 2 , … , c ;j =1 , 2 , …, N
以理论板(或平衡级)为基础的严格精馏计算法 均包含联解以下基本方程组[ 10] 。
1)物料平衡方程组(M 方程组)
Fjz i , j +Lj -1 xi , j -1 + Vj +1 y i , j +1 -(L j +Sj )
x i , j -(Vj +Gj)yi , j =0
(1)
其中 i =1 , 2 , …, c ;j =1 , 2 , … , N
左右 , 因此需要进一步调节尾油的抽出量 。
○— 航空煤油 ;□— 柴油 图 5 柴油与航空煤油 AST M D86 蒸馏曲线 Fig .5 AST M D86 distillation curves for diesel
oil and aviation kerosene
2.2 尾油抽出量 在柴油的抽出量为 12 t/ h 的基础上 , 调节尾油
柴油
HK
165
236
10 %
178
270
20 %
182
—
50 %
201
312
90 %
250
348
KK
268
355
1.2 精馏模型
分馏塔的数学模型是在综合考虑全塔的物料平 衡 、能量平衡 、相平衡 、摩尔分率等因素 , 得出分馏塔 的计算的数学方程 。
在塔的计算方法中 , 严格计算法一般以理论板 计算模型为基础 , 图 2 即为理论板模型[ 9] 。
种 , 有 Peng Robinson 、P RSV 、Chao-Sea 、BWRS 、Sour
P R 等热力学方程 , 分别适用于不同的工况 。 本工况
选择工程相平衡计算中最常用的方程 ———PR 方程 , P R 方程能够进行虚拟组分的计算[ 13] 。建立的具体
计算流程图 , 见图 3 。
图 2 理论板模型 Fig .2 T heoretical plate mo del
加氢裂化装置减压塔为全填料塔 , 分离效果不 理想 , 存在一些问题 , 如航空煤油和柴油有重叠 , 航 空煤油没有 完全 分离出 , 部 分轻组 分进 入了 柴油 中[ 8] 。 表 1 中数据即是现在的运行数据 。 产品的要
· 14 ·
北京化工大学学报(自然科学版) 2009 年
○— 柴油 95 %的馏出温度 ;□— 柴油 5 %的馏出温度 ; △— 航空煤油 95 %的馏出温度
图 6 尾油抽出量对航空煤油 、柴油馏出 温度的影响 Fig .6 T he influence of tail oil ra te on distillation temperature of avia tio n kero sene and diesel oil
第 5 期 刘光辉等 :加氢裂化分馏过程的模 拟与分析
· 15 ·
表 2 模拟结果与实际值比较 T able 2 Calculated results and design data
名称
进料流量 航煤流量 柴油流量 尾油流量 塔顶回流量 进料温度 重沸炉入炉温度 重沸炉出炉温度