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《中国石油大学(华东)》 2016年
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两段提升管催化裂解多产丙烯(TMP)技术提升管反应器的模型化

杜玉朋  
【摘要】:催化裂化/裂解(FCC)过程是石化企业的核心工艺过程之一,担负着将重质油轻质化、并副产低碳烯烃的重任。两段提升管催化裂解多产丙烯(TMP)工艺过程是近年来重质油国家重点实验室开发的一种新型FCC技术。虽然研究人员已对该技术进行了大量的基础实验研究,包括催化材料与催化剂、流体流动、以及工艺条件优化等,但欲使其顺利实现工业化推广,有必要开展工程化问题研究。如若能在装备与过程模拟、工程化集成等方面完善该技术,势必会大大增强其市场竞争力。因此,本论文的研究主要围绕TMP技术提升管反应器的模型化工作展开。首先,根据各物质沸程差异,将TMP工艺过程的原料和产品划分成重油、柴油、汽油烯烃、汽油芳烃、汽油饱和烃、(丙烷+丁烷)、丁烯、丙烯、干气和焦炭共十个集总,并设计集总之间的反应规则,从而建立了十集总动力学模型。随后,提出了模拟退火法(全局)——最小二乘法(局部)——模拟退火法(局部)三层逐层寻优算法对模型参数进行了估计。研究结果表明,十集总动力学模型可以准确地模拟TMP工艺过程各类产品分布情况,相对误差均在5%以内。同时解决了十一集总动力学模型所预测的丙烯收率一直随重油转化率增大的问题。此外,该模型还可用于预测各产品收率与选择性随着重油转化率的变化情况,并为TMP装置两段操作寻找最佳分割点等。经合理简化能量最小多尺度(EMMS)模型求解算法,提出了一种更为简便的气固相间曳力模型构建方法。将EMMS曳力模型与两相流模型(TFM)相耦合模拟了传统等径提升管内的气固两相流动过程,从而验证了简化模型的准确性与合理性。由TFM耦合EMMS曳力模型对TMP技术多流域提升管的研究表明,基于EMMS方法的非均相曳力模型比常用的均相曳力模型更适宜多流域提升管内气固两相时空多尺度流动行为的描述。此外,模型参数研究表明,EMMS曳力模型中的颗粒聚团直径关联式应慎重选取;颗粒碰撞恢复系数的取值影响并不大;颗粒-壁面碰撞恢复系数宜取值为0.0001;粘性应力模型选择层流模型足以满足要求。然后,采用EMMS曳力模型与TFM耦合模型对冷态循环流化床(CFB)矩形提升管内的流动过程进行了模拟。基于CFD模拟结果,提出了六参数描述理想反应器网络拓扑结构的方法,并一一确定了这六个参数的值,从而为CFB提升管建立了一种新型反应器流动模型,即等效理想反应器网络(ERN)模型。研究结果表明,由五个不同大小的全混釜串联一个平推流反应器所组成的理想反应器网络能较好地模拟CFB提升管内的非理想流动过程,并反映固相停留时间分布状况;然而,由20个和50个全混釜串/并联分别组建的反应器网络同样可以等效地模拟固体颗粒通过CFB提升管时的停留时间分布情况。可见,对于一个非理想反应器而言,等效的理想反应器网络配置并不唯一。最后,通过集成TMP工艺十集总动力学模型,为XTL-5型中试提升管反应器建立了反应条件下的等效反应器网络模型,并将其与CFD模型和Plug-flow模型等传统流动-反应耦合模型进行了对比研究。结果表明,ERN模型优势在于比Plug-flow模型的预测精度更高,比CFD模型的计算耗时大幅度缩短,从而同时实现了提升管反应器的准确模拟与快速计算。以等效的反应器网络配置为基础,在Aspen Plus流程模拟软件中实现了对重油催化裂解(RFCC)过程的模拟与分析。在RFCC过程模拟实验考察范围内,重油转化率随着反应温度的增加而增加,轻油收率则一直降低,丙烯收率持续增加;而随着停留时间的延长,重油转化率逐渐升高,轻油收率先增大后降低,丙烯收率一直增加。此外,由Aspen Plus软件对重油催化裂解过程与轻烃催化裂解过程集成技术的模拟研究表明,在TMP技术中重油与轻烃组合进料具有协同作用,相比于单独重油进料,丙烯和轻油收率均得到了提升。
【学位授予单位】:中国石油大学(华东)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ221.212

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