延遲焦化加熱爐的建模與分析

王寶金，閻 龍，王明文，劉洪崗

(1.中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540；2.中國石化石油化工科學研究院)

基金項目：中國石油化工股份有限公司合同項目(117017)。

加熱爐是延遲焦化(簡稱焦化)裝置的關健設備，焦化加熱爐的主要作用是為焦化反應提供必要的熱量，在不發生嚴重結焦而影響加熱爐運行的條件下，允許適當的裂化和結焦反應[1]。由于加熱爐的工作條件較為苛刻，無法通過有效試驗技術手段對原料在加熱爐內沿爐管流動及反應過程進行檢測，難以直接獲得在爐管內物料的組成、轉化率、汽化率等工藝參數的分布規律，無法滿足加熱爐優化設計及生產操作的需要[2-3]。基于此，本研究以國內某石化企業1.0 Mt/a延遲焦化裝置的加熱爐為例，建立加熱爐的數學模型，對焦化原料在加熱爐內的組成分布、流動狀態等參數進行分析，以期對工業加熱爐的設計、運行、優化提供一定的參考依據。

1 模型開發

為了準確描述焦化加熱爐內的流動介質，加熱爐的數學模型中應包括動力學、物性、物料平衡等基礎模型。由于加熱爐的運行情況較為苛刻，完全準確描述爐管內介質的運行狀態非常困難，故特作如下假定：①假設各管程爐管中物料分配均勻，受熱情況相同，將其中任一管程作為建立模型的單元；②假設爐管內每一個微元段內介質物性、流動狀況一致；③假設加熱爐原料在進入對流室入口前不發生熱轉化反應；④假設汽油、柴油與蠟油在加熱爐內不發生反應。

1.1 動力學模型

在加熱爐內發生的反應一般是在500 ℃以下進行的，在此溫度以下發生的管內反應一般可認為是液相反應，可忽略氣相中反應的影響。根據熱反應機理，構建了如圖1所示的動力學反應網絡，動力學方程如式(1)～式(3)所示。然后以中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)減壓渣油(簡稱減渣)為原料，以文獻[4]的方法獲得了相應的動力學參數，減渣性質如表1所示，動力學參數如表2所示。

圖1 爐管內動力學反應網絡

(1)

(2)

(3)

式中：CA為渣油濃度，kmol/m3；Ci為產物i的濃度，kmol/m3；kAi、kHj為動力學參數；A0為指前因子，s-1；E為活化能，kJ/mol；T為溫度，K；t為時間，s；H代表產物重蠟油，i代表產物，j代表除重蠟油以外的其他產物。

表1 減渣主要性質

表2 動力學參數

1.2 物性模型

在物性模型計算中使用的主要物性包括焓、平均相對分子質量、臨界性質、氣體黏度、液體黏度、氣體比熱、液體比熱、氣體與液體的導熱系數等[5-6]。

1.3 反應器模型

1.3.1 物料平衡方程焦化反應器內介質黏度較高，反應器長徑比(反應器的爐管長度與直徑的比值)較大，根據上述特點反應器內介質的流動狀態可以近似適用于平推流模型。基于平推流反應器，建立了反應器爐管內的物料平衡方程，如式(4)、式(5)所示。

(4)

ri=kicf,i

(5)

式中：i、j分別為反應與組分的序號(i=1～6，j=1～5)；aij為反應計量系數；ri為反應速率，kmol/(m3·s)；ki為反應速率常數，s-1；z為爐管軸向位置，m；din為管內徑，m；Fj為進料中的組分流率，kmol/s；cf,i為組分濃度，kmol/m3。

1.3.2 能量平衡方程在建立能量平衡方程時，假設每一根爐管和微元面積傳熱量僅與傳熱面積有關，忽略爐膛溫度分布、爐管內結垢，爐管壁溫度差等因素的影響。加熱爐爐管能量平衡方程如式(6)所示。

(6)

式中：ΔH為反應熱，kJ/kmol，反應熱計算按照文獻[7]進行計算；cpj為熱容，kJ/(kmol·K)；din為管內徑，m；Q為平均熱強度，kW/m2。

1.3.3 壓降方程將管內氣液兩相當均質流處理，產生的總壓力降等于油品在水平管內產生的壓力降(ΔP1)和經過急轉回彎頭所產生的壓力降(ΔP2)兩者之和[8]，如式(7)所示。ΔP1與ΔP2的計算方法如式(8)所示。

ΔP=ΔP1+ΔP2

(7)

(8)

式中：ΔP為壓力降，Pa；λ為摩擦因數；L為微元段長度，m；Le為回彎頭當量長度，m；di為管內徑，m；wm為微元段內油品平均流速，m/s；ρm為微元段內油品密度(隨管內溫度變化而變化，330～495 ℃)，kg/m3。

1.3.4 相平衡模型與反應熱相平衡方程采用SRK方程，如式(9)所示，參數a、b的計算如式(10)、式(11)所示。

(9)

(10)

(11)

式中：p為壓力，kPa；V為摩爾體積，m3/kmol；R為氣體常數，8.314 5 m3·kPa/(kmol·K)；a為溫度函數；b為體積常數；n、m為組分數目；xi為組分的摩爾分數；αi為純組分的溫度函數；bi為純組分的體積函數。

2 加熱爐主要結構參數與操作參數

以國內某石化企業1.0 Mt/a延遲焦化裝置的加熱爐為研究對象，該爐為雙室四管程水平管立式爐，每組爐管受熱情況類似，操作參數較為接近，因此以一組爐管的操作參數為代表。加熱爐主要結構參數與操作參數如表3所示。

表3 加熱爐主要參數

3 結果與討論

3.1 模型驗證

模擬數據與現場數據的比較如表4所示。從表4可以看出，輻射段出口溫度、出口壓力、對流段出口溫度等參數的現場值與預測值基本一致，對流段進出口的現場值與預測值較為接近，出口汽化率、轉化率等性質無法獲得現場值，預測值符合焦化加熱爐的常規認識，這說明模型計算結果較為可靠。

表4 模擬數據與現場數據的比較

3.2 工況分析

由于輻射段溫度較高，焦化加熱爐中的反應基本發生在加熱爐輻射段，為了縮短管內介質在高溫段的停留時間，一般要注入蒸汽，以避免或延緩加熱爐的快速結焦，延長加熱爐的運行周期，本研究在第19根爐管注入蒸汽。在進行模擬計算時，將每根爐管作為一個微元段，每個微元段的出口即為下個微元段的入口，從第一個微元段開始逐段進行計算，最后計算至輻射段出口端的第24根爐管。對于介質壓力、汽化率、轉化率、液相組成、氣相組成等性質在每個微元段的入口、出口變化較大，一般不用性質平均值來表示微元段的變化，這時計算節點為25個。對于流速、停留時間、液相溫度，適宜用性質平均值來表示微元段的變化，這時對應的計算節點為24個。

3.2.1 輻射段流速、溫度與停留時間分布加熱爐運行時，管內介質為減渣、蒸汽及減渣裂化產物的混合物。沿爐管長度的管內介質流速、停留時間的分布如圖2所示。由圖2可以看出：隨著介質流動經過的爐管長度增加，介質流速逐漸增加，特別是在第19根爐管注入蒸汽后，流速迅速增加，在第19根爐管后管內介質呈高速流動；隨著介質流速增加，沿流經爐管方向，單根爐管內停留時間越來越短。由于沿爐管管內介質溫度升高，流速增加、停留時間縮短有利于減緩在高溫區的結焦趨勢。

圖2 沿爐管長度的管內介質流速、停留時間分布★—介質流速; ■—停留時間

沿爐管長度的液相溫度、停留時間的變化如圖3所示。由圖3可以看出：隨著介質流動經過的爐管長度增加，液相介質溫度逐漸增加，介質溫度快速增加會引起減渣在爐管內反應加快，裂化反應與生焦反應都會增加；在經過第19根爐管后，爐管內介質溫度雖然還在增加，但增加速率減小。這主要是因為注汽后介質流速增加，縮短了原料在爐管內的停留時間。停留時間縮短、流速增加，這些因素有利于減緩結焦前軀物在爐管的沉積結焦，另一方面隨著介質溫度繼續升高，減渣的縮合反應進一步加快，因此對于特定原料，對這兩種相反趨勢進行綜合比較才能確定是否有利于減緩爐管的結焦。

圖3 沿爐管長度的液相溫度、停留時間分布★—液相溫度; ●—停留時間

3.2.2 輻射段壓力、流速、汽化率與轉化率分布沿爐管長度的介質壓力、流速的變化如圖4所示。由圖4可以看出：在蒸汽注入點第19根爐管前介質流速緩慢增加，在經過蒸汽注入點后流速快速增加，這是因為蒸汽注入后降低了在液相中裂化生成的油氣的分壓，促使油氣從液相中大量快速逸出，氣相流量增加，這使得管內介質的混合流速快速增加；另一方面也因為爐管溫度越來越高，減渣裂化生成了越來越多的輕質油氣，由于流速增加，使得阻力降增加，爐管壓力快速降低，壓力降低也促進了液相中輕質油氣的進一步逃逸，爐管壓力降與流速這兩種因素互相促進。

圖4 沿爐管長度的介質壓力、流速變化●—爐管介質壓力; ■—流速

沿爐管長度的加熱爐內汽化率、轉化率的分布如圖5所示。從圖5可以看出，隨著介質流動經過的爐管長度增加，汽化率、轉化率都呈增加趨勢，區別在于在第19根爐管蒸汽注入點之后汽化率快速增加，而轉化率在注入點之前隨爐管長度增加而快速增加，但在注入點之后增長較為緩和。

圖5 沿爐管長度的加熱爐內汽化率、轉化率分布■—汽化率; ●—轉化率

圖6 沿爐管長度的液相組成變化■—循環油; ●—減渣; ◆—氣體; 汽油; ▲—柴油; 蠟油; 蒸汽; ★—結焦前軀物

圖7 沿爐管長度的氣相組成變化■—氣體; ●—汽油; ▲—柴油; 蠟油; 減渣; ◆—蒸汽; ★—循環油; ×—結焦前軀物

3.2.3 輻爐段內液相與氣相組成沿爐管長度的液相組成和氣相組成變化分別見圖6和圖7。由圖6可以看出，在第19根爐管蒸汽注入點后部分組分分布出現了變化，如渣油含量從下降到增加，汽油、柴油、蠟油液相含量則從上升變成了下降，這主要是因為在注汽點注入的蒸汽改變了油氣分壓，使得液相中的大量輕質油氣進入氣相，從而改變了液相組成。由圖7可以看出，在注汽點之后，氣體、汽油、柴油的含量在氣相中快速下降，而蒸汽、循環油的氣相含量快速上升，這些組分含量變化的原因主要由于注汽后油氣分壓變化導致部分液相組分進入到氣相，從而改變了氣相組成。

4 結 論

(1) 在減壓渣油動力學模型、物性模型的基礎上建立延遲焦化反應器模型，采用現場工藝數據對模型進行驗證，模擬計算結果與現場數據吻合較好，說明本模型具有一定可靠性。通過模型的模擬計算，對加熱爐內關鍵參數的變化趨勢進行考察，分析參數之間的相互關系和對關鍵參數的影響因素，為焦化加熱爐的設計、操作與優化提供理論基礎。

(2) 隨著介質流動經過的爐管長度增加，介質的流速逐漸增加，特別是經過爐管注汽點之后，流速迅速增加，這有利于減緩在高溫區的結焦趨勢；另一方面由于介質溫度繼續升高，根據反應動力學縮合反應會進一步加快，對于特定原料，對這兩種相反趨勢進行綜合比較才能確定相關操作是否有利于減緩爐管的結焦。

(3) 隨著介質流動經過的爐管長度增加，管內汽化率、轉化率都呈增加趨勢，但在爐管注汽點之后汽化率快速增加，而轉化率增長較為緩和。爐管注汽點蒸汽的注入改變部分組分在管內的分布，主要原因是注入蒸汽改變了油氣分壓，使得液相、氣相發生明顯的傳質過程，從而改變了液相、氣相組成。