一种石油催化裂化反应再生部分的建模方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术通过建立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，并分析了异常工况对进料温度的影响。而且，本发明专利技术通过进料温度的变化查找出原油带水量或含烃量，能够对反应器、再生器的稳态特性和动态特性进行详细的分析，进而提高生产效率和安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。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。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。本专利技术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。本专利技术通过如下技术方案得以实现：一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：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；2)基于集总理论，将反应物料细分为5个集总组分：原料油、柴油、汽油、气体、焦炭；3)关于再生部分，取烧焦罐内微元高度做物料和能量衡算：基于下述方程建立模型框架：待生催化剂上含炭量动态偏微分方程：待生催化剂上含氢量动态偏微分方程：烧焦气中含氧量动态常微分方程：再生反应温度动态偏微分方程：烧焦罐模型边界条件：Cz=0=C0′+1pes·δCδZ,δCδZ|z=1=0,]]>Hz=0=H0′+1pes·δHδZ,δHδZ|z=1=0,]]>yO2z=0=y′O20+1peg·dyO2dZ,]]>待生催化剂上烧碳反应动力学方程：dCdt=kC·p·C,]]>其中，Cat是烧焦罐单位截面积催化剂的摩尔流量；ρCat是催化剂颗粒密度；是快速床中处的孔隙率；Z是烧焦罐无因次长度，其中，Z＝Z’/ZT，ZT为烧焦罐高度；pes是固体传质普朗特准数；peg是气体传质普朗特准数；peh是传热普朗特准数；kCO是烧碳反应之前因子；kHO是烧氢反应之前因子；kw是烧焦罐外壁散热系数；EC是烧碳活化能；EH是烧氢活化能；P是烧焦罐压力；Cps是催化剂比热；Cpg是气体比热；Rg是气体单位截面积的摩尔流量；R是气体常数；T是反应温度；是气体中的氧含量即摩尔分率；C0′为催化剂碳含量、H0′为催化剂氢含量；ρg是气体密度；ΔHC是烧碳热效应；ΔHH是烧氢热效应；ΔTw是环境温度与烧焦罐外壁温差；DT是烧焦罐直径；kC是烧碳反应速率常数，为1.67·108·exp(-161.2·103/R·T)；p是氧分压；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，引用工程软件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。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。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ode15s作为模型方程的求解算法。本专利技术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。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：其中，yA、yD、yN、yG、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；x是提升管无因次长度，x＝x'/xT，xT是提升管长度；η是剂油比；P是反应压力；是催化剂时变失活函数，失活常数γ＝162.15，υ＝0.76，tc是催化剂在提升管中的停留时间；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；HAA是焦炭吸附的热量；k1-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；ε是空时，ε＝ρ·A·xT/F，ρ是原料油密度，A是提升管截面积，F是进料质量流量，...

【技术保护点】
一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：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；2)基于集总理论，将反应物料细分为5个集总组分：原料油、柴油、汽油、气体、焦炭；3)关于再生部分，取烧焦罐内微元高度做物料和能量衡算：基于下述方程建立模型框架：待生催化剂上含炭量动态偏微分方程：待生催化剂上含氢量动态偏微分方程：烧焦气中含氧量动态常微分方程：再生反应温度动态偏微分方程：烧焦罐模型边界条件：待生催化剂上烧碳反应动力学方程：其中，Cat是烧焦罐单位截面积催化剂的摩尔流量；ρCat是催化剂颗粒密度；是快速床中处的孔隙率；Z是烧焦罐无因次长度，其中，Z＝Z’/ZT，ZT为烧焦罐高度；pes是固体传质普朗特准数；peg是气体传质普朗特准数；peh是传热普朗特准数；kCO是烧碳反应之前因子；kHO是烧氢反应之前因子；kw是烧焦罐外壁散热系数；EC是烧碳活化能；EH是烧氢活化能；P是烧焦罐压力；Cps是催化剂比热；Cpg是气体比热；Rg是气体单位截面积的摩尔流量；R是气体常数；T是反应温度；是气体中的氧含量(摩尔分率)；C0′为催化剂碳含量、H0′为催化剂氢含量；ρg是气体密度；ΔHC是烧碳热效应；ΔHH是烧氢热效应；ΔTw是环境温度与烧焦罐外壁温差；DT是烧焦罐直径；kC是烧碳反应速率常数，为1.67·108·exp(‑161.2·103/R·T)；p是氧分压；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，引用 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。...

【技术特征摘要】
1.一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：
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；
2)基于集总理论，将反应物料细分为5个集总组分：
原料油、柴油、汽油、气体、焦炭；
3)关于再生部分，取烧焦罐内微元高度做物料和能量衡算：
基于下述方程建立模型框架：
待生催化剂上含炭量动态偏微分方程：
待生催化剂上含氢量动态偏微分方程：
烧焦气中含氧量动态常微分方程：
再生反应温度动态偏微分方程：
烧焦罐模型边界条件：
待生催化剂上烧碳反应动力学方程：
其中，
Cat是烧焦罐单位截面积催化剂的摩尔流量；
ρCat是催化剂颗粒密度；
是快速床中处的孔隙率；
Z是烧焦罐无因次长度，其中，Z＝Z’/ZT，ZT为烧焦罐高度；
pes是固体传质普朗特准数；
peg是气体传质普朗特准数；
peh是传热普朗特准数；
kCO是烧碳反应之前因子；
kHO是烧氢反应之前因子；
kw是烧焦罐外壁散热系数；
EC是烧碳活化能；
EH是烧氢活化能；
P是烧焦罐压力；
Cps是催化剂比热；
Cpg是气体比热；
Rg是气体单位截面积的摩尔流量；
R是气体常数；
T是反应温度；
是气体中的氧含量(摩尔分率)；
C0′为催化剂碳含量、H0′为催化剂氢含量；
ρg是气体密度；
ΔHC是烧碳热效应；
ΔHH是烧氢热效应；
ΔTw是环境温度与烧焦罐外壁温差；
DT是烧焦罐直径；
kC是烧碳反应速率常数，为1.67·108·exp(-161.2·103/R·T)；
p是氧分压；
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，引用工程软件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。
2.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，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：田文德，靳满满，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37