CN113742935A - 催化裂化两段再生系统的建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了催化裂化两段再生系统的建模方法及装置，涉及化工技术领域。通过对再生器建模，能够提供催化裂化再生过程的动力学模型，可以预测再生烟气组成，预测再生器内稀相温度，进而帮助操作人员优化再生器操作，降低再生器发生尾燃的风险，对于催化裂化装置安全、平稳运行具有重要意义。

Description

催化裂化两段再生系统的建模方法及装置

技术领域

本发明涉及化工技术领域，具体而言，涉及催化裂化两段再生系统的建模方法及装置。

背景技术

催化裂化装置是现代炼油工业中重油轻质化的主要装置，也是炼油工业中收益较大的一个核心装置。催化剂的再生过程是催化裂化工业生产中的一个重要环节，降低再生催化剂定碳、控制再生温度、平衡反应再生系统的热量是工业操作中的主要任务。

随着原料油的重质化，催化裂化过程中待生催化剂上的生焦量不断增加，增大了催化剂烧焦难度，原有的鼓泡流态化烧焦再生器中，催化剂接触差造成燃烧空气的短路并且氧扩散比较慢，烧焦再生已不再适应。为了应对原料油重质化的挑战，开发了催化剂湍流流态化再生反应器和两段再生新工艺，以提高烧焦强度，降低再生催化剂的碳含量。但随着烧焦强度的增大，会导致再生过程中产生的热量增多，反应-再生系统会出现热量失衡的现象。此外，若再生过程中反应温度过高，还会造成再生器寿命降低。

为了操作安全和获得充分的控制余地，操作人员通常会让催化裂化装置运行在远离各种约束的工作区域内，这样无需投入太多的精力便能够对装置进行平稳操作。但是，这种工作区域在经济上是很不适宜的，对于这种较复杂的情况，会使催化裂化过程的优化操作和优化控制显得十分必要。

催化裂化日趋复杂的再生工艺，意味着催化裂化再生系统的优化和控制离不开其数学模型的建立，目前尚未有成熟的两段并列再生工艺的再生系统模型，也尚未有成熟的两段重叠再生工艺的再生系统模型。

发明内容

本发明的目的在于提供催化裂化两段再生系统的建模方法及装置，旨在优化再生器操作，降低再生器发生尾燃的风险。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供催化裂化两段再生系统的建模方法及装置，包括：

建立烧焦反应动力学模型：碳元素在燃烧反应过程中生成CO和CO₂，氢元素在燃烧反应过程中生成H₂O，生成的CO会继续氧化生成CO₂，分别建立以上4个反应的反应速率的函数；

建立再生器稳态模型：根据烧焦反应动力学模型和催化再生系统工艺流程，利用常微分方程组建立再生器稳态模型，以计算再生烟气中CO、CO₂、H₂O、O₂和N₂的含量以及再生催化剂中焦炭含量；

再生器模型参数估值：根据再生烟气的组成，预测再生器模型的操作参数；

再生器取热计算：根据烧焦反应放出的热量等于再生器内移出的热量，根据能量守恒计算外取热器需要取走的多余热量；

再生器稀相区温度计算：根据再生器稀相区CO烧焦反应放热量和散热损失，结合能量守恒计算再生器稀相区轴向温度分布。

第二方面，本发明还提出一种用于上述建模方法的模型建立装置，包括模型建立模块和处理模块，模型建立模块用于建立烧焦反应动力学模型和再生器稳态模型，处理模块用于进行再生器模型参数估值、再生器取热计算和再生器稀相区温度计算。

第三方面，本发明还提出一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有计算机可读取指令，当计算机可读取指令由处理器执行时，运行上述建模方法中的步骤。

本发明具有以下有益效果：通过对再生器建模，能够提供催化裂化再生过程的动力学模型，可以预测再生烟气组成，预测再生器内稀相温度，进而帮助操作人员优化再生器操作，降低再生器发生尾燃的风险，对于催化裂化装置安全、平稳运行具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为催化裂化装置两段并列再生系统流程示意图；

图2为催化裂化装置两段重叠再生系统流程示意图；

图3为一再主风量对一再烟气出口组成的影响；

图4为二再主风量对二再烟气出口组成的影响；

图5为一再主风量对半再生催化剂和再生催化剂定碳的影响；

图6为一再主风量对一再稀相温度的影响；

图7为二再主风量对二再稀相温度的影响；

图8为一再主风量对再生器取热量的影响；

图9为一再主风量对一再烟气出口组成的影响；

图10为一再主风量对二再烟气出口组成的影响；

图11为二再主风量对一再烟气出口组成的影响；

图12为二再主风量对二再烟气出口组成的影响；

图13为一再主风量对半再生催化剂和再生催化剂定碳的影响；

图14为一再主风量对一再稀相温度和二再稀相温度的影响；

图15为一再主风量对再生器取热量的影响。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

本发明实施例提供催化裂化两段再生系统的建模方法及装置，包括以下步骤：

S1、建立烧焦反应动力学模型

失活催化剂表面附着的焦炭是一种混合物，主要包含碳元素(C)和氢元素(H)，在燃烧反应过程中碳元素被氧化生成CO和CO₂，氢元素被氧化生成H₂O，生成的CO会继续氧化生成CO₂，分别建立以上4个反应的反应速率的函数。在描述烧焦反应动力学时，忽略焦炭中的氮(N)、硫(S)等元素。

具体地，碳燃烧生成CO和CO₂的反应以及氢元素生成H₂O的反应仅发生的密相区，根据密相区的参数建立这三个反应的反应速率计算方程；在密相区和稀相区中都会发生CO氧化生成CO₂的反应，针对密相区和稀相区参数分别建立反应速率计算方程。

具体步骤如下：

在密相区内发生的碳元素和氢元素的反应方程式如下：

式中r₁、r₂、r₃分别表示碳元素氧化生成CO、CO₂和H元素氧化成H₂O时的反应速率，单位kmol焦炭/(m³催化剂·s)，r₁、r₂和r₃的计算公式如下：

式中，k为反应速率常数，单位m³/(kmol·s)；

σ表示生成的CO₂和CO的摩尔比值，单位kmol/kmol；

ρ_c表示密相区内催化剂颗粒密度，单位kg·m^-3；

ε_c,D表示密相区催化剂体积分数；

w_ck表示催化剂上的焦炭含量，单位kg焦炭/kg催化剂；

MW_C表示碳元素的摩尔分子质量，单位kg/kmol；

MW_H表示氢元素的摩尔分子质量，单位kg/kmol；

q为焦炭中的氢碳摩尔比；

c_i,j表示在j区域内的气体组分i的摩尔浓度，单位kmol/m³；

其中，j区域为密相区D或稀相区F，气体组分i为CO、CO₂、H₂O、O₂或N₂。

T表示再生器内密相区温度，σ的取值可由以下公式计算：

ε_g,D表示密相区中混合气体体积分数。ε_c,D和ε_g,D的计算公式如下：

ε_g,D＝(1-ε_c,D) (9)

式中v_g,D表示密相区中气体的体积流率，单位m³·s^-1；Ω_RG表示再生器密相区横截面积；

反应速率常数根据阿伦尼乌斯方程，可由下式计算得到：

式中，R表示理想气体常数，8.314kJ/(kmol·K)；k_i0和E_i0分别表示反应的指前因子和活化能；T^*表示参考再生温度；

在密相区和稀相区中都会发生CO氧化生成CO₂的反应，密相区中反应方程式和反应速率计算公式如下：

密相区中气体的摩尔浓度c_i,D可由下式计算得到：

式中，n_i,D表示密相区各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

在稀相区发生的CO氧化反应速率计算公式如下：

c_i,F表示稀相区中各气体组分的摩尔浓度，单位kmol/m³，计算公式如下：

式中n_i,F表示各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

S2、建立再生器稳态模型

根据烧焦反应动力学模型和催化再生系统工艺流程，利用常微分方程组建立再生器稳态模型，以计算再生烟气中CO、CO₂、H₂O、O₂和N₂的含量以及再生催化剂中焦炭含量。发明人针对并列式二段再生工艺和两段重叠再生工艺分别建立了稳态模型：

(1)并列式二段再生工艺

图1为并列式二段再生工艺的流程图，两段并列再生工艺是指待生催化剂经一再密相与一再主风逆流接触，在较低的温度和贫氧条件下流化烧焦，烧焦后的催化剂(半再生催化剂)进入二再密相与二再主风接触进行富氧烧焦完成再生过程，由于不含水蒸汽可控制较高的再生温度，经二再高温再生后的再生剂进入反应系统。一再主风经一再密相和一再稀相后输出，二再主风经二再密相和二再稀相后输出。

两段并列再生工艺建立再生器稳态模型包括如下步骤：

根据烧焦反应动力学模型和催化再生系统工艺流程，建立再生系统稳态模型。再生器内的气体包括O₂、N₂、CO、CO₂和H₂O。对一再密相床中气体进行物料衡算，得到各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标1表示一再，Z_D表示密相床高度，单位m；m_cat表示密相床再生剂藏量，单位kg；Z＝z/Z_D表示床层中z截面处的无因此相对距离。

各组分摩尔流率的初始值计算如下：

n_CO,1D＝0 (20)

F_air表示空气质量流量，单位kg/h；

MW_air表示空气分子质量，单位kg/kmol。

一再稀相区内的气体全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

式中，Z_F表示稀相区高度，单位m；Z_reg表示再生器高度，单位m。

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中，n⁽⁰⁾表示一再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

表示一再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

一再出口烟气中各气体成分的比例由下式计算：

式中，

表示一再出口烟气中各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

一再再生后的半再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

式中，w_ck,ST为待生催化剂定碳，w％，w_ck,1out为一再出口催化剂定碳，w％。

一再-再生后的半再生催化剂焦炭HC摩尔比的计算公式如下：

二再密相床中各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标2表示二再，各组分摩尔流率的初始值计算如下：

n_CO,2D＝0 (43)

二再稀相区内的气体全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中n⁽⁰⁾表示二再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1，

表示二再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

二再出口烟气中各气体成分的比例由下式计算：

式中

表示一再出口烟气中各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

二再再生后的再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

(2)两段重叠式再生工艺

请参照图2，两段重叠式再生工艺是指待生催化剂进入一再密相，与一再主风和二再烟气逆流接触，在较低的温度和贫氧条件下流化烧焦，烧焦后的催化剂(半再生催化剂)进入二再密相，与二再主风接触流化烧焦，二再为富氧操作，由于不含水蒸汽可控制较高的再生温度，经二再高温再生后的再生剂进入反应系统。二再烟气中氧含量较高，由第二再生器顶部进入第一再生器，继续烧焦。

再生系统稳态数学模型是多组常微分方程组，求解常微分方程组需要明确初始条件和边界条件。对于一、二再重叠的再生系统，计算一再密相烟气组成的数学模型(常微分方程组)的初始条件为一再主风和二再烟气，二再烟气流量和组成未知，由第二再生器具体操作条件决定。计算二再密相烟气组成的数学模型需要知道从一再密相来的半再生催化剂碳含量，该值由一再主风和二再烟气等条件决定，而二再烟气未知。这使得一、二再重叠的再生系统数学模型的求解进入一个死循环。

本申请实施例提出的方法能够解决上述问题，根据烧焦反应动力学模型和催化再生系统工艺流程，建立再生系统稳态模型。再生器内的气体包括O₂、N₂、CO、CO₂和H₂O。对二再密相床中气体进行物料衡算，得到各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标2表示二再，Z_D表示密相床高度，单位m；m_cat表示密相床再生剂藏量，单位kg；Z＝z/Z_D表示床层中z截面处的无因此相对距离。

w_ck,2D表示一再再生后的半再生催化剂焦炭含量，单位kg焦炭/kg催化剂；q₂表示一再再生后的半再生催化剂焦炭HC摩尔比；设定w_ck,2D＝0.4×w_ck,1D，q₂＝0.4×q₁。

各组分摩尔流率的初始值计算如下：

n_CO,2D＝0 (43)

式中，F_air表示空气质量流量，单位kg/h；MW_air表示空气分子质量，单位kg/kmol。

对于二再稀相区内的气体，全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

式中，Z_F表示稀相区高度，单位m；Z_reg表示在再生器高度，单位m。

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中，n⁽⁰⁾表示二再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1，

表示二再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

一再密相床中各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标1表示一再；

各组分摩尔流率的初始值计算如下：

一再稀相区内的气体全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中，n⁽⁰⁾表示一再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1，

表示一再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

一再再生后的半再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

一再再生后的半再生催化剂焦炭HC摩尔比的计算公式如下：

将计算得到的w_ck,1out和q₂与设定的初始值进行对比，如果两者不相等，则以本次计算得到的w_ck,1out和q₂为初始值重复上述计算，直到计算得到的w_ck,1out和q₂与设定的初始值相等。

一再出口烟气中各气体成分的比例由下式计算：

式中

表示一再出口烟气中各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

二再再生后的再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

S3、再生器模型参数估值

再生器模型参数估值根据再生烟气的组成，预测再生器模型的操作参数。

(1)两段并列再生工艺再生器模型参数进行估值包括：模型参数估值需要最小化一个目标函数Φ，Φ是试验值和拟合值的误差平方和：

其中n_exp是试验的次数；n_cexp＝5是烟气中气体个数，y为试验值，

为拟合值；动力学参数估值使用粒子群优化算法，求解出再生器模型参数后，利用再生器模型进行烟气组成的预测。

(2)两段重叠式再生工艺再生器模型参数进行估值包括：模型参数估值需要最小化一个目标函数Φ，Φ是试验值和拟合值的误差平方和：

其中n_exp是试验的次数；n_cexp＝5是烟气中气体个数，y为试验值，

为拟合值；动力学参数估值使用粒子群优化算法，求解出再生器模型参数后，利用再生器模型进行烟气组成的预测。

S4、再生器取热计算

根据烧焦反应放出的热量等于再生器内移出的热量，根据能量守恒计算外取热器需要取走的多余热量。再生器取热计算的过程包括：利用再生器内部符合能量守恒定律，烧焦反应放出的热量等于再生器内移出的热量，移出的热量包括提升燃烧空气和待生催化剂温度所需的热量、再生器和外部环境的热损失以及外取热器取出热量，根据能量守恒计算外取热器需要取走的多余热量。

热量守恒方程公式如下：

F_catC_p,cat(T_D-T_ST)+F_airC_p,air(T_D-T_air)+Q_loss,D+Q_heat＝Q_react,D (67)

式中，T_D和T_ST分别表示再生器密相区温度和待生催化剂温度；T_air表示主风温度；C_p,cat和C_p,air分别表示再生催化剂和空气的比热容，取值分别为1.15和1.1，单位kJ·(kg·K)^-1；Q_loss,D、Q_react,D和Q_heat分别为密相区内损失的热量、烧焦反应放出的热量和取热器取走的热量，单位kJ·s^-1，计算公式如下：

Q_loss,D＝C_DA_D(T_D-T_e) (68)

其中，T_e表示周围环境的温度，单位，K；C_D表示再生密相区向周围环境传递热量的传递系数，取值为0.048。

根据再生器内能量守恒定律，当每次给定再生器的温度时，模型会对再生器内的热量重新衡算，使其达到一个新的平衡状态，进而求出换热器内需要吸收或者放出的热量，其计算公式如下：

Q_heat＝Q_react,D-F_catC_p,cat(T_D-T_ST)-F_airC_p,air(T_D-T_air)-Q_loss,D (70)

在对再生器进行热量衡算时，需要用到燃烧空气、密相区气体混合物以及稀相区气体混合物的平均热熔，分别表示为C_p,air、C_p,g,D和C_p,g,F，单位kJ·(kg·K)^-1，气体混合物平均热容以及各气体成分的热容在温度为T时的计算公式如下：

C_p,CO(T)＝0.95+1.35×10^-4T-1.33×10^-8T² (71)

即：

式中，Tref表示设定值。

S5、再生器稀相区温度计算

根据再生器稀相区CO烧焦反应放热量和散热损失，结合能量守恒计算再生器稀相区轴向温度分布。

具体地，再生器稀相区温度计算包括：根据稀相区能量守恒计算其温度沿轴向的变化，计算公式如下：

式中，m_g表示稀相区气体质量，单位kg；Q_react,F和Q_loos,F分别表示稀相区内CO氧化反应放出的热量和稀相区损失的热量，单位kJ·s^-1，Q_loos,F计算公式如下：

式中，C_F表示再生器稀相区与其周围环境之间的热量传递系数，取值为5×10^-6。

本发明实施例还提出一种用于上述建模方法的模型建立装置，包括模型建立模块和处理模块，模型建立模块用于建立烧焦反应动力学模型和再生器稳态模型，处理模块用于进行再生器模型参数估值、再生器取热计算和再生器稀相区温度计算。

本发明实施例还提出一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有计算机可读取指令，当计算机可读取指令由处理器执行时，运行上述建模方法中的步骤。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

针对图1中的两段并列再生工艺，将建模方法用于预测一再烟气出口组成。

设定再生系统处于热平衡状态，待生催化剂流量238.5kg/s，待生催化剂定碳0.84w％，一再密相温度660℃，二再密相温度695℃，二再主风量5.9m3/s，预测一再主风量对一再烟气出口组成的影响。一再主风量对一再烟气出口组成的影响见图3。

如图3所示，随着一再主风量从8.0m³/s增大至11.0m³/s，一再烟气氧含量从0.1v％左右线性增大至3.0v％左右。对于一、二再并列的二段再生工艺，一再在贫氧条件的烧焦，氧含量需在1v％以下，因此适宜的一再主风量在9.2m³/s及以下。

实施例2

针对图1中的两段并列再生工艺，将建模方法用于预测二再烟气出口浓度。

按实施例1，不同之处在于：一再主风主风流量为9.2m³/s，预测二再主风量对二再烟气出口组成的影响。二再主风量对二再烟气出口组成的影响见图4。如图4所示，随着二再主风量从4.2m³/s增大至8.4m³/s，二再烟气氧含量从0.8v％左右增大至9.0v％左右。对于一、二再并列的二段再生工艺，二再在富氧条件的烧焦，氧含量需在3v％以上，因此适宜的二再主风量在5.0m³/s及以上。

实施例3

针对图1中的两段并列再生工艺，将建模方法用于预测半再生催化剂和再生催化剂定碳。

按实施例1，预测一再主风量对半再生催化剂和再生催化剂定碳的影响。一再主风量对半再生催化剂和再生催化剂定碳的影响见图5。如图5所示，随着一再主风量从8.0m³/s增大至11.0m³/s，半再生催化剂定碳从0.33w％左右降至0.26w％左右，再生催化剂定碳从0.05w％左右降至0.02w％左右。一般要求再生剂定碳在0.05w％以下，因此适宜的一再主风量在8.0m³/s～9.2m³/s之间。

实施例4

针对图1中的两段并列再生工艺，将建模方法用于预测一再稀相温度。

按实施例1，预测一再主风量对一再稀相温度的影响。一再主风量对一再稀相温度的影响见图6。如图6所示，随着一再主风量从8.0m3/s增大至11.0m3/s，一再稀相温度从664℃升高至676℃。

实施例5

针对图1中的两段并列再生工艺，将建模方法用于预测二再稀相温度。

按实施例1，预测二再主风量对二再稀相温度的影响。二再主风量对一再稀相温度的影响见图7。如图7所示，随着二再主风量从4.2m³/s增大至8.4m³/s，二再稀相温度从715℃升高至726℃。

实施例6

针对图1中的两段并列再生工艺，将建模方法用于预测再生系统取热量。

按实施例1，预测一再主风量对一再烟气出口组成的影响。一再主风量对一再烟气出口组成的影响见图8。如图8所示，随着一再主风量从8.0m³/s增大至11.0m³/s，取热量从-375kJ/s增大至330kJ/s后又降至-725kJ/s。说明可以通过调节操作条件，使得取热量为0，再生系统能量平衡。

实施例7

针对图2中的两段重叠再生工艺，将建模方法用于预测一再主风量对一再烟气出口组成和二再烟气出口组成的影响。

设定再生系统处于热平衡状态，待生催化剂流量238.5kg/s，待生催化剂定碳1.55w％，一再密相温度690℃，二再密相温度690℃，二再主风量10.9m3/s，预测一再主风量对一再烟气出口组成和二再烟气出口组成的影响。

一再主风量对一再烟气出口组成的影响见图9。如图9所示，随着一再主风量从10.0m³/s左右增大至14.5m³/s左右，一再烟气氧含量从0.45v％左右线性增大至2.70v％左右。对于一、二再重叠的二段再生工艺，一再在贫氧条件的烧焦，氧含量需在1v％以下，因此适宜的一再主风量在11.4m³/s及以下。

二再烟气出口组成工业中不检测，可用本模型预测二再烟气组成。一再主风量对二再烟气出口组成的影响见图10。如图10所示，随着一再主风量从10.0m³/s左右增大至14.5m³/s左右，二再烟气氧含量从3.1v％左右线性增大至7.90v％左右。对于一、二再重叠的二段再生工艺，二再在高氧条件下烧焦，氧含量最好在6v％以上，因此适宜的一再主风量在12.6m³/s及以上。

通过实施例7发现，调节一再主风量难以将一再、二再操作条件处于最佳区间。可以将一再主风量调低，通过优化二再主风风量，使得一再、二再操作条件处于最佳区间。

实施例8

针对图2中的两段重叠再生工艺，将建模方法用于预测二再主风量对一再烟气出口组成和二再烟气出口组成的影响。

按实施例7，不同之处在于一再主风主风流量为8.8m³/s，预测二再主风量对一再烟气出口组成和二再烟气出口组成的影响。

二再主风量对一再烟气出口组成的影响见图11。如图11所示，随着二再主风量从10.0m³/s增大至14.5m³/s，一再烟气氧含量从0.01v％左右增大至1.2v％左右。对于一、二再重叠的二段再生工艺，一再在贫氧条件的烧焦，氧含量需在1v％以下，因此适宜的二再主风量在13.9m³/s及以下。

二再主风量对二再烟气出口组成的影响见图12。如图12所示，随着二再主风量从10.0m³/s增大至14.5m³/s，二再烟气氧含量从0.8v％左右增大至7.8v％左右。对于一、二再重叠的二段再生工艺，二再在高氧条件的烧焦，氧含量最好在6v％以上，因此适宜的二再主风量在13.5m³/s及以上。综合考虑，最佳的二再主风量为13.5m3/s～13.9m3/s，匹配的一再主风量为8.8m³/s。

实施例9

针对图2中的两段重叠再生工艺，将建模方法用于预测半再生催化剂和再生催化剂定碳。

按实施例7，不同之处在于二再主风流量为13.5m³/s，预测一再主风量对半再生催化剂和再生催化剂定碳的影响。一再主风量对半再生催化剂和再生催化剂定碳的影响见图13。如图13所示，随着一再主风量从7.2m³/s增大至11.4m³/s，半再生催化剂定碳从0.88w％左右降至0.54w％左右，再生催化剂定碳从0.13w％左右降至0.02w％左右。一般要求再生剂定碳在0.1w％以下，因此适宜的一再主风量在8.0m³/s以上。

实施例4

针对图2中的两段重叠再生工艺，将建模方法用于预测一再稀相温度和二再稀相温度。

按实施例7，不同之处在于二再主风流量为13.5m³/s，预测一再主风量对一再稀相温度和二再稀相温度的影响。一再主风量对一再稀相温度和二再稀相温度的影响见图14。如图14所示，随着一再主风量从7.2m³/s增大至11.4m³/s，一再稀相温度从692℃升高至709℃，二再稀相温度从714℃降低至710℃。

实施例5

针对图2中的两段重叠再生工艺，将建模方法用于预测再生系统取热量。

按实施例7，不同之处在于二再主风流量为13.5m³/s，预测一再主风量对再生系统取热量的影响。一再主风量对再生系统取热量的影响见图15。如图15所示，随着一再主风量从7.2m³/s增大至11.4m³/s，取热量从61600kJ/s减小至48400kJ/s。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.催化裂化两段再生系统的建模方法及装置，其特征在于，包括：

建立烧焦反应动力学模型：碳元素在燃烧反应过程中生成CO和CO₂，氢元素在燃烧反应过程中生成H₂O，生成的CO会继续氧化生成CO₂，分别建立以上4个反应的反应速率的函数；

建立再生器稳态模型：根据烧焦反应动力学模型和催化再生系统工艺流程，利用常微分方程组建立再生器稳态模型，以计算再生烟气中CO、CO₂、H₂O、O₂和N₂的含量以及再生催化剂中焦炭含量；

再生器模型参数估值：根据再生烟气的组成，预测再生器模型的操作参数；

再生器取热计算：根据烧焦反应放出的热量等于再生器内移出的热量，根据能量守恒计算外取热器需要取走的多余热量；

再生器稀相区温度计算：根据再生器稀相区CO烧焦反应放热量和散热损失，结合能量守恒计算再生器稀相区轴向温度分布。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，碳燃烧生成CO和CO₂的反应以及氢元素生成H₂O的反应仅发生的密相区，根据密相区的参数建立这三个反应的反应速率计算方程；在密相区和稀相区中都会发生CO氧化生成CO₂的反应，针对密相区和稀相区参数分别建立反应速率计算方程。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，建立烧焦反应动力学模型的过程包括：

在密相区内发生的碳元素和氢元素的反应方程式如下：

式中r₁、r₂、r₃分别表示碳元素氧化生成CO、CO₂和H元素氧化成H₂O时的反应速率，单位kmol焦炭/(m³催化剂·s)，r₁、r₂和r₃的计算公式如下：

式中，k为反应速率常数，单位m³/(kmol·s)；

σ表示生成的CO₂和CO的摩尔比值，单位kmol/kmol；

ρ_c表示密相区内催化剂颗粒密度，单位kg·m^-3；

ε_c,D表示密相区催化剂体积分数；

w_ck表示催化剂上的焦炭含量，单位kg焦炭/kg催化剂；

MW_C表示碳元素的摩尔分子质量，单位kg/kmol；

MW_H表示氢元素的摩尔分子质量，单位kg/kmol；

q为焦炭中的氢碳摩尔比；

c_i,j表示在j区域内的气体组分i的摩尔浓度，单位kmol/m³；

其中，j区域为密相区D或稀相区F，气体组分i为CO、CO₂、H₂O、O₂或N₂；

T表示再生器内密相区温度，σ的取值可由以下公式计算：

ε_g,D表示密相区中混合气体体积分数；ε_c,D和ε_g,D的计算公式如下：

ε_g,D＝(1-ε_c,D) (9)

式中v_g,D表示密相区中气体的体积流率，单位m³·s^-1；Ω_RG表示再生器密相区横截面积；

反应速率常数根据阿伦尼乌斯方程，可由下式计算得到：

式中，R表示理想气体常数，8.314kJ/(kmol·K)；k_i0和E_i0分别表示反应的指前因子和活化能；T^*表示参考再生温度；

在密相区和稀相区中都会发生CO氧化生成CO₂的反应，密相区中反应方程式和反应速率计算公式如下：

密相区中气体的摩尔浓度c_i,D可由下式计算得到：

式中，n_i,D表示密相区各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

在稀相区发生的CO氧化反应速率计算公式如下：

c_i,F表示稀相区中各气体组分的摩尔浓度，单位kmol/m³，计算公式如下：

式中n_i,F表示各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，根据两段并列再生工艺建立再生器稳态模型，所述两段并列再生工艺是指待生催化剂经一再密相与一再主风接触并在贫氧条件下流化烧焦，烧焦后的催化剂进入二再密相与二再主风接触进行富氧烧焦完成再生过程，一再主风经一再密相和一再稀相后输出，二再主风经二再密相和二再稀相后输出；

优选地，两段并列再生工艺建立再生器稳态模型包括如下步骤：

对一再密相床中气体进行物料衡算，得到各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标1表示一再，Z_D表示密相床高度，单位m；m_cat表示密相床再生剂藏量，单位kg；Z＝z/Z_D表示床层中z截面处的无因此相对距离；

各组分摩尔流率的初始值计算如下：

n_CO,1D＝0 (20)

F_air表示空气质量流量，单位kg/h；

MW_air表示空气分子质量，单位kg/kmol；

一再稀相区内的气体全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

式中，Z_F表示稀相区高度，单位m；Z_reg表示再生器高度，单位m；

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中，n⁽⁰⁾表示一再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

表示一再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

一再出口烟气中各气体成分的比例由下式计算：

式中，

表示一再出口烟气中各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

一再再生后的半再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

式中w_ck,ST为待生催化剂定碳，w％，w_ck,1out为一再出口催化剂定碳，w％；

一再-再生后的半再生催化剂焦炭HC摩尔比的计算公式如下：

二再密相床中各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标2表示二再，各组分摩尔流率的初始值计算如下：

n_CO,2D＝0 (43)

二再稀相区内的气体全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中n⁽⁰⁾表示二再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1，

表示二再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

二再出口烟气中各气体成分的比例由下式计算：

式中

表示一再出口烟气中各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

二再再生后的再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，两段并列再生工艺再生器模型参数进行估值包括：设定目标函数Φ，Φ是试验值和拟合值的误差平方和：

其中n_exp是试验的次数；n_cexp＝5是烟气中气体个数，y为试验值，

为拟合值；动力学参数估值使用粒子群优化算法，求解出再生器模型参数后，利用再生器模型进行烟气组成的预测。

6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，根据两段重叠式再生工艺建立再生器稳态模型，所述两段重叠式再生工艺是指待生催化剂经一再密相与一再主风和二再烟气接触并在贫氧条件下硫化烧焦，烧焦后的催化剂进入二再密相与二再主风接触进行富氧烧焦完成再生过程，一再密相产生的烟气经一再稀相后输出，二再密相产生的烟气经二再稀相后返回一再密相继续烧焦；

两段重叠式再生工艺建立再生器稳态模型包括如下步骤：

对二再密相床中气体进行物料衡算，得到各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标2表示二再，Z_D表示密相床高度，单位m；m_cat表示密相床再生剂藏量，单位kg；Z＝z/Z_D表示床层中z截面处的无因此相对距离；

w_ck,2D表示一再再生后的半再生催化剂焦炭含量，单位kg焦炭/kg催化剂；q₂表示一再再生后的半再生催化剂焦炭HC摩尔比；设定w_ck,2D＝0.4×w_ck,1D，q₂＝0.4×q₁；

各组分摩尔流率的初始值计算如下：

n_CO,2D＝0 (43)

式中，F_air表示空气质量流量，单位kg/h；MW_air表示空气分子质量，单位kg/kmol；

对于二再稀相区内的气体，全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

式中，Z_F表示稀相区高度，单位m；Z_reg表示在再生器高度，单位m；

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中，n⁽⁰⁾表示二再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1，

表示二再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

一再密相床中各气体成分摩尔流率沿轴向的变化率方程，如下所示：

式中，下标1表示一再；

各组分摩尔流率的初始值计算如下：

一再稀相区内的气体全部来自密相区，包括烧焦反应生成的CO、CO₂、H₂O，其各成分的摩尔流率计算如下：

根据气体流动的连续性，稀相区入口处的气体摩尔流率等于密相区出口处的气体摩尔流率，计算公式如下：

上式中，n⁽⁰⁾表示一再稀相区入口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1，

表示一再密相区出口处各气体成分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

一再再生后的半再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

一再再生后的半再生催化剂焦炭HC摩尔比的计算公式如下：

将计算得到的w_ck,1out和q₂与设定的初始值进行对比，如果两者不相等，则以本次计算得到的w_ck,1out和q₂为初始值重复上述计算，直到计算得到的w_ck,1out和q₂与设定的初始值相等；

一再出口烟气中各气体成分的比例由下式计算：

式中

表示一再出口烟气中各气体组分的摩尔流率，单位kmol·s^-1；

二再再生后的再生催化剂焦炭含量的计算公式如下：

优选地，两段重叠式再生工艺再生器模型参数进行估值包括：设定目标函数Φ，Φ是试验值和拟合值的误差平方和：

其中n_exp是试验的次数；n_cexp＝5是烟气中气体个数，y为试验值，

为拟合值；动力学参数估值使用粒子群优化算法，求解出再生器模型参数后，利用再生器模型进行烟气组成的预测。

7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，再生器取热计算的过程包括：利用再生器内部符合能量守恒定律，烧焦反应放出的热量等于再生器内移出的热量，移出的热量包括提升燃烧空气和待生催化剂温度所需的热量、再生器和外部环境的热损失以及外取热器取出热量，根据能量守恒计算外取热器需要取走的多余热量；

热量守恒方程公式如下：

F_catC_p,cat(T_D-T_ST)+F_airC_p,air(T_D-T_air)+Q_loss,D+Q_heat＝Q_react,D (67)

式中，T_D和T_ST分别表示再生器密相区温度和待生催化剂温度；T_air表示主风温度；C_p,cat和C_p,air分别表示再生催化剂和空气的比热容，取值分别为1.15和1.1，单位kJ·(kg·K)^-1；Q_loss,D、Q_react,D和Q_heat分别为密相区内损失的热量、烧焦反应放出的热量和取热器取走的热量，单位kJ·s^-1，计算公式如下：

Q_loss,D＝C_DA_D(T_D-T_e) (68)

其中，T_e表示周围环境的温度，单位，K；C_D表示再生密相区向周围环境传递热量的传递系数，取值为0.048；

根据再生器内能量守恒定律，当每次给定再生器的温度时，模型会对再生器内的热量重新衡算，使其达到一个新的平衡状态，进而求出换热器内需要吸收或者放出的热量，其计算公式如下：

Q_heat＝Q_react,D-F_catC_p,cat(T_D-T_ST)-F_airC_p,air(T_D-T_air)-Q_loss,D (70)

燃烧空气、密相区气体混合物以及稀相区气体混合物的平均热容，分别表示为C_p,air、C_p,g,D和C_p,g,F，单位kJ·(kg·K)^-1，气体混合物平均热容以及各气体成分的热容在温度为T时的计算公式如下：

C_p,CO(T)＝0.95+1.35×10^-4T-1.33×10^-8T² (71)

8.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，再生器稀相区温度计算包括：

根据稀相区能量守恒计算其温度沿轴向的变化，计算公式如下：

式中，m_g表示稀相区气体质量，单位kg；Q_react,F和Q_loos,F分别表示稀相区内CO氧化反应放出的热量和稀相区损失的热量，单位kJ·s^-1，Q_loos,F计算公式如下：

式中，C_F表示再生器稀相区与其周围环境之间的热量传递系数，取值为5×10^-6。

9.一种用于权利要求1-8中任一项所述建模方法的模型建立装置，其特征在于，包括模型建立模块和处理模块，所述模型建立模块用于建立烧焦反应动力学模型和再生器稳态模型，所述处理模块用于进行再生器模型参数估值、再生器取热计算和再生器稀相区温度计算。

10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-8中任一项所述的建模方法中的步骤。

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