一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法技术

本发明专利技术涉及一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法，属于加氢裂化技术领域。本方法首先利用结构导向集总方法，完成加氢裂化原料的分子表征，然后建立加氢裂化反应器模型，制定反应规则，最后建立加氢裂化反应动力学模型。本发明专利技术方法从分子水平表征原料和产品，根据实际化学反应的信息，建立了基于结构导向集总的机理模型，使得加氢裂化过程的模拟更加接近实际。该方法对加氢裂化反应过程有较好的解释和预测能力，从而能为消除生产瓶颈、优化各操作参数提供更具实际意义的指导，提高装置的经济效益。

A method of modeling hydrocracking process based on structure guided lumped method

The invention relates to a modeling method for hydrocracking process based on structure-oriented lumps, belonging to the technical field of hydrocracking. In this method, firstly, the molecular characterization of hydrocracking feedstock is completed by using the structure-oriented lumped method, then the hydrocracking reactor model is established, the reaction rules are formulated, and finally the hydrocracking reaction kinetic model is established. The method of the invention characterizes raw materials and products at the molecular level, and establishes a mechanism model based on structure-oriented aggregation according to the information of actual chemical reactions, so as to make the simulation of hydrocracking process closer to reality. This method has a good ability to explain and predict the hydrocracking reaction process, thus providing more practical guidance for eliminating production bottlenecks and optimizing operation parameters, and improving the economic benefits of the unit.

【技术实现步骤摘要】
一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法
本专利技术涉及一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法，属于加氢裂化

技术介绍
炼油工业是国民经济的支柱，其发展对国计民生有着重要影响。随着世界范围内原油质量的不断劣质化以及新时代环保要求的不断提高，如何更高效并且清洁地炼油成为了一个重要课题。加氢裂化过程作为一种重要的石油炼制过程，实质上是加氢和催化裂化的有机结合，可有效提高油品质量、生产低硫燃料油，因此也越来越受到世界各国的重视。在加热、高氢压和催化剂存在的条件下，加氢裂化能够实现原料油中有机硫、氮和氧杂质的脱除、非饱和烃的加氢饱和、正构烃的异构化以及大分子烃的裂化，使重质油转化为炼厂气、石脑油、喷气燃料、柴油等，达到目标油品升级改质的要求。实际生产中，炼厂主要使用集总模型进行加氢裂化过程的模拟，但是工况以及产品分割方式的频繁调整会使集总模型的使用遇到障碍，另外粗略的集总模型也无法对过程的优化给出建议。在这种情况下，如果能够从分子层面建立机理模型来预测产品的收率，就可以适应实际生产中的调整，对实际生产进行精确的指导，从而更好地达到生产目的。因此，研发一种具有较精确预测能力的产品收率预测模型，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法，针对现有传统集总模型的缺点，从分子层面建立加氢裂化过程模型，预测产品收率，进而优化过程，提高装置效益。本专利技术提出的基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法，包括以下步骤：(1)利用结构导向集总方法，完成加氢裂化原料的分子表征，具体过程如下：根据加氢裂化原料中分子的特性，选取含有碳、氢、硫、氮和氧五种元素的21个特征结构：A6：A4：A2：N6：N5：N4：N3：N2：N1：Rbr：me：IH：H2、AA：-、AS：NS：AN1：AN2：AO：RO：和KO：上述特征结构的说明如下：A6表示六元芳香环，可以单独存在；A4表示四碳芳香环，不能单独存在；A2表示两碳芳香环，不能单独存在；N6和N5分别表示六元和五元脂肪环，可以单独存在；N4、N3、N2和N1分别表示含四、三、二和一个碳的脂肪环，不能单独存在；R表示除环结构之外的烷基总碳数；br表示烷、烯烃侧链上分支点的个数；me表示直接连接在芳香环或脂肪环上的甲基个数；IH表示不饱和度，芳环不纳入计算，每增加一个IH，分子中减少两个氢；AA表示环结构之间的桥键；AS表示噻吩环；NS表示脂肪环或烷烃侧链上的硫原子；AN1表示吡啶环；AN2表示吡咯环；AO表示呋喃环；RO表示羟基；KO表示羧基；用该21种特征结构表达加氢裂化原料中的分子，每个分子用一个维数为21的分子向量表示，分子向量记为Z中各个分量表示该分子中对应特征结构的数量，加氢裂化原料用一个维数为21×n的分子矩阵和一个维数为n的分子含量向量表示，分子矩阵记为分子含量向量记为C＝[c1…cn]n，其中n为加氢裂化原料中的分子种类，分子矩阵H的每一列为一个分子向量，分子含量向量C的每个分量对应分子矩阵H的每一列，表示加氢裂化原料中对应分子的摩尔分数；(2)建立加氢裂化反应器模型，具体过程如下：(2-1)设定反应器为固定床反应器，加氢裂化原料从反应器顶部进入，首先通过第一个床层中的保护剂层、加氢精制催化剂层和瓷球层，然后通过床层间的冷氢盘，最后通过第二个床层中的瓷球层、加氢裂化催化剂层和瓷球层，得到产物；设定原料经过反应器中含有催化剂的部分才发生化学反应；(2-2)分别将上述步骤(2-1)中的加氢精制催化剂层和加氢裂化催化剂层划分成多个微元，对于所有微元，设定如下条件：1)微元内发生的反应为一级不可逆反应，2)微元内的物料流动视为活塞流，3)微元内反应过程绝热，4)微元径向上的温度和组分浓度分布均匀；利用下式，计算一个微元中分子A的转化率XA：其中，XA为分子A在该催化剂微元中的转化率，LHSV为反应器中的液体体积空速，V1为反应器中的催化剂填充体积，ρc、Vc分别为在该催化剂微元中的催化剂填充密度和填充体积，k为分子A的拟一级反应速率常数；(3)制定加氢裂化反应器中的反应规则：由于分子在加氢精制催化剂层和加氢裂化催化剂层中会发生不同的化学反应，因此分别制定加氢精制反应规则和加氢裂化反应规则，其中hetero为含有杂原子的特征结构AS、AN1、AN2、AO、NS、RO和KO的数量之和，a为服从正太分布norm(0.5,0.2)且处于区间(0,1)的随机数，符号∧代表逻辑关系与，符号∨代表逻辑关系或，rand为区间[0,1]内的随机数，round为四舍五入取整，floor为向下取整，特征结构的代号代表相应特征结构在分子中的数量；加氢精制反应规则共24条，具体如下：25)不含环结构的硫醚脱硫：反应物选择规则：NS＝1∧A6+N6+N5＝0；产物生成规则：产物1：R1＝round(2+(R-4)×rand)，IH1＝1，其余结构数量为0；产物2：NS2＝0，R2＝R-R1，br2＝0，其余结构数量不变；26)含环结构的硫醚脱硫：反应物选择规则：NS＝1∧A6+N6+N5>0；产物生成规则：产物1，R1＝R，IH1＝1，其余结构数量为0；产物2：NS2＝0，R2＝0，br2＝0，me2＝0，其余结构数量不变；27)不含桥键的噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AS＝0，R＝R+4，IH＝1，其余结构数量不变；28)含桥键的噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AS＝0，R＝R+4，AA＝AA-1，其余结构数量不变；29)苯并噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4＝1；产物生成规则：AS＝0，A4＝0，A6＝A6+1，R＝R+2，其余结构数量不变；30)二苯并噻吩同系物及苯萘并噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4>＝2；产物生成规则：AS＝0，A4＝A4-2，A6＝A6+2，AA＝AA+1，其余结构数量不变；31)不含桥键的吡啶同系物脱氮：反应物选择规则：AN1＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AN1＝0，N4＝0，N2＝0，R＝R+5+4×N4+2×N2，me＝0，IH＝1，其余结构数量不变；32)含桥键的吡啶同系物脱氮：反应物选择规则：AN1＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AN1＝0，N4＝0，N2＝0，R＝R+5+4×N4+2×N2，AA＝AA-1，其余结构数量不变；33)喹啉同系物及多苯并喹啉同系物脱氮：反应物选择规则：AN1＝1∧A4>0；产物生成规则：AN1＝0，A4＝A4-1，A6＝A6+1，R＝R+3，其余结构数量不变；34)不含桥键的吡咯同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AN2＝0，R＝R+4，me＝0，IH＝1，其余结构数量不变；35)含桥键的吡咯同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AN2＝0，R＝R+4，AA＝AA-1，其余结构数量不变；36)吲哚同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4＝1；产物生成规则：AN2＝0，A4＝0，A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)利用结构导向集总方法，完成加氢裂化原料的分子表征，具体过程如下：根据加氢裂化原料中分子的特性，选取含有碳、氢、硫、氮和氧五种元素的21个特征结构：A6：

【技术特征摘要】
1.一种基于结构导向集总的加氢裂化过程建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)利用结构导向集总方法，完成加氢裂化原料的分子表征，具体过程如下：根据加氢裂化原料中分子的特性，选取含有碳、氢、硫、氮和氧五种元素的21个特征结构：A6：A4：A2：N6：N5：N4：N3：N2：N1：R：br：me：IH：H2、AA：-、AS：NS：AN1：AN2：AO：RO：和KO：上述特征结构的说明如下：A6表示六元芳香环，可以单独存在；A4表示四碳芳香环，不能单独存在；A2表示两碳芳香环，不能单独存在；N6和N5分别表示六元和五元脂肪环，可以单独存在；N4、N3、N2和N1分别表示含四、三、二和一个碳的脂肪环，不能单独存在；R表示除环结构之外的烷基总碳数；br表示烷、烯烃侧链上分支点的个数；me表示直接连接在芳香环或脂肪环上的甲基个数；IH表示不饱和度，芳环不纳入计算，每增加一个IH，分子中减少两个氢；AA表示环结构之间的桥键；AS表示噻吩环；NS表示脂肪环或烷烃侧链上的硫原子；AN1表示吡啶环；AN2表示吡咯环；AO表示呋喃环；RO表示羟基；KO表示羧基；用该21种特征结构表达加氢裂化原料中的分子，每个分子用一个维数为21的分子向量表示，分子向量记为Z中各个分量表示该分子中对应特征结构的数量，加氢裂化原料用一个维数为21×n的分子矩阵和一个维数为n的分子含量向量表示，分子矩阵记为分子含量向量记为C＝[c1…cn]n，其中n为加氢裂化原料中的分子种类，分子矩阵H的每一列为一个分子向量，分子含量向量C的每个分量对应分子矩阵H的每一列，表示加氢裂化原料中对应分子的摩尔分数；(2)建立加氢裂化反应器模型，具体过程如下：(2-1)设定反应器为固定床反应器，加氢裂化原料从反应器顶部进入，首先通过第一个床层中的保护剂层、加氢精制催化剂层和瓷球层，然后通过床层间的冷氢盘，最后通过第二个床层中的瓷球层、加氢裂化催化剂层和瓷球层，得到产物；设定原料经过反应器中含有催化剂的部分才发生化学反应；(2-2)分别将上述步骤(2-1)中的加氢精制催化剂层和加氢裂化催化剂层划分成多个微元，对于所有微元，设定如下条件：1)微元内发生的反应为一级不可逆反应，2)微元内的物料流动视为活塞流，3)微元内反应过程绝热，4)微元径向上的温度和组分浓度分布均匀；利用下式，计算一个微元中分子A的转化率XA：其中，XA为分子A在该催化剂微元中的转化率，LHSV为反应器中的液体体积空速，V1为反应器中的催化剂填充体积，ρc、Vc分别为在该催化剂微元中的催化剂填充密度和填充体积，k为分子A的拟一级反应速率常数；(3)制定加氢裂化反应器中的反应规则：由于分子在加氢精制催化剂层和加氢裂化催化剂层中会发生不同的化学反应，因此分别制定加氢精制反应规则和加氢裂化反应规则，其中hetero为含有杂原子的特征结构AS、AN1、AN2、AO、NS、RO和KO的数量之和，a为服从正太分布norm(0.5,0.2)且处于区间(0,1)的随机数，符号∧代表逻辑关系与，符号∨代表逻辑关系或，rand为区间[0,1]内的随机数，round为四舍五入取整，floor为向下取整，特征结构的代号代表相应特征结构在分子中的数量；加氢精制反应规则共24条，具体如下：1)不含环结构的硫醚脱硫：反应物选择规则：NS＝1∧A6+N6+N5＝0；产物生成规则：产物1：R1＝round(2+(R-4)×rand)，IH1＝1，其余结构数量为0；产物2：NS2＝0，R2＝R-R1，br2＝0，其余结构数量不变；2)含环结构的硫醚脱硫：反应物选择规则：NS＝1∧A6+N6+N5>0；产物生成规则：产物1，R1＝R，IH1＝1，其余结构数量为0；产物2：NS2＝0，R2＝0，br2＝0，me2＝0，其余结构数量不变；3)不含桥键的噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AS＝0，R＝R+4，IH＝1，其余结构数量不变；4)含桥键的噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AS＝0，R＝R+4，AA＝AA-1，其余结构数量不变；5)苯并噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4＝1；产物生成规则：AS＝0，A4＝0，A6＝A6+1，R＝R+2，其余结构数量不变；6)二苯并噻吩同系物及苯萘并噻吩同系物脱硫：反应物选择规则：AS＝1∧A4>＝2；产物生成规则：AS＝0，A4＝A4-2，A6＝A6+2，AA＝AA+1，其余结构数量不变；7)不含桥键的吡啶同系物脱氮：反应物选择规则：AN1＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AN1＝0，N4＝0，N2＝0，R＝R+5+4×N4+2×N2，me＝0，IH＝1，其余结构数量不变；8)含桥键的吡啶同系物脱氮：反应物选择规则：AN1＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AN1＝0，N4＝0，N2＝0，R＝R+5+4×N4+2×N2，AA＝AA-1，其余结构数量不变；9)喹啉同系物及多苯并喹啉同系物脱氮：反应物选择规则：AN1＝1∧A4>0；产物生成规则：AN1＝0，A4＝A4-1，A6＝A6+1，R＝R+3，其余结构数量不变；10)不含桥键的吡咯同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AN2＝0，R＝R+4，me＝0，IH＝1，其余结构数量不变；11)含桥键的吡咯同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AN2＝0，R＝R+4，AA＝AA-1，其余结构数量不变；12)吲哚同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4＝1；产物生成规则：AN2＝0，A4＝0，A6＝A6+1，R＝R+2，其余结构数量不变；13)咔唑同系物脱氮：反应物选择规则：AN2＝1∧A4>＝2；产物生成规则：AN2＝0，A4＝A4-2，A6＝A6+2，AA＝AA+1，其余结构数量不变；14)不含桥键的呋喃同系物脱氧：反应物选择规则：AO＝1∧A4＝0∧AA＝0；产物生成规则：AO＝0，R＝R+4，me＝0，IH＝1，其余结构数量不变；15)含桥键的呋喃同系物脱氧：反应物选择规则：AO＝1∧A4＝0∧AA>0；产物生成规则：AO＝0，R＝R+4，AA＝AA-1，其余结构数量不变；16)苯并呋喃同系物脱氧：反应物选择规则：AO＝1∧A4＝1；产物生成规则：AO＝0，A4＝0，A6＝A6+1，R＝R+2，其余结构数量不变；17)二苯并呋喃同系物脱氧：反应物选择规则：AO＝1∧A4>＝2；产物生成规则：AO＝0，A6＝A6+2，A4＝A4-2，AA＝AA+1，其余结构数量不变；18)苯酚同系物脱氧：反应物选择规则：RO＝1∧A4＝0；产物生成规则：RO＝0，A6＝A6-1，N6＝N6+1，其余结构数量不变；19)多苯并苯酚同系物脱氧：反应物选择规则：RO＝1∧A4>＝1；产物生成规则：RO＝0，A4＝A4-1，N4＝N4+1，其余结构数量不变；20)羧酸脱二氧化碳：反应物选择规则：KO＝1；产物生成规则：KO＝0，其余结构数量不变；21)芳香烃中A2饱和：反应物选择规则：A2>0；产物生成规则：A2＝A2-1，N2＝N2+1，其余结构数量不变；22)芳香烃中A4饱和：反应物选择规则：A4>0；产物生成规则：A4＝A4-1，N4＝N4+1，其余结构数量不变；23)芳香烃中A6饱和：反应物选择规则：A6>0；产物生成规则：A6＝A6-1，N6＝N6+1，其余结构数量不变；24)烯烃加氢饱和：反应物选择规则：hetero+A6+N6+N5＝0∧IH＝0；产物生成规则：IH＝1，其余结构数量不变；加氢裂化反应规则共30条，具体如下：1)芳香烃侧链断裂：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧R>＝3；产物生成规则：产物1，R1＝R，IH＝1，其余结构数量为0；产物2：R2＝0，br2＝0，me2＝0，其余结构数量不变；2)芳香烃侧链烷基异构化：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧R>＝me+5；产物生成规则：br＝br+(br<floor(R-me)/4)-(br>floor(R-me)/4)，其余结构数量不变；3)不含桥键芳香烃中N1开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧AA＝0∧N1>0；产物生成规则：N1＝N1-1，R＝R+1，me＝me+1，其余结构数量不变；4)含桥键芳香烃中N1开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧A6>1∧AA>0∧N1>0；产物生成规则：N1＝N1-1，R＝R+1，me＝me+1，其余结构数量不变；5)芳香烃中N2开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧N2>0；产物生成规则：N2＝N2-1，R＝R+2，me＝me+2，其余结构数量不变；6)芳香烃中N3开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧N3>0；产物生成规则：N3＝N3-1，R＝R+3，其余结构数量不变；7)芳香烃中N4开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧N4>0；产物生成规则：N4＝N4-1，R＝R+4，其余结构数量不变；8)芳香烃中N5开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧N5>0；产物生成规则：N5＝N5-1，R＝R+5，AA＝AA-1，其余结构数量不变；9)芳香烃中N6开环：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧N6>0；产物生成规则：N6＝N6-1，br＝br+1，R＝R+6，AA＝AA-1，其余结构数量不变；10)芳香烃中A2饱和：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧A2>0；产物生成规则：A2＝A2-1，N2＝N2+1，其余结构数量不变；11)芳香烃中A4饱和：反应物选择规则：hetero＝0∧A6>0∧A4>0；产物生成规则：A4＝A4-1，；N4＝N4+1，其余结构数量不变；12)芳香烃中A6饱和：反应物选择规则：h...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱彤，陈金财，赵劲松，方舟，李斯蒙，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11