基于反应热严格计算的加氢裂化反应器建模

李圣淋，李国庆，王 艳，蔡楚轩

(华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州 510640)

加氢裂化(Hydrocracking)是石油馏分烃分子在较高反应温度和压力下，在催化剂表面进行裂解和加氢反应，生成较小烃分子的转化过程[1]。由于该技术具有原料适应性强、产品清洁等优点，正成为油品质量升级和原油高效加工的关键技术之一[2]。加氢裂化原则流程如图1所示。

图1 石油馏分加氢裂化装置原则流程示意图Fig.1 Diagram of petroleum fraction hydrocracking unit

由图1可知：升压、混氢后的原料被加热炉加热到一定温度后进反应器(根据需要可设置1个或者多个反应器，每个反应器设置多个床层)，反应产物从底部排出，经与原料换热降温后送油-气分离单元，分离出循环氢，再送分馏系统，经蒸馏和吸收稳定等工艺，得到干气、液化气(Liquefied petroleum gas,LPG)、轻石脑油、重石脑油、航煤、柴油和尾油。显然，全流程中反应器最为关键，必须正确建模其内部反应机理[3]。

石油馏分高度复杂，长期以来多沿用集总理论(Lump theory)进行机理研究。所谓集总就是将无法描述其分子组成的复杂反应体系，按约定规则，将其反应动力学特征相近的组分划分成一个个性质可描述的虚拟组分即集总(Lump)，使原本不可描述的反应体系近似抽象成可描述体系，从而使定量研究成为可能[4]。

石油馏分加氢裂化集总建模大致经历了宽集总和窄集总2个阶段。宽集总研究始于1939年，Qader和Hill[5]将反应体系分成原料(≥350 ℃馏分)和产物(<350 ℃馏分)2个集总。此后，Yui等[6]建立了重瓦斯油(Heavy gas oil,HGO)转化为轻瓦斯油(Light gas oil,LGO)和石脑油(Naphtha)的三集总模型，气体被归入石脑油集总。Sadighi等[7]则将原料蜡油和尾油划为1个集总，裂化生成的馏分油、石脑油和气体各划为1个集总，并首次考虑了耗氢，这便是有名的四集总模型。在其后的研究中[8]，进一步将馏分油和石脑油集总细分为柴油、煤油、重石脑油和轻石脑油，建立了六集总模型，计算表明六集总模型的产品误差在可接受范围。可见，宽集总模型仅依据原料和产品方案划分集总，故不适于产品改变的工况，局限性较大。

窄集总按反应体系某连续性质的分布划分反应体系。在石油馏分加氢裂化研究领域，最负盛名的窄集总模型是Chevron模型[9]。……