柴油加氫工藝動態仿真研究與應用

宋文禧，殷利奇，吳 罡

（中國石油蘭州石化公司，甘肅蘭州 730060）

柴油加氫工藝是精制柴油生產中非常重要的工藝過程，通過加氫反應控制柴油內含氮量以及含硫量，并經分餾處理形成硫含量低于10×10-6標準的精制柴油產品。以往工藝研究中對油品組成的表征方法以虛擬組分法為主，但所形成柴油組分構成相對粗糙，無法滿足全流程動態仿真的需求。為改進這一問題，本文提出一種基于實組分的工藝研究方法，并對柴油加氫工藝的動態仿真問題進行研究與分析，取得了比較滿意的效果。

1 數學模型

1.1 反應機理

界區待精制柴油與混合氫混合后在反應進料加熱爐中加熱至預設溫度，混合物料經充分預熱后在加氫精制反應器內進行加氫反應，出料通過換熱器降溫并在分離器內進行氣液分離，以分離輕組分，并對未反應氫氣進行循環再利用。經循環壓縮機升壓處理后混合新補充氫氣，再次參與加氫反應流程。重組分則經分餾塔進行分流處理，塔底產出經加氫精制處理。

1.2 原料油蒸餾曲線模型

煉油過程中石油組分構成復雜且多變，原料油性質通常利用ASTMD86蒸餾曲線進行描述，蒸餾曲線0%條件下對應溫度為154.0℃，蒸餾曲線10%條件下對應溫度為235.0℃，蒸餾曲線30%條件下對應溫度為255.0℃，蒸餾曲線50%條件下對應溫度為274.0℃，蒸餾曲線70%條件下對應溫度為305.0℃，蒸餾曲線90%條件下對應溫度為342.0℃，蒸餾曲線100%條件下對應溫度為370.0℃?？紤]到在應用實組分法對柴油構成進行表述時以實沸點蒸餾曲線為依據，因此需采取一定方法對上述ASTMD86標準蒸餾曲線進行轉化，具體方法為：按照如式（1）所示方法對50%餾出體積分率條件下對應溫度值進行計算，然后再對其他各餾出體積點溫度值進行計算。

經計算，實沸點蒸餾曲線與溫度對應關系如下：蒸餾曲線0%條件下對應溫度為134.5℃，蒸餾曲線10%條件下對應溫度為217.2℃，蒸餾曲線30%條件下對應溫度為252.7℃，蒸餾曲線50%條件下對應溫度為281.2℃，蒸餾曲線70%條件下對應溫度為319.2℃，蒸餾曲線90%條件下對應溫度為359.4℃，蒸餾曲線100%條件下對應溫度為403.5℃。

1.3 原料油實組分

根據以上有關實沸點蒸餾曲線與溫度的對應關系，柴油組分構成要素正常沸點區間在134.0～403.0℃，故選取C8～C23烷烴對柴油組分進行描述。同時，考慮到反應體系實際組分中已經包含有芳烴組分，因此不額外選取。所構成用于表征的實沸點蒸餾曲線實組分及其沸點如下：C8H18對應正常沸點為125.7℃，C9H20對應正常沸點為150.8℃，C10H22對應正常沸點為174.2℃，C11H24對應正常沸點為195.9℃，C12H26對應正常沸點為216.3℃，C13H28對應正常沸點為235.4℃，C14H30對應正常沸點為253.5℃，C15H32對應正常沸點為270.6℃，C16H34對應正常沸點為286.8℃，C17H36對應正常沸點為302.2℃，C18H38對應正常沸點為316.7℃，C19H40對應正常沸點為330.7℃，C20H42對應正常沸點為343.8℃，C21H44對應正常沸點為356.5℃，C22H46對應正常沸點為368.6℃，C32H48對應正常沸點為380.2℃。

1.4 實組分分率模型

在針對柴油加氫工藝進行動態仿真分析與計算時，對進料柴油組成分率的確定非常關鍵。具體思路是以實沸點蒸餾數據為依據，圍繞進料柴油組成與沸點溫度構建數學關系式，計算不同沸點條件下實組分所對應百分比含量。定義沸點溫度為y，定義累積體積百分比為x，定義多項式系數為ai，定義指數項為i，則可用式（2）進行描述。

在此基礎之上，利用原料油實沸點蒸餾曲線及其對應溫度進行數據擬合處理，結果顯示五次多項式擬合曲線與給定實際數據有良好吻合性，對應關系如圖1所示。因此，根據圖1，將原料油實組分分率函數模型定義如式（3）所示。

圖1 五次多項式擬合曲線與實測值吻合性示意圖

2 模型求解

2.1 實組分求解

前文中式（3）以多項式函數關系對原料油實組分沸點溫度與餾出體積百分比間的關系進行描述，已知式（3）中，y為沸點溫度，x為餾出體積百分比，故可以通過應用隱式方程切線法的方式，對各個組分所對應體積分率進行計算求解，在此過程當中定義第k次迭代計算結果為xk，對應函數值為f(xk)，第k＋1次迭代計算結果為xk+1，對應函數一階導數值為f ′(xk)，則可形成式（4）。

2.2 單元模型求解

在本文所研究動態仿真分析過程當中，所涉及到包括換熱器、閃蒸、壓縮機、精餾塔等單元模型均選用已開發通用動態仿真平臺中數學模型，單元模型具體形式如下式（5）所示。

在復雜化工領域動態仿真分析過程中，數學模型方程以非線性微分方程為主，經迭代處理計算工程量較大，整體操作比較復雜，不適用于動態仿真分析，故微分方程求解選用顯示歐拉法，在滿足初始條件“當x=x0的情況下，y=y0”時，可用式（6）～（7）進行描述。

3 結束語

本文圍繞柴油加氫工藝動態仿真模擬中的關鍵問題進行分析，基于當前組分確定方法存在的問題，提出一種建立在實組分基礎之上的動態仿真過程模型，通過切線法迭代求解的方式得到柴油產品真實組分對應組分分率，構建數學模型并進行動態求解。最后通過對比蒸餾曲線模擬值與實測值的方式，驗證了整套方法精確性，符合柴油加氫工藝過程設計需求，值得在實踐中推廣應用。