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《华东理工大学》 2011年
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芳烃型连续重整集总反应动力学模型研究

周红军  
【摘要】:以生产高辛烷值清洁汽油和苯、甲苯、二甲苯等芳烃为主要目的的催化重整过程是石油加工中的重要过程。由于该过程还同时副产相当数量的氢气,因此在原油劣质化趋势加剧,加氢过程发展迅速的今天,重整氢气成了炼厂加氢过程的重要廉价氢源,催化重整过程在炼厂中的地位就愈显重要。本论文以我国某石化公司的催化重整装置为背景,以该装置的工业实测数据为基础,研究建立该催化重整装置的反应动力学模型,为催化重整装置的操作优化提供指导。 本论文不仅对国内外催化重整工艺、催化剂及反应动力学模型研究的发展及现状进行了较全面的文献调查,而且对本研究的对象—某催化重整装置进行了较深入的实地调查研究。结果表明,该催化重整装置采用的是1971年由美国UOP公司开发的第一代连续重整技术,其原料主要为加氢裂化重石脑油,用于生产苯、甲苯、二甲苯等基本有机原料,同时副产氢气,是一个典型的芳烃型连续重整装置。通过对催化重整反应特征的研究,反应复杂性的分析及各种反应动力学模型特点的比较,确定本研究以建立集总反应动力学模型较为合适。 于是,按照集总分族原则—将动力学特征相似的进行归并,同时考虑到工业实测数据来源的条件,用户对优化预测功能的要求,模型参数估计的可行性及所建集总模型的先进性等,确定将整个催化重整反应物料划分为二十七个集总组分,然后并根据催化重整反应机理建立了二十七个集总组分的反应网络,在反应机理的基础上,通过对重整反应作的一些基本假定,如:所有反应均按拟一级均相反应处理;氢气对反应的影响用氢压表示;把移动床径向反应器的每一环轴截面微元看作为一理想的活塞流反应器等,同时考虑了催化剂积炭失活的影响等因素,最后可列出芳烃型连续重整二十七集总反应动力学模型,各反应的幂函数型反应速率方程。 基于所建的芳烃型连续重整二十七集总反应动力学模型共有163个模型参数,一次同时估计不仅难度很大,而且所估参数的可靠性也差。本研究采用了分步确定的方法,即将整个二十七集总反应网络分成三个子网络,通过分步求取三个子网络模型参数的方法,最终完成整个反应网络的全部模型参数。与此同时,本研究在比较了几种多参数估计方法后,最后通过连用具有较好数值稳定性及快速收敛性的局部极小优化算法(BFGS算法)和全局优化算法(模拟退火算法)的方法,最终成功的完成了163个模型参数的估计工作。 参数估计所需的全部数据均来自于国内某石化厂芳烃型连续重整装置的工业实测数据,对每一步得到的模型参数,都分别采用与参数估计不同时段或不同操作条件下的工业实测数据进行验证,以考察所估参数的可靠性和模型的外推性,结果表明:所建的芳烃型连续重整二十七集总反应动力学模型不仅能对芳烃组成进行较为准确而详细的预测,而且还能预测裂化产物的组成及氢气、积炭量等,其预测精度可以满足工业要求。 接着,本论文还进一步运用所建的二十七集总反应动力学模型,对移动床重整径向反应器内的产物分布,反应器温度分布及催化剂床层积炭分布进行了模拟计算。在对所建的二十七集总反应动力学模型多方面成功考察验证的基础上,最后本研究应用二十七集总反应动力学模型,对该芳烃型连续重整装置的工业操作条件(温度、空速、氢烃比和催化剂停留时间等七个变量)对产物分布的影响进行了分析讨论,对该装置的主要目的产物芳烃的产率进行了优化计算,结果表明:在优化的操作条件下,芳烃产率可提高0.98%,二甲苯产率可提高1.34%,氢气产率也略有增加。 本论文具有明确的研究对象和目标,数据全部来源于对象装置的工业实测数据,针对性强,实用意义大。研究结果不仅对该石化厂芳烃型连续重整装置具有直接指导意义,而且对其它芳烃型连续重整装置具有重要借鉴作用。
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