石油大学双面辐射论文.docVIP

双面辐射焦化炉工艺软件包的开发 李志强 晁可绳 魏学军 (中石化北京炼油设计院) 肖家治 王兰娟 倪化境 (石油大学化学化工学院) 张声浩汪道明 刘福洲 (中国石化集团安庆石化总厂) 张天青 汪 申 (中国石化总公司发展部) 摘要 利用过程模拟技术完成焦化炉管内外过程模拟，利用特制静态实验装置完成管内热裂解产物通用模型常数的开发，利用三级定位技术完成对流软件的通用化设计，利用热通量法完成现场炉管管焦的导热系数测量，结合前期工作，用Visual Basic语言开发了可预测重油热转化率及油品在管内停留时间等关键工艺参数与结构尺寸及操作条件相互关系的焦化炉工艺软件包，为双面辐射焦化炉的优化设计打下了坚实的基础。 关键词 双面辐射焦化炉，辐射室，对流室，工艺过程，模拟，通用，软件 前 言 由于延迟焦化工艺具有对原料适应性强、热转化率高及设备投资费用低的特点，一直是我国减压渣油轻质化的主要途径，我国目前有延迟焦化装置20余套，加工能力居世界第二位。鉴于重油催化裂化及渣油加氢工艺的限制和市场对轻质燃料油特别是柴油需求量的增加，延迟焦化工艺又重新受到了重视。 延迟焦化虽然是个老工艺，但由于缺少对重油在焦化炉管内流动及反应过程的研究，不能定量确定炉管管径、炉管根数及长度、炉膛结构尺寸、火嘴个数及排列等结构尺寸与管内冷油流速及注汽量、焦化炉进出口温度等工艺参数的相互关系，焦化炉结构设计和操作管理基本源于经验摸索，是导致我国焦化炉操作周期短、能耗水平高、单台焦化炉加工处理量较低的根本原因之一。 从原理上讲，延迟焦化是利用重油结焦前体物（缩合产物）在裂解转化率较低时不易出现的反应现象，使重油在热转化程度较低的情况下快速通过焦化炉管获得热化反应所需要的热量，在焦炭塔内完成重油轻质化的工艺过程。确保焦化炉管内不发生大规模结焦是该工艺过程获得成功的技术关键。而要预测结构、操作及物性对结焦速率的影响必须对焦化炉管内外工艺过程进行全面模拟。本文将科研组前期的工作作一简要介绍。 主要基础工作 1．焦化炉工艺计算方法的研究 同常减压加热炉一样，过去的设计规范仅限于得到炉管表面热强度和冷油流速两项[1]，计算方法难以体现炉管结焦速率与结构、操作及物性之间的相互关系，不能满足焦化炉优化设计与优化操作的工程需要。 优化设计与操作必须与限制炉管结焦同时进行考虑。由于炉管结焦前体物来自缩合反应，炉管结焦速率为炉管管焦生成速率与脱落速率之差，炉管管焦生成速率与管内壁温度及重油物性有关，脱落速率则受边界层厚度及边界层两边结焦前体物的浓度差有关，因而，尽量降低重油在管内的停留时间及热转化率，限制流动主体内结焦前体物的浓度，是限制炉管结焦速率的关键。 渣油在裂解达到一定程度后，缩合反应速率会显著增加，产生缩合反应存在加速“拐点”的原因是： 重油的生焦反应为自由基反应过程，反应开始时热转化率较低，反应过程产生的自由基被重油胶质所“笼蔽”，阻碍了自由基之间的叠和生焦；随着转化率增加，自由基浓度增加，胶质的“笼蔽”效应被破坏，自由基叠和生焦的可能性加大。将炉管内的热转化程度控制在加速“拐点”以内是“延迟”焦化过程的理论基础。 焦化炉管内介质由于注汽及裂化物的平衡汽化存在着两相流动。要得到管内介质停留时间及热转化率等关键数据必需通过建立平衡汽化、热裂解和结焦、两相流动等模型完成焦化炉管内外整个工艺过程的模拟，管内外过程模拟需要建立的模型见下表[2]。 表 －1 焦化炉辐射室过程全面模拟需要的主要模型 模 　 型 主 要 功 能 备 注 管 内 热裂解产物分布模型 预测热裂反应产物在管截面的变化 由实验数据开发 炉管结焦模型 预测炉管生焦量 由实验数据开发 相平衡模型 预测截面汽化分率 文献可查 两相流模型 预测压降分布 文献可查 热焓及反应热模型 预测温度分布 文献可查 管 外 热辐射模型 预测热流强度分布 文献可查 湍流流动模型 预测湍流扩散系数 文献可查 燃料燃烧模型 预测燃烧速率 文献可查 2．热裂解反应产物分布模型开发 模型都是根据不同应用目的而开发的。目前公开发表的重油热转化模型主要集中在如何描述缩合反应产物及如何评价渣油中各组分间的裂解及缩合反应特性方面。描述重油热转化反应后产物分布规律的裂解反应产物分布模型及模型常数少有报道。 石油大学和北京设计院联合开发重油热解产物分布模型参见文献[3]；为了将吸放热同时进行的反应控制在期望值上，石油大学管式加热炉科研组还开发了专用的实验仪器及配套的控制软件 [4] ，为了解决产物分布模型常数的通用性，我们建立了7种不同产地来源动力学反应常数的数据库，完成了适合七种原料的通用模型常数开发[5]并拟开发适合所有渣油的通用模型常数和考虑二次反