用動態(tài)實驗考核重油熱裂解產(chǎn)物分布模型

1、用動態(tài)實驗考核重油熱裂解產(chǎn)物分布模型 第53頁2.2 用動態(tài)實驗考核重油熱裂解產(chǎn)物分布模型摘 要 用計量泵將減壓渣油打入電加熱模擬焦化爐爐管并加熱到大約500，用濕式流量計計量裂解氣的體積并用氣相色譜分析裂解氣的組成，由特定的采樣器對全油樣急冷，利用液相色譜對渣油及裂解油進(jìn)行切割分析得到窄餾份轉(zhuǎn)化率；用全過程模擬的方法對實驗過程進(jìn)行模擬，3個動態(tài)實驗條件下的出口轉(zhuǎn)化率模擬結(jié)果基本與實驗值相符，說明重油熱裂解產(chǎn)物分布模型可以用于焦化爐管內(nèi)過程模擬。關(guān)鍵詞 焦化爐 管內(nèi)模型 模擬 動態(tài)實驗 出口轉(zhuǎn)化率石油煉制中減壓渣油的平衡利用，是世界煉油工業(yè)中普遍存在的重大課題。目前渣油轉(zhuǎn)化基本采用加氫、脫碳或

2、將二者有機(jī)結(jié)合的轉(zhuǎn)化途徑。其中延遲焦化工藝由于投資及操作費用較低，對原料適應(yīng)性強(qiáng)，熱轉(zhuǎn)化率高，一直是重油輕質(zhì)化的主要途徑。焦化爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備。決定了整個裝置的操作周期、能耗水平及液體收率。如何對焦化爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計？如何在較低的操作費用及設(shè)備費用下提高輕油收率，并使生產(chǎn)過程達(dá)到最優(yōu)化？有必要建立可靠的模擬模型，以對焦化爐管內(nèi)外整個過程進(jìn)行模擬。熱裂解產(chǎn)物分布模型是焦化爐管內(nèi)過程全面模擬的基礎(chǔ)，管內(nèi)介質(zhì)壓降、反應(yīng)熱、汽化率、熱轉(zhuǎn)化率及停留時間等關(guān)鍵工藝參數(shù)的計算，都必須基于熱裂解產(chǎn)物分布模型，模擬結(jié)果是否可靠取決于各個模型及關(guān)聯(lián)式是否可靠。有關(guān)重油熱裂解產(chǎn)物分布、汽液相平衡、兩相流

3、、熱焓及反應(yīng)熱模型的研究及使用方法參見文獻(xiàn)1，鑒于引用模型與關(guān)聯(lián)式，在其它文獻(xiàn)中已作可靠性及適用范圍評價，因而有必要對新開發(fā)熱裂解產(chǎn)物分布模型的可靠性進(jìn)行考察。由于工業(yè)爐難以保證平穩(wěn)操作及出口取樣困難，在中石化總公司的支持下，建立了一套便于調(diào)整操作和取樣的電加熱焦化爐模擬裝置，將減壓渣油從380左右加熱到500，通過急冷后，實測出模擬爐出口裂解產(chǎn)物分布，并對過程進(jìn)行模擬，比較出口模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的差異，以考察熱裂解分布模型與其它模型一起應(yīng)用于流動過程模擬的可靠性。1. 實驗過程簡介焦化爐模擬實驗裝置見圖 1。原料油來自現(xiàn)場減壓泵調(diào)節(jié)閥后。 經(jīng)過裝置預(yù)熱爐煙道氣預(yù)熱后進(jìn)入原料油儲罐 ， 經(jīng)型過

4、濾器過濾后進(jìn)入額定流量為500l/h額定壓力為1.6mpa的高溫計量泵，泵出口處裝有壓力表， 以測定泵出口壓力。使用前用水對泵進(jìn)行標(biāo)定，以保證計量的準(zhǔn)確。為保證流量平穩(wěn)，進(jìn)入系統(tǒng)前，通過緩沖罐 以減少流量的不均勻。預(yù)熱爐直徑為480mm，高為1050mm， 內(nèi)襯陶纖氈以保溫。用煉廠催化干氣作為燃料，為克服瓦斯壓力波動給預(yù)熱爐溫帶來的影響，在燃料進(jìn)實驗裝置前由緩沖罐穩(wěn)壓后，再經(jīng)減壓閥減壓，然后再通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。長約12m的202mm的1cr18ni9ti不銹鋼管盤繞在火嘴四周將渣油在預(yù)熱爐內(nèi)提高到380-390左右再進(jìn)入電加熱實驗爐， 爐膛裝有熱電偶以觀察控制爐溫，爐管出口處裝有熱電偶和壓力

5、表以控制出口處溫度并測量出口處的壓力。模擬爐爐管采用102的不銹鋼管，每根長度為3.15m。共5根。管壁上焊有熱電偶以監(jiān)測壁溫。爐管出口轉(zhuǎn)彎處裝有熱電偶套管以測量油溫，并由5塊702溫控儀表，通過調(diào)節(jié)入爐電流將爐管出口溫度控制在給定值附近。為保證模擬爐爐管受熱均勻，爐管外襯用373的普通碳鋼鋼管，每隔400mm爐管外襯一瓷環(huán)，以免爐管和襯管直接接觸造成局部過熱。外面用電熱瓦進(jìn)行加熱，為了避免高溫油品取樣后繼續(xù)反應(yīng)，將爐出口處的裂解油通過急冷器急冷至350以下再采樣。 采樣時，先用n2置換采樣器中的空氣以避免熱渣油直接與空氣接觸而引起裂解油的氧化，為減少采樣誤差，采樣器容量較大（約10升）。原油

6、進(jìn)裝置前，先用蒸汽預(yù)熱整個系統(tǒng)，并檢查溫度測量系統(tǒng)。將原料油打入實驗系統(tǒng)待穩(wěn)定后，從急冷器取樣進(jìn)行分析。用濕式流量計計量裂解氣的體積，用氣相色譜分析裂解氣的組成，用天平將裂解樣稱重，可得到熱裂解的產(chǎn)氣率，由渣油及裂解油的實沸點蒸餾曲線，可得到某一流程范圍內(nèi)的窄餾份轉(zhuǎn)化率。2. 模擬方法簡介 參見圖 1將模擬爐管分成510段，假定每段管內(nèi)油品性質(zhì)均勻一致，且與上游已知的截面性質(zhì)相等，從進(jìn)口開始，計算到出口。 由于實驗過程中散熱損失不易確定，不能確定每段爐管的熱強(qiáng)度，假定每根管內(nèi)升溫速度為定值，各管截面上的溫度由該根管進(jìn)出口截面溫度內(nèi)插求得。圖 2 模擬爐中任意計算段參見圖 2，假定爐管任意計算段

7、i上游截面為i，下游截面為i+1，不計爐管截面速度分布，設(shè)管段內(nèi)流速為u，長度為，則油品在計算段的停留時間為： =/u （1）當(dāng)反應(yīng)為級時，管段i內(nèi)的總轉(zhuǎn)化率與截面處總轉(zhuǎn)化率i及管段內(nèi)總反應(yīng)速度常數(shù)之間的關(guān)系為：i+1i（i）（exp(-)） （2） 虛擬組分進(jìn)出計算段的熱轉(zhuǎn)化率xji，xji+1為：xji+1-xji=k/k （3）可由上游截面已知的xji，計算出出口處組分的熱轉(zhuǎn)化率xji+1，上式中k、k為在管段溫度下虛擬組分及總包反應(yīng)速度常數(shù)。下游截面處各虛擬組分組成ji+1為： ji+1j0xji+1 （4）式中的j0為進(jìn)口處虛擬組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。管段中的流速與介質(zhì)質(zhì)量流量、汽化率及氣液

8、相密度有關(guān)。截面壓力由進(jìn)口已知壓力及兩相流模型求得的壓降得出；汽化分率由截面組成、溫度、壓力根據(jù)平衡汽化模型求得；詳細(xì)的計算方法參見文獻(xiàn)1。3. 實驗及模擬結(jié)果對比分析 在升溫速度基本一致的情況下，采集了三組裂解油全樣，實驗的采樣條件見表1。圖3為進(jìn)實驗裝置原料油（減壓渣油）及經(jīng)過加熱爐加熱裂化后的三組裂解油模擬實沸點曲線。圖3表明，減壓渣油經(jīng)過模擬實驗爐加熱后，發(fā)生了明顯的熱裂解反應(yīng)，隨著流量降低，停留時間增長，反應(yīng)深度增大。需要說明的是，由于模擬爐管較實際工業(yè)爐管少，油品在管內(nèi)停留時間短，裂解油在管內(nèi)的反應(yīng)深度較實際爐經(jīng)驗值低。實驗13e管出口裂解轉(zhuǎn)化率實測及模擬結(jié)果的結(jié)果見表 2及圖 4

9、， 總熱轉(zhuǎn)化率模擬結(jié)果及窄餾分分布基本與實測值相符。表1 實 驗 條 件項 目流 量溫 度（）（l/h）a管入口b管入口c管入口d管入口e管入口e管出口實驗185.0377.0413.59432.41455.68475.92500.27實驗2113.0376.0404.16422.77450.04475.97499.79實驗3140.0376.0404.64422.53451.92475.45500.51表2主要實驗及模擬結(jié)果項 目實 驗 1實 驗 2實 驗 3實驗值模擬值實驗值模擬值實驗值模擬值裂解氣樣重(g)12.3/9.6/5.3/裂解油樣重(g)7272.5/6446.6/3113.4

10、/產(chǎn)氣率(m%,下同)0.16880.1780.14890.1300.16990.112總熱轉(zhuǎn)化率4.28 2.862.73802.0832.0001.808出口210餾分收率0.1600.250.2650.1830.1250.158出口210-330餾分收率2.380.8280.4820.6030.1190.518出口330-510餾分收率14.3413.9814.5913.6114.3313.47圖5為油品在不同管段的停留時間，圖6為不同截面的轉(zhuǎn)化率模擬值，模擬結(jié)果表明在420以前基本未發(fā)生裂解反應(yīng)，在430左右可以看出油品流速對裂解反應(yīng)的影響。這些結(jié)果與靜態(tài)實驗時觀察到的現(xiàn)象是一致的。主要參考文獻(xiàn)： 1 xiao jiazhi etc, process simulation for a tubular coking heater petroleu