使用AspenHysys对催化汽油加氢装置建模及分析

随着国内成品油国标的逐步提高,对于汽油产品的质量提出了更高的要求,因此原有的汽油等产品需要被进一步精制处理后才能够使其质量达标。本文将主要介绍催化汽油加氢精制的建模过程。

对于催化汽油加氢脱硫工艺,总体技术路线一般采用选择性加氢→轻、重汽油分馏→重汽油脱硫。需要注意的是,根据上游所选择催化裂化技术的不同,脱前汽油中的硫、氮含量和形式可能会有所不同。一般选择性加氢的主要目的是在催化剂的作用下将脱前汽油中沸点较低的硫醇硫等生成沸点较高的硫醚,使其转移到重汽油中。同时在此过程中还会将剩余的二烯烃进行饱和。反应完成后汽油将进入分馏塔中,主要目的是根据油品性质要求等情况,将汽油切割为轻、重汽油。此时轻汽油中硫含量较低而烯烃含量较高,可以不再被处理而直接作为汽油调和组分;重汽油中硫含量较高而烯烃含量较低,需要进行选择性加氢脱硫处理后在进行产品调和。最后,重汽油进入到选择性加氢脱硫反应器中,在催化剂的作用下将选择性地脱除重汽油中的噻吩、甲基噻吩等大分子的含硫化合物。除此之外,反应器中可能还会发生烯烃饱和反应,、脱氮反应等。接下来将根据某石化的装置标定数据,使用AspenHysys将其建模及分析。

在建模过程中,因为主要涉及到的是反应过程,因此我们将不能只是用分馏集总。根据装置标定数据,将常规测量得到的分析数据映射到反应动力学集总中,使其能够保持与实际进料情况相一致。

本次模拟涉及到的动力学集总组成主要有:

H2  →  Hydrogen O-XYLENE  →  Ortho-xylene
O2  →  Oxygen M-XYLENE  →  Meta-xylene
N2  →  Nitrogen P-XYLENE  →  Para-xylene
CO  →  CarbonMonoxide A8  →  C8_aromatics
CO2  →  CarbonDioxide 6N8  →  6_Napthene8
P1  →  Methane IP9  →  Isoparafin9
P2  →  Ethane NP9  →  Normal_P9
OL2  →  Ethene 5N9  →  5_Napthene9
P3  →  Propane A9  →  C9_aromatics
O3  →  Propene 6N9  →  6_Napthene9
IP4  →  i-Butane IP10  →  Isoparafin10
NP4  →  n-Butane NP10  →  Normal_P10
P4  →  Butanes 5N10  →  5_Napthene10
O4  →  Butenes A10  →  C10_aromatics
IP5  →  i-Pentane 6N10  →  6_Napthene10
NP5  →  n-Pentane IP11  →  Isoparafin11
P5  →  Pentanes NP11  →  Normal_P11
O5  →  Pentenes 5N11  →  5_Napthene11
5N5  →  Cyclopentane A11  →  C11_aromatics
22DMC4  →  22-Dimethyl-butane 6N11  →  6_Napthene11
23DMC4  →  23-Dimethyl-butane P12  →  C12_Paraffin
MBP6  →  Mult_Branched_P6 N12  →  C12_Naphthene
2MC5  →  2-Methyl-pentane A12  →  C12_Aromatics
3MC5  →  3-Methyl-pentane P13  →  C13_Paraffin
SBP6  →  Sing_Branched_P6 N13  →  C13_Naphthene
NP6  →  Normal_P6 A13  →  C13_Aromatics
O6  →  Hexenes P14  →  C14_Paraffin
5N6  →  5_Napthene6 N14  →  C14_Naphthene
A6  →  C6_aromatics A14  →  C14_Aromatics
6N6  →  6_Napthene6 COKE  →  Coke
22DMC5  →  22-Dimethyl-pentane H2O  →  Water
23DMC5  →  23-Dimethyl-pentane H2S  →  H2S
24DMC5  →  24-Dimethyl-pentane TH4  →  Thiophene
MBP7  →  Mult_Branched_P7 TH5  →  MethylThiophene
2MC6  →  2-methyl-hexane TH6  →  EthylThiophene
3MC6  →  3-methyl-hexane TH7  →  PropylThiophene
3EC5  →  4-methyl-hexane SU3  →  PropylMercaptan
SBP7  →  Sing_Branched_P7 SU5  →  PentylMercaptan
NP7  →  Normal_P7 SU7  →  HeptylMercaptan
O7  →  Heptenes SU8  →  OctylMercaptan
DMCP  →  11-Dimethyl-cyclopentane NH3  →  Ammonia
ECP  →  Ethyl-cyclopentane NIT4  →  Pyrrole
5N7  →  5_Napthene7 NIT5  →  MethylPyrrole
A7  →  C7_aromatics BNIT5  →  Pyrridine
6N7  →  6_Napthene7 BNIT6  →  MethylPyrridine
MBP8  →  Mult_Branched_P8 DIOL4  →  13Butadiene
SBP8  →  Sing_Branched_P8 DIOL5  →  Isoprene
O8  →  Octenes O9  →  Nonene
NP8  →  Normal_P8 O10  →  Decene
5N8  →  5_Napthene8 O11  →  Undecene
ETHYLBEN  →  Ethyl-benzene O12  →  Dodecene

本次模拟主要涉及到的反应有:

反应类型: 加氢脱硫
1 TH4 + 4*H2 => P4 + H2S
2 TH5 + 4*H2 => P5 + H2S
3 TH6 + 4*H2 => NP6 + H2S
4 TH7 + 4*H2 => NP7 + H2S
5 SU3 + H2   => P3 + H2S
6 SU5 + H2   => P5 + H2S
7 SU7 + H2   => NP7 + H2S
8 SU8 + H2   => NP8 + H2S
反应类型: 加氢脱氮
9 NIT4 + 4*H2 => P4 + NH3
10 NIT5 + 4*H2 => P5 + NH3
11 BNIT5 + 5*H2 => P5 + NH3
12 BNIT6 + 5*H2 => NP6 + NH3
反应类型: 烯烃饱和
13 O4 + H2 => P4
14 O5 + H2 => P5
15 O6 + H2 => NP6
16 O7 + H2 => NP7
17 O8 + H2 => NP8
18 O9 + H2 => NP9
19 O10 + H2 => NP10
20 O11 + H2 => NP11
21 O12 + H2 => P12
反应类型: 二烯烃饱和
22 DIOL4 + H2 => O4
23 DIOL5 + H2 => O5
24 SU3 + O4 => SU7
25 SU3 + O5 => SU8

建模的第一步便是指定进料组成和状态。本装置的进料需要根据油品分析数据表征后进行映射为动力学集总组成。完成进料定义后,其模拟结果与装置标定数据的对比情况如下所示:

由上可以看到,此时进料的动力学集总表征非常成功,基本保持了与实际情况相一致。需要注意的是对于轻端的模拟,如果装置能够提供轻端分析数据则可以改进表征结果。进料准确的表征是后续准确建模的关键!

完成进料表征后将其与氢气进行混合后进入到选择性加氢反应器中。对于反应器我们可以调用AspenHysys专用的反应器模块GatGas Hydrotreater SHU。该反应器需要指定几何参数、催化剂的密度、装填量、空隙率等。同时,还必须指定动力学校正因子。对于动力学校正因子可以通过模型的“校正”功能反推计算得到,也可以手动调整获得。对于本装置的模拟,我们可以根据分析数据让软件“校正”获得:

校正后的计算结果再推入模拟环境中,此时便可以完成该反应器的建模。本反应器成功模拟的关键是对于进料集总组成的准确映射,完成计算后还需要认真分析反应产品的分布、反应器温升等数据是否合理、准确。如果装置缺少某些数据,还需要结合工艺知识进行合理的推断。

该反应器的目的在于硫的转移,使后续的分馏塔能够切出质量达标的轻汽油产品。如果反应器建模没有问题,则分馏塔的模拟便比较容易。只要按照装置的操作控制条件完成切割即可:

此时轻、重汽油已被切割得到,我们将主要查看此时轻、重汽油的馏程、含硫量等计算结果是否与装置数据相一致。这既反映出分馏塔的模拟精度,同样也反映出选择性加氢反应器是否建模准确。

由上对比可以看到,经过分馏塔后,轻、重汽油的模拟计算结果与装置标定数据吻合度较高,这说明选择性加氢反应器和分馏塔建模准确。特别需要注意的是,对于加氢后RON的计算,AspenHysys存在明显的错误。AspenSupport承诺该BUG将会在后续的新版本中进行修复。

完成分馏后重汽油便进入到加氢脱硫反应器中进行脱硫等反应。同样,对于该反应器的建模我们可以直接调用AspenHysys的专用反应器模块GatGas Hydrotreater HDS。该反应器的数据要求与GatGas Hydrotreater SHU一致。如果缺失关键数据,同样需要提供尽可能合理的估值。本反应器的动力学校正因子同样由“校正”获得,计算结果如下:

将校正获得的动力学校正因子也推入模拟环境后即可完成该反应器的模拟。此时将轻、重汽油混合即可得到我们所要的精制汽油产品。最终产品的关键性质对比如下:

由上图可以看到,此时产品中的硫含量计算值与标定值基本一致(二者相差只有3个ppm),PONA族组成分布也基本保持一致。当然,也可以对比一下SHU和HDS这两个反应器的温升情况,从侧面验证反应器中发生的反应是否合理:

可以看到,此时两个反应器的温升计算结果与标定值几乎一致,其中HDS反应器温升计算结果与标定值也只相差2℃左右。通过以上分析可以说明整个模拟过程整体上是成功的。此时,我们便可以尝试通过该模型对生产装置进行优化分析等工作了。

例如,该分馏塔采用的是全回流操作,其回流量的大小对轻、重汽油的切割清晰度、硫含量的分布、冷凝器及再沸器能耗等均有显著的影响。我们可以通过在模型中改变回流量的大小来进行分析。

由分析结果可以看到,LCN硫含量和脱空度的变化趋势具有明显的拐点。当回流比过小时,轻、重汽油切割将不清晰,分馏效果变差。同时,在LCN中的硫含量显著提高,这对产品脱硫不利,因为轻汽油将会被直接作为调和组分,后续再无处理过程。当回流比达到24000kg/h时,二者均处于拐点位置,再提高回流量也效果不大。此时也正好是装置的操作位置,可以说明此时的操作控制比较合理。当然,回流量的大小所付出的代价将会体现到塔顶和塔底的热负荷上。可以从图中看到,热负荷与回流量基本成线性关系,这也与现场经验相符合。因此,对于本装置分馏塔的操作,需要保持在合理的回流量上。否则过大的回流量不但对产品质量的提高几乎没有作用外,还会显著增加的装置能耗,提高了操作费用。

实际上我们还可以从反应器脱硫的角度对本装置再进行分析,因为我们的最终目标是混合后的脱硫汽油产品达标,且整体能耗最低。如果要进一步地应用本装置模型,还有很多工作要做,模型也可能需要进一步的分析和验证。具体过程比较繁杂,这里就不再做进一步说明了。

本篇大致介绍了如何利用AspenHysys软件对催化汽油加氢装置进行建模和分析,希望本篇对您有所帮助。

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