Petrochemical Technology & Application Vol.39 No.3May 2021
DOI ：10.19909/jki.ISSN1009-0045.2021.03.0159
模型建立与应用
刘亚青，戴鑫，韩信有*，霍鹏举，刘树伟，张轩
（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西西安710065）
摘要：以悬浮床管式加氢反应器加热套的加热炉瓦为研究对象，根据热量平衡原理，对重劣质油轻质 化相对和绝对放热的数学模型进行了推导，建立了单位时间净放热的简化模型，并将该模型应用到预测 减压渣油在150 kg/d 悬浮床中试加氢裂化
中的运行情况。结果表明：通过模拟得到的反应放热曲线可
，并且较反应器的压差和平均温度监测曲线更为敏感、准确和快速，能够实时监控
和预测反应器的 ％
关键词：重劣质油；加氢裂化反应；悬浮床工艺；反应热效应；数学模型；实时监控；压差；平均温度
中图分类号:TE 626.25 文献标志码:B
文章编号:1009-0045（2021 ）03-0159-05
随着原油重质化日趋严重，开发高效、洁净、 经济的重劣质油轻质化技术已成为石化行业的 研究热点[1-2]o 目前，该技术主要有固定床工艺、沸 腾床工艺、悬浮床工艺等。其中：后者由于具有极
佳的重油轻质化效果和重劣质油加工相容性而 得到广泛关注为实现重劣质油的高效转化，悬 浮床工艺通常在高温高压条件下进行#4"&$，催化剂
分散于原料中，生成的焦 在 和底部焦，造成设备堵塞、行时间缩短，这是悬
浮床工艺有待解决的 #7切。
在高 ， 重 质油的 进行 研
究。 化 的热
常为吸热反应[10]o 在
悬浮床工艺中， 热 化 主要 热 ；
Garzan 原油和Raman B 原油为研究对象，发现对
应原油的沥青质在350-475
"
的热反应
现为吸热效应[11]o 在热反应过程中，渣油中的饱
和桂、 和质均表现为吸热
；而对于
辽河原油沥青质和Venezuela 原油
质则呈现
热
[12]%
在悬浮床工艺中， 加 和 化 有的热 ，
实
的
% ， 的热 进行实时
， 有
、 的 定 和转化
[13-15]
%工 热 原， 悬浮床
进行 重 质油轻质化 和
热的 ， 时间净 热
的 化 ，
到 压 油在中
加 化 中的运行情况％
1工业装置
1. 1原材料
工
有代表性的美国Toledo 地区生
产的压油进行加 化中 验，其主要性 质见表1。
表1减压渣油的主要性质
质
值
密度(20 ")/(g-cm "3)0.981 9
灰分质量分数/%0.146
残炭质量分数/%21.99
总固物质量分数/%0.16
>525 "馆出物质量分数/%
90.17
收稿日期：2021-01-07；修回日期：2021-03-09
基金项目：陕西延长石油（集团）有限责任公司科研资助项
目（项目编号:ycsy 2020 qnjj-A-01）
作者简介：刘亚（19@6—），女，天津人，博士，工程师。主 要从事清洁油品生产工艺的研究工，已发论文5篇。
J 通讯联人。
160石化技术与应用第39卷
续表1
性质数值
四组分组成质量分数7%
饱和518.30
芳香540.81
胶质22.37
沥青质14.87
元素组成质量分数/%
碳83.73
氢9.69
氮0.70
硫 5.34
含重金属量/(!g-g_1)
铁93.7
鎳238.0
789.0 *不含杂质。
1.2装置简介
悬浮床反应器为管式结构，外装加热套，在反应器和加热套内均设有对应的测温点。加热套加热炉瓦的输出功率采用实时采集和存贮技术。
1.3操作条件
150kg/d悬浮床中试加氢裂化装置主要操作条件为：反应压力22MPa，反应温度450!，空速0.5h；1。
2反应放热效应计算公式推导
在条件，对反应器内部原料的实时热效应进行有效测量和计算，判断反应状态$反应放热效应的方如下：(1)反应作为对象(加热炉瓦作为供热源)进行热量衡算；(2)加热炉瓦作为对象(作为热)热量$
2.1以反应原料流体为研究对象
在反应器中，1加热炉瓦对应的原料热量
为：
O r-O a+O h-仏二"評％&o)$
式中：!a，!r分为反应放热量；Q h为加热炉瓦的加热量为对热量；"#为压热容;"为量；t为反应时；&c,&0分别为反应中和温度$
反应净放热量(!)为Q r和Q a的差值$采用以下公式Q e[16):
Q E"!t'(&W-&D)；
!b=33.5+0.21
Z C$
式中:！t为加热套外表面散热数；'为加热套外表面积；&W为加热套外表面温度；&S为环境温度。
"块加热炉瓦的加热量(Q h")为：
Q=)0*"d t$
式中:*%为t时刻第"块加热炉瓦输出的瞬时功率$
随着反应的进行，原料组成发生变化，从而"#化$反应t时时，
流经第"加热炉瓦的反应净放热量(Q")为：Qn=C p Vt(Tc-&c# +
(33-5+0-21&w)'(爲-&S)-)0*t dt$式中：C；为原料流经第"块加热炉瓦处的C#$为对，时(t2-t1)，时时
放热量(0)为：
Q=Q/(t2-t1)$
最终，"块加热炉瓦处单位时间净放热量(近)为：
Q"=c；$(T("-T(；T)/(t2-t1)+(33.5+O.21T：)F(T：-T s)/ (t2-t1)-)P t d t$
2.2以加热炉瓦为研究对象
在反应器中，1块特定加热炉瓦的热量平衡为：
Q r-Q a+Q h-Q e=c g,(T PV-T S)$
式中:C D为加热炉瓦热容；，为加热炉瓦定
义质量；T pv为加热炉瓦显示温度$
加热炉瓦均质，C D空白实验标定。如上所述，在t时刻，原料流经第"块加热炉瓦的反应净放热量(-")和单位时间净放热量(卩)分别为：
-；=C D m;(T pv_T S)+(33-5+0-2l T W)F(T c+T D)-)0P t d t；
-"=c d,；(T pv_T S)/(t2-t1)+(33-5+0-2l T w)X
F(T：-T s)/(t2-t1)-)：P"d t$(1) 2.3近似处理
2方，对如
变化，结应的，因
歹=迂$
即
第3期
刘亚青等.重劣质油加氢轻质化反应体系热效应的模型建立与应用
161
($：—T 「)。 (2)
式(2)左边的这几项均为定值，而右边的均 为变量，因此，考虑到简便计算和近似模拟，本工
作选用以加热炉瓦为研究对象的计算方法。
$s (0〜30 #)相对于 $p$,$w (300〜500 $)可以
忽略不计，因此式(1 "可以简化为：
二C " +"$#$/(,2-力1) + (33.5+0.21$w )— T +l 仏一力1) 一
，2
在上述公式中,C D ，+"需要空白实验标定，然
后经计算得到绝对放热量。
为进一步简化方程式，假设一种惰性流体在
反应器内流动时不发生化学反应，既不吸热也不
放热(如相对于重劣质油比热非常小的N 2)，即孑 为0，此时加热炉瓦输出瞬时功率为P ：，则热量
平衡为：
! P ；2t=c ：m"T ；J (，2
一，1
) + (33.5+0.21$
+ )
FT ；/(，2-，1)。
丿,1
在对比实验中，通常$p v 与$+差值小于10 $。
相对于反应温度(高于440 $)，在一定程度上可 以视加热炉瓦的加热量为定值，即
「”d ,
为常
力1
数(C )，则:
,2 ,2 " ,2 "
二 P , 2,- P , 2，二C- P , 2, #
,1渣油加氢
,1 ,1
因此，选用2个不同时间段(,1-,2,,3-,4)作对 比实验，
：
,2
)6 二C- I P , 2,；)7 二&-1 p ：2,；
——f ,4 " f ,2 "
)6-)7 二 I P , 2,- I P , 2,。
就2个对比实验而言，可 用加热炉瓦输出
功率积分对净散热的相对化和发展趋势进行
考察。
3 !简化模型的应用
用上述计算方法， 在相
， 对
2次减压渣油加氢裂化 程(实验A 和实验B "进
行了分析预测。当实验升温
后，每隔20 h 选1 进 对 计算#
3.1反应器平均温度与压差
由图1可知：在实验A 考察期间，随着反应
进行，反应器 均温度 本 在450 $，差也
相对平稳(约39 kPa )o
o
500|r
—— 1 300
400
250200
翌300疥200
观察点2观察点4观察点6
1150观察点1观察点3观察点5观察点彳100
100
1
.
..t 一 (1)
1
50
40
120 160
80
时间/h
图1实验A 反应器压差和平均温度的变化趋势
由图2可知，在实验B 考察期间，在反应初 期(0〜30h ),
反应的进行，反应器 均温度
高，差略 动； 温约30 h 后， 变
化
本定；反应进到 100h 时，差
动度加，
实验 ，
温
时间/h
图2实验B 反应器压差和平均温度的变化趋势
3.2各观察点放热情况
述方法计算实验A 和实验B 不同观
察点的卩，并绘制相应的模拟反应放热曲线(见 图3)。由图1〜图3可知：利用卩的实时数据，最
的模拟反应放热变化
可以实时反映
反应情况。对于实验A ，在考 期，反
应器压差和平均温度变化
，不
的
反应放热
和变化
相似#对于实验B ,
在反应器压差和平均温度相对
(40-80 h )的, 1〜
3的反应放热曲线变化
相似；而在后期(90-110 h ),
反应器 差
动加 ，
4 的变化
为
162石化技术与应用第39卷
123456
加热炉瓦/块123456
加热炉瓦/块
图3不同实验观察点放热情况
著。因此，本工作通过计算得到的反应放热曲线可以预测反应器内部状态，并且较反应器压差和平均温度曲线更为敏感、准确和快速。
另外，由图3还可知，就实验B而言，在反应器出现结焦而导致停车前期，随着反应加深，达到反应计算所得最大放热量的时间越来越长，即反映在反应放热曲线上的曲线斜率越来越。
4结论
$.分别以反应原料流体(即将加热炉瓦作为供热)和加热作为(即作为供热源)进行了热量衡算，推导出卩计算模型，并确定以加热为的模型更为单。
b.将卩简化模型应用到预测减压渣油在加氢
化的行，的工，模反应放热曲线更实的反映反应器内部的实时状态，并且较反应器压差和平均温度曲线更为敏感、准确和快速。
参考文献：
[1]李立权•发展渣油加氢裂化技术，提高企业竞争力[J].炼油技
术与工程,2014,44(9)：1-5.
[2]陈铭•渣油重质化劣质化加工的技术经济分析[J].化工进展,
2010,29(9)：1781-1784.
[3]杨涛，戴鑫，杨天华，等•煤焦油重组分加氢技术现状及研究
趋势讨论[J]•现代化工,2018,38(9)：1-5.
[4]王军，张忠清，黎元生，等.渣油悬浮床加氢工艺研究[J].工业
催化,2003,11(7)：7-11.
[5]侯凯锋，袁忠勋•渣油沸腾床加氢裂化技术对炼油加工总流
程的影响及经济性分析[J].石油炼制与化工,2010,41(7)：28-33.
[6]刘浩•劣质重油沸腾床加氢装置扩能改造研究[J].现代化工,
2019,39(1)：206-210.[7],,,.加
的结焦状况[J].石油学报(石油加工),2007,23(4)：39-43. [8'张晓，姜斌，肖晓明•悬浮床加氢反应器壁面的结焦预测[J].
化学工业与工程,2018,35(1)：69-74.
[9'李庶峰.载焦剂存在下的渣油悬浮床加氢裂化行为研究[D].
北京：中国石油大学,2007.
[10]林世雄•石油炼制工程[M].北京：石油工业出版社,2000.
[11]Karacan0,Kok M V.Pyrolysis analysis of crude oils and their
fractions[J].Energy&Fuels,1997,11(2)：385-391.
[12]Chen K,Wang Z,Liu H,et al.Study on thermal performance of
heavy oils by using differential scanning calorimetry[J].Fuel Processing Technology,2012(99):82-89.
[13'高岱巍，徐春明，高金森•重油催化裂化油浆热重反应性能研究[J].石油炼制与化工,2004,35(6)：61-66.
[14]赵渊，朱晓苏，李文博，等.煤直接液化反应热的测定与技术
[J'•煤炭学报,2010,35(Z1)：180-184.
[15]Chen K,Liu H,Guo A,et al.Study of the thermal performance
and interaction of petroleum residue fractions during the coking process[J].Consulting Engineer,2012,26(10)：6343-6351.
[16]吴春来，史士东，朱晓苏，等•煤炭直接液化管式反应器的数
学模型及分析[J'•化学工程,1995,5(1)：16-25.
相关文献链接：
[1]张甫，任颖•劣质重油加氢技术的工业应用及发展趋势[J]•现
代化工,2019,39(6):15-20.
[2]孙育滨•悬浮床耦合固定床加氢裂化用于煤液化及重劣质油
轻质化技术进展[J].广东化工,2018,45(14)：166-167.
[3'黎小辉，朱建华，郝代军，等.液化石油气芳构化反应体系的热效应分析[J]•炼油技术与工程,2010,40(11)：10-15.
[4'陈建军，王小兵.压电智能板热效应分析模型的建立与仿真[J'•电子科技大学学报,2008,37(6)：938-9
42.
[5]Fan L,Lee W J,Spivey J P.Semi-analytical model for thermal
effect on gas well pressure-buildup tests[J]•SPE Reservoir Evaluation&Engineering,2000,3(6)：480-491.
[6]熊亮萍，汪集O，许鹤，等•垂向流体运移的热效应数学模
型研究[J'.地质论评,2000,46(Z1)：
266-268.
第3期刘亚青等.重劣质油加，轻质化反应体系热效应的模型建立与应用163
Establishment and application of thermal effect model for hydrogenation lightening reaction system of heavy and inferior oil
LIU Ya-qing,DAI Xin,HAN Xin-you,HUO Peng-ju,LIU Shu-wei,ZHANG Xuan {Hydrcarbon High-effLcienc"Utlization Technology Research Center,Shaanxi YanchangPetroleum#Group$
Co Ltd,Xi"an710065,China)
Abstract：Taking the heating furnace tile of suspension bed tubular reactor jacket as the research object,and regarding the products lightening problem of heavy and inferior oil hydrogenation process, the mathematical model of relative and absolute exothermic was inferred out on the basis of heat balance principle,then the concerned simplified calculation simulation model of the net heat release amount per unit time was established and applied to predict the operation of vacuum residue in a150kg/ d suspension bed pilot hydrocracking unit?The results showed that the simulated reaction heat releasing curve could predict the internal state of the reactor,and it was more sensitive,accurate
and faster than the current monitoring curve which was based on pressure difference and average temperature of the reactor,which could monitor and predict the internal state of reactor in real time?
Key words：heavy and inferior oil;hydrocracking reaction；suspension bed process；reaction thermal effect；mathematical model；real time monitoring；pressure difference；average temperature
•简讯•
二氧化碳制芳9工业试验
二氧化碳制芳桂工业试验技术是采用合成气一步法制。2019年11月，（京）公司与化合成气一制芳桂与化氧化脱氢制二，以及相应催化剂技术开发的合同。
化合气制，用,/碳的合成气制，在效益的同时，可化与产产，韦下游一体化发展。
内蒙古久泰馨远新材料有限公司新建了流化合成气制和流化氧化脱氢制二烯桂中试基地，每年可生产1,2,4,5-四甲苯、C r~C9桂、五甲苯和六甲苯依次为0.88,0.096,0.0856万t。
年时8000h,:
13883万元。
（上海钱伯章供稿）
日本Eneos公司与沙特Aramco公司合作开发蓝氢和蓝氨
据“CW,2021-03-27”报道,2021年3月26日，日本Eneos公司与沙特Aramco公司联合调查建立蓝氢和蓝氨供应链的潜在机会，以评估利用沙特天然气、液化石油气等碳氢化合物生产蓝氢和蓝氨，以及相关二氧化碳排放的可行性；同时，还评估了各种氢载体（氨和甲基环己烷），以便将氢气从沙特运往日本和其他地区。
Eneos公司表示，在完成可行性研究后，将审查建立氢的可能性，并从炼油厂向发电站和行供应氢。
（上海钱伯章供稿）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议