PDF《催化重整全流程动态模拟及 重整反应器模拟方法探讨》

北京化工大学硕士学位论文-i- 催化重整全流程动态模拟及 重整反应器模拟方法探讨 DYNAMIC SIMULATION OF CATALYTIC REFORMIONG AND THE DISCUSSTION OF THE CATALYTIC REFORMING REACTOR SIMULATION 研究生:张红梅 专业:化学工艺 指导教师:吴慧雄 北京化工大学化学工程学院,北京

100029 中国 the graduate candidate: Zhang Hongmei the major: chemistry technics the supervisor: Associate professor Wu Huixiong College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing,

100029 China 北京化工大学硕士学位论文-ii- 北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指 导下, 独立进行研究工作所取得的成果.

除文中已经注明引用 的内容外, 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果. 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已 在文中以明确方式标明. 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担. 学位论文作者签名: 张红梅

2004 年5月16 日北京化工大学硕士学位论文-I- 催化重整全流程动态模拟及 重整反应器模拟方法探讨 摘要现在的化工生产企业正朝着大型化、连续化、自动化的方向发展, 因此以动态模拟为研究手段,建立生产装置的动态数学模型,对于企业 职工掌握这一过程的动态特性,具有重要意义. 本文以新疆独山子石化公司催化重整装置为例,对重整过程的全流 程模拟作了详细阐述.通过建立工艺流程的数学模型,并以序贯模块法 进行求解,然后以通用稳态化工流程模拟系统完成模拟工作,模拟结果 全面地描述了工艺过程与控制系统的行为.本课题开发最终形成一套仿 真培训软件.该软件主要具有如下诸功能:开车操作训练;

正常工况操 作训练;

异常工况及事故处理训练;

报警和连锁功能;

历史趋势记录功 能;

时标设定功能;

状态记忆和恢复功能;

操作过程的成绩自动评定功 能. 并且,由于重整反应器的模拟历来是催化重整流程模拟的重点,故 本文又分别对重整反应器的动态模拟和稳态模拟进行了进一步的探讨, 所建数学模型经过了工业验证,为重整反应器模拟的深入研究奠定了基 础. 论文从 集总理论 的角度,以十六集总组份的重整动力学模型为 基础,根据物料平衡、能量平衡建立了重整反应器的动态数学模型,用 于重整反应器的动态模拟和仿真培训,还可以用于装置的先进控制和动 态优化研究. 北京化工大学硕士学位论文-II- 由于稳态模拟对于动态模拟的开发具有重要意义,因此本文又进 一步建立了十七集总的重整反应器稳态模型,该模型比十六集总稳态 模型更精确,更有利于准确预测汽油辛烷值.并为十七集总重整反应 器的动态模拟打下了基础. 总之,本文阐述了催化重整的全流程模拟过程,并从集总理论的 角度,对重整反应器的模拟进行了进一步的探讨. 集总理论 在近几 年为重整反应器的研究提供了新的思路,国内外都进行了较为深入的研 究,今后随着集总组份的不断细分, 集总理论 在生产实际中的应用将 会更加广泛和精确. 关键词:动态模拟,稳态模拟,催化重整,反应器,集总,数学模型 北京化工大学硕士学位论文-III- DYNAMIC SIMULATION OF CATALYTIC REFORMIONG AND THE DISCUSSTION OF THE CATALYTIC REFORMING REACTOR SIMULATION ABSTRACT With modern chemical industry more and more enlarged and automatized, it is more and more important for the factory to use the method of dynamic simulation to grasp the chemical flow dynamic characteristic. This dissertation tasks the catalytic reforming device in DuShanzi, XinJiang province for example to demonstrate the dynamic simulation detailedly. The mathematical model of catalytic reforming was built in this paper. And the model was resolved with the method of sequence module. Then the project was completed with the current steady state simulation software. The result of the simulation describes the system very well. At last, we got a training simulator which can be used to train the workers. Furthermore, for the simulation of the catalytic reforming reactor is always the emphasis of the whole catalytic reforming simulation, so the catalytic reforming reactor steady state simulation and dynamic simulation were withal discussed respectively in the dissertation. The mathematical model established the foundation of the catalytic reforming reactor further study. According to the guiding principles of lumping theory and based on the study of reaction mechanisms, a new model with sixteen lumped components was proposed for catalytic reforming. It can also help to guide the dynamic simulation for this process. 北京化工大学硕士学位论文-IV- Because steady state model is very important to impolder the dynamic simulation, the steady state simulation of catalytic reforming reactor with seventeen lumped components was established in this paper. It describes the reactor correctly. In conclusion, the dynamic simulation of catalytic reforming and the discussion of the catalytic reforming reactor simulation were demonstrated in this dissertation. Remarkablely, the lumping theory provides a new way to study the catalytic reforming simulation and it will make the dynamic simulation more and more accurate with the lumped components rather subsection. KEY WORDS: dynamic simulation, steady state simulation, catalytic reforming, reactor, lumping, mathematical model 北京化工大学硕士学位论文-V- 目录摘要. ABSTRACT. 符号说明. 前言.1

第一章 流程模拟系统概述.3 1.1 化工流程模拟基本概念及发展史.3 1.1.1 化工流程模拟基本概念.3 1.1.2 化工流程模拟技术发展史.4 1.2 化工流程模拟系统.6 1.2.1 通用化工流程模拟系统.6 1.2.2 专用化工流程模拟系统.6 1.2.3 稳态流程模拟.8 1.2.4 动态流程模拟.9 1.2.5 设计型动态模拟系统.11 1.2.6 培训型动态模拟系统.11 1.3 稳态模拟和动态模拟的比较.12 1.4 化工流程模拟基本方法.13 1.4.1 序贯模块法.13 1.4.2 联立方程法.14 1.4.3 联立模块法.14 1.5 动态流程模拟系统的作用.14 1.6 化工流程的仿真培训系统.15 1.6.1 化工仿真培训系统的发展.16 1.6.2 化工仿真培训系统的组成.17 1.6.3 化工仿真培训系统技术发展趋势.18 1.7 本文拟解决的问题及其意义.18 北京化工大学硕士学位论文-VI-

第二章 模型基本方程及催化重整主要设备数学模型.20 2.1 模型基本方程.20 2.2 物料的加合器.22 2.3 分割器.22 2.4 混合器.23 2.5 换热器.23 2.6 流程拓扑结构模型的运用.24 2.7 管网流量压力计算.24 2.8 重整反应器数学模型.25 2.8.1 催化重整反应的化学原理.25 2.8.2 催化重整的化学反应.25 2.8.3 反应动力学方程.27 2.8.4 重整反应器数学模型.30 2.8.4.1 径向反应器模型.30 2.8.4.2 轴向反应器模型.31

第三章 催化重整全流程模拟.33 3.1 催化重整生产流程简介.33 3.2 重整装置工艺特点.33 3.3 基本原理.33 3.4 装置流程说明.35 3.5 模拟方法.39 3.5.1 建立流程模拟系统所需的模块.39 3.5.2 软件系统的模块结构组成.40 3.5.3 模块的调用与求解.41 3.5.4 模拟计算主程序步骤.43 3.6 结果与讨论.43

第四章 十六集总催化重整反应器的动态模拟.53 4.1 仿真模型的建立.53 4.1.1 催化重整反应动力学模型的建立.53 北京化工大学硕士学位论文-VII- 4.1.2 动力学模型参数.54 4.1.3 装置因数的设置.54 4.1.4 催化重整反应器动态模型的建立.55 4.2 模拟结果与分析.55 4.3 小结.59

第五章 十七集总催化重整反应器的稳态模拟.60 5.1 集总方案及反应网络.60 5.2 数学模型.61 5.2.1 反应的动力学模型.61 5.2.2 轴向反应器数学模型.62 5.2.3 径向反应器数学模型.63 5.3 动力学参数的优化估计.64 5.4 模拟结果与分析.64 5.5 小结.68

第六章 结论.69 参考文献.71 致谢.73 攻读学位期间发表的学术论文目录.74 北京化工大学硕士学位论文-VIII- 符号说明符号 意义说明 单位 a r 重整反应组份向量 αa,αb,αc,αd 分别为各组份的计量系数 ai 反应体系中 i 组份的组成 ai,j i 组份的第 j 个反应的化学计量系数 A 芳烃 A1 频率因子 S-1 bj 压力指数 C5 - 小于 C5 组分 CA,CB,CC,CD 分别为 A,B,C,D 各组份的组份浓度 mol/(m

3 ・h) Cp 油气热容 kJ/(kg・K) CPi i 组份的气相比热容 kJ/ (kmol・ ℃) E 反应活化能 kJ/mol Eij i 组份参与 j 反应的活化能 J/mol Fi i 组份的进料量 kmol/h FIJ J 物流输入系统质量流速 FOJ J 物流输出系统质量流速 Gi,Go 进料,出料质量流速 kg/h Hi i 组分反应热 kJ/kg ΔHj j 组份反应的反应热 kJ/mol 北京化工大学硕士学位论文-IX- ΔrHj 第j个反应的摩尔反应焓 kJ/mol iP 异构烷烃 k 正向反应速度常数 k′ 逆向反应速度常数 k m*n 阶反应速率常数矩阵 k1 本征动力学........