CN110314634B - 一种应用于管式反应器反应状态实时监控的系统 - Google Patents

一种应用于管式反应器反应状态实时监控的系统 Download PDF

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Abstract

一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，包括管式反应器本体，管式反应器本体，位于管式反应器本体中心位置设置有反应器中心测温模块，管式反应器本体外壁设置有外壁测温模块，管式反应器本体内部设置有多个加热模块，反应器中心测温模块、加热模块和外壁测温模块的输出端通过数据处理模块与显示模块相连；其中数据处理模块通过接受管式反应器中心测温模块、加热模块以及外壁测温模块测量的实时数据，通过预定计算方法计算，得到状态曲线，显示于显示模块上，通过状态曲线就可以对反应器内部的反映状态进行实时监控和评价，本发明可以对管式反应器内部反应状态和效果进行实时评价。

Description

一种应用于管式反应器反应状态实时监控的系统
技术领域
本发明涉及化学工程技术领域，特别涉及一种应用于管式反应器反应状态实时监控的系统。
背景技术
根据近些年来统计显示，全球探明石油可采储量中，基本以重质和中质油为主，轻质原油占比逐年下降。未来新增原油供应将以重劣质油为主，原油资源的重质化、劣质化趋势明显。随着这一趋势的逐渐加深，目前的炼油设备、催化剂等将会被逐渐淘汰，应运而生的悬浮床加氢裂化技术、沸腾床加氢技术等具有管式反应器结构的新工艺可加工重质劣质常规石油、非常规石油以及高中低温煤焦油等各种劣质原料，被普遍认为是行业发展趋势，因此受到了广泛的重视，这将是重劣质油加工技术领域一次技术变革。
在悬浮床、沸腾床等反应工艺条件下，通常温度较高、压力较大，而应相应的重劣质油通常具有非常大的结焦倾向，即极高的胶质沥青质含量以及残炭值，这就给相应的反应工艺系统带来了较大的安全风险以及不稳定因素，但是目前的反应系统缺少对于内部真实反应状态的有效实时监控机制以及对于稳定反应期间重劣质油转化效果的有效真实量化办法。
对于悬浮床、沸腾床等反应体系下进行重劣质油轻质化转化反应，其构成复杂，裂化、临氢裂化、加氢反应等都具有非常明显的热效应，结焦阶段的热效应与加氢状态下的热效应具有非常明显的差别，稳定反应阶段由于加氢深度的不同亦会造成吸放热的差别，利用反应系统的热效应对反应系统进行实时监控可以对反应系统的稳定性以及转化效率进行有效的控制以及预测。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种应用于管式反应器反应状态实时监控的系统，可以对管式反应器内部反应状态和效果进行实时评价。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，包括位于管式反应器本体1中心位置的反应器中心测温模块2，管式反应器本体1外壁设置的外壁测温模块4以及管式反应器本体1内部设置的多个加热模块3，反应器中心测温模块2、加热模块3和外壁测温模块4的输出端与带有显示模块6的数据处理模块5相连；
其中数据处理模块5接收管式反应器中心测温模块2、加热模块3以及外壁测温模块4测量的实时数据，得到纵坐标为单位时间净放热量、横坐标为中心测温模块编号的状态曲线，显示于显示模块6上，通过状态曲线对反应器内部的反映状态进行实时监控和评价，所述的加热模块3包括嵌入反应器加热套上的若干组加热炉瓦。
所述的数据处理模块5，对于加热模块3中的第n个加热炉瓦，采用如下公式进行处理：
QR－QA+QH－QE＝CPvt(TC－T0)
其中QR为反应放热量(kJ)，QA为反应吸热量(kJ)，QH为炉瓦加热量(kJ)，QE为对流散热量(kJ)，CP为原料恒压热容(kJ·kg-1K-1)，v为原料进料速度(kg·h-1)，t为反应时间(h)，TC为反应中心温度(K)，T0为原料进口温度(K)；
所述的反应放热量以及反应吸热量，定义Q为反应净放热量，令Q＝QR－QA；
所述的对流散热量采用如下公式计算：
QE＝αTF(TW－TS)
αT＝33.5+0.21TW
其中αT为加热套外表面散热系数(kJ·m-2h-1K-1)，F为加热套外表面积(m2)，TW为加热套外表面温度(K)，TS为环境温度(K)。
所述的加热模块3中的第n个炉瓦的加热量采用如下公式：
Figure BDA0002112028170000031
其中
Figure BDA0002112028170000032
为第n个加热炉瓦对应的加热量(kJ)，
Figure BDA0002112028170000033
为t时刻该加热炉瓦输出的瞬时功率(kJ·h-1)；
所述的原料恒压热容CP随反应时间的变化，相对应的原料组成亦会发生变化，从而导致原料恒压热容的变化，经过间断性试验可得到对应原料的热容变化，并输入数据处理模块，这里用
Figure BDA0002112028170000034
指代流经对应加热炉瓦处原料的恒压热容。
如上所述，原料在反应时间t时刻，流经第n个加热炉瓦处时，有：
Figure BDA0002112028170000035
如上所述的，为了平行对比，对于任意选定的一个时间段t2-t1，则定义单位时间净放热量
Figure BDA0002112028170000036
最终有
Figure BDA0002112028170000037
所述的数据处理模块5，对于加热模块中的第n个加热炉瓦，亦可采用如下公式进行处理：
QR－QA+QH－QE＝CDm(TPV－TS)
其中QR为反应放热量(kJ)，QA为反应吸热量(kJ)，QH为炉瓦加热量(kJ)，QE为对流散热量(kJ)，CD为炉瓦定义热容(kJ·kg-1K-1)，m为加热炉瓦定义质量(kg)，TPV为加热炉瓦显示温度(K)，TS为环境温度(K)；
这里加热炉瓦并非均一物质，所谓定义热容可经过空白实验进行标定，随后输入数据处理模块；
如上所述，原料在反应时间t时刻，流经第n个加热炉瓦处时，有：
Figure BDA0002112028170000041
类似的，有：
Figure BDA0002112028170000042
如上所述的时间段t2-t1，可以为0.01-6h。
如上所述，易得，
Figure BDA0002112028170000043
为从反应开始至t时刻的总放热量。
如上所述的Q以及
Figure BDA0002112028170000044
可以为正值、亦可为负值，为正值则其绝对值分别代表净放热量以及单位时间净放热量，为负值则其绝对值分别代表净吸热量以及单位时间净吸热量。
所述的系统可以为一套独立的系统，亦可以包含在反应工艺的整体DCS控制系统之中。
所述的管式反应器本体1为鼓泡床、悬浮床或沸腾床。
所述的管式反应器本体1长径比范围可以为10-100/1。
所述的反应器中心测温模块2，为伸入管式反应器本体1内的若干热敏电偶，从上之下分布有5-20个测温点。
所述的外壁测温模块4，为分布于管式反应器本体1加热套外壁上的若干测温点，根据实际情况可设5-20处。
所述的数据处理模块5为统合上述各个测量点测量数据，进行整合处理、实时积分的器件。
如上所述的显示模块为显示数据处理模块实时结果的显示器或者显示屏。
本发明的有益效果：
本发明可方便快捷的实时判断反应器内部反应状态，有利于快速、准确的判断反应效果，据此作出相应的快速处理，从而保证反应器的稳定运行。
附图说明
图1为本发明所述的流程简图，其中1、管式反应器本体；2、反应器中心测温模块；3、加热模块；4、外壁测温模块；5、数据处理模块；6、显示模块。
图2为实施例一，具体为在反应稳定状态条件下，按照本发明所述方法计算得到的随时间变化的反应状态曲线。
图3为实施例二，具体为在稳定状态以及异常状态下，按照本发明所述方法计算得到的反应状态曲线对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：
本实时监控系统主要包括以下几部分：反应器中心测温模块2、加热模块3、外壁测温模块4、数据处理模块5以及显示模块6。其中数据处理模块5通过接受管式反应器中心测温模块2、加热模块3以及外壁测温模块4测量的实时数据，通过预定计算方法计算，得到状态曲线，显示于显示模块6上，通过状态曲线就可以对反应器内部的反映状态进行实时监控和评价。
如上所述的实时监控系统，可以为一套独立的系统，亦可以包含在反应工艺的整体DCS控制系统之中。
如上所述的管式反应器本体1，可以为鼓泡床、悬浮床、沸腾床等外观上具备管式结构的反应器。
如上所述的管式反应器本体1，长径比范围可以为10-100/1。
如上所述的反应器中心测温模块2，为伸入反应器管内的若干热敏电偶，从上之下分布有5-20个测温点，可根据实际情况酌情增加或减少。
如上所述的加热模块3，为嵌入反应器加热套上的若干组加热炉瓦，根据上述反应器中心测温模块2测量温度实时调节输出功率，保证反应器中心达到指定温度，加热模块3包括如下功能：设定温度测量功能，实际温度测量功能，瞬时输出功率调节及记录功能；加热炉瓦从上至下可由5-20块，可随实际情况酌情增加或减少。
如上所述的外壁测温模块4，为分布于反应器加热套外壁上的若干测温点，根据实际情况可设5-20处。
如上所述的数据处理模块5为统合上述各个测量点测量数据，进行整合处理、实时积分的器件。
如上所述的数据处理模块5，对于加热模块中的第n个加热炉瓦，可采用如下公式进行数据处理程序编程：
QR－QA+QH－QE＝CPvt(TC－T0)
其中QR为反应放热量(kJ)，QA为反应吸热量(kJ)，QH为炉瓦加热量(kJ)，QE为对流散热量(kJ)，CP为原料恒压热容(kJ·kg-1K-1)，v为原料进料速度(kg·h-1)，t为反应时间(h)，TC为反应中心温度(K)，T0为原料进口温度(K)。
如上所述的反应放热量以及反应吸热量，定义Q为反应净放热量，令Q＝QR－QA。
如上所述的对流散热量采用如下公式计算：
QE＝αTF(TW－TS)
αT＝33.5+0.21TW
其中αT为加热套外表面散热系数(kJ·m-2h-1K-1)，F为加热套外表面积(m2)，TW为加热套外表面温度(K)，TS为环境温度(K)。
如上所述的加热模块中的第n个炉瓦的加热量采用如下公式：
Figure BDA0002112028170000071
其中
Figure BDA0002112028170000072
为第n个加热炉瓦对应的加热量(kJ)，
Figure BDA0002112028170000073
为t时刻该加热炉瓦输出的瞬时功率(kJ·h-1)。
如上所述的原料恒压热容CP随反应时间的变化，相对应的原料组成亦会发生变化，从而导致原料恒压热容的变化，经过间断性试验可得到对应原料的热容变化，并输入数据处理模块，这里用
Figure BDA0002112028170000074
指代流经对应加热炉瓦处原料的恒压热容。
如上所述，原料在反应时间t时刻，流经第n个加热炉瓦处时，有：
Figure BDA0002112028170000075
如上所述的，为了平行对比，对于任意选定的一个时间段t2-t1，则定义单位时间净放热量
Figure BDA0002112028170000076
最终有
Figure BDA0002112028170000077
如上所述的数据处理模块，对于加热模块中的第n个加热炉瓦，亦可采用如下公式进行数据处理程序编程：
QR－QA+QH－QE＝CDm(TPV－TS)
其中QR为反应放热量(kJ)，QA为反应吸热量(kJ)，QH为炉瓦加热量(kJ)，QE为对流散热量(kJ)，CD为炉瓦定义热容(kJ·kg-1K-1)，m为加热炉瓦定义质量(kg)，TPV为加热炉瓦显示温度(K)，TS为环境温度(K)。
这里加热炉瓦并非均一物质，所谓定义热容可经过空白实验进行标定，随后输入数据处理模块。
如上所述，原料在反应时间t时刻，流经第n个加热炉瓦处时，有：
Figure BDA0002112028170000081
类似的，有：
Figure BDA0002112028170000082
如上所述的时间段t2-t1，可以为0.01-6h。
如上所述，易得，
Figure BDA0002112028170000083
为从反应开始至t时刻的总放热量。
如上所述的Q以及
Figure BDA0002112028170000084
可以为正值、亦可为负值，为正值则其绝对值分别代表净放热量以及单位时间净放热量，为负值则其绝对值分别代表净吸热量以及单位时间净吸热量。
如上所述的显示模块6为显示数据处理模块5实时结果的显示器或者显示屏。
通过显示器显示的状态曲线对反应器内部反应状态的方法法将通过实施例具体说明。
实施例一
如图2为计算得到的稳定状态下典型随时间变化的反应状态曲线，可以看到，在正常稳定状态下，反应曲线具有单一的形态，在细节上有细微差别，可以反映转化效果的好坏。
实施例二
如图3为在稳定状态以及异常状态下，计算得到的反应状态曲线对比，可以看到，稳定状态与实施例一中的状态曲线类型相似，异常状态的状态曲线则有完全不同的变化模式。

Claims (7)

1.一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，包括管式反应器本体(1)，所述的管式反应器本体(1)，位于管式反应器本体(1)中心位置设置有反应器中心测温模块(2)，管式反应器本体(1)外壁设置有外壁测温模块(4)，所述的管式反应器本体(1)内部设置有多个加热模块(3)，反应器中心测温模块(2)、加热模块(3)和外壁测温模块(4)的输出端通过数据处理模块(5)与显示模块(6)相连；
其中数据处理模块(5)通过接受管式反应器中心测温模块(2)、加热模块(3)以及外壁测温模块(4)测量的实时数据，通过预定计算方法计算，得到单位时间净放热量的状态曲线，显示于显示模块(6)上，通过状态曲线对反应器内部的反应状态进行实时监控和评价，所述的加热模块(3)包括嵌入反应器加热套上的若干组加热炉瓦；
所述的数据处理模块(5)，对于加热模块(3)中的第n个加热炉瓦，采用如下公式进行处理：
QR－QA+QH－QE＝CPvt(TC－T0)
其中QR为反应放热量，单位为kJ，QA为反应吸热量，单位为kJ，QH为炉瓦加热量，单位为kJ，QE为对流散热量，单位为kJ，CP为原料恒压热容，单位为kJ·kg-1K-1，v为原料进料速度，单位为kg·h-1，t为反应时间，单位为h，TC为反应中心温度，单位为K，T0为原料进口温度，单位为K；
定义Q为反应净放热量，令Q＝QR－QA；
所述的对流散热量采用如下公式计算：
QE＝αTF(TW－TS)
αT＝33.5+0.21TW
其中αT为加热套外表面散热系数，单位为kJ·m-2h-1K-1，F为加热套外表面积，单位为m2，TW为加热套外表面温度，单位为K，TS为环境温度，单位为K；
所述的加热模块(3)中的第n个炉瓦的加热量采用如下公式：
Figure FDA0003302207440000021
其中
Figure FDA0003302207440000022
为第n个加热炉瓦对应的加热量，单位为kJ，
Figure FDA0003302207440000023
为t时刻该加热炉瓦输出的瞬时功率，单位为kJ·h-1；
所述的原料恒压热容CP随反应时间的变化，相对应的原料组成亦会发生变化，从而导致原料恒压热容的变化，经过间断性试验可得到对应原料的热容变化，并输入数据处理模块，这里用
Figure FDA0003302207440000024
指代流经对应加热炉瓦处原料的恒压热容；
原料在反应时间t时刻，流经第n个加热炉瓦处时，有：
Figure FDA0003302207440000025
Qn为第n个加热炉瓦的反应净放热量；
为了平行对比，对于任意选定的一个时间段t2-t1，则定义单位时间净放热量
Figure FDA0003302207440000026
＝Q/(t2-t1)，最终有
Figure FDA0003302207440000027
Figure FDA0003302207440000028
为第n个加热炉瓦单位时间净放热量。
2.根据权利要求1所述的一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，所述的管式反应器本体(1)为鼓泡床、悬浮床或沸腾床。
3.根据权利要求1所述的一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，所述的管式反应器本体(1)长径比范围为10-100：1。
4.根据权利要求1所述的一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，所述的反应器中心测温模块(2)，为伸入管式反应器本体(1)内的若干热敏电偶，从上之下分布有5-20个测温点。
5.根据权利要求1所述的一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，所述的外壁测温模块(4)，为分布于管式反应器本体(1)加热套外壁上的若干测温点，根据实际情况设5-20处。
6.根据权利要求5所述的一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，所述的数据处理模块(5)为统合上述各个测温点测量数据，进行整合处理、实时积分的器件。
7.根据权利要求1所述的一种应用于管式反应器反应状态实时监控系统，其特征在于，所述的显示模块(6)为显示数据处理模块实时结果的显示器或者显示屏。
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