外文文獻(xiàn)翻譯

催化裂化反應(yīng)-再生系統(tǒng)的仿真模型Karri Penttila，Pekka Savolainen，Isto Eilos and Pasi HagelbergVTT Chemical technology,P O ox 1404, FIN-02044 VTT，F(xiàn)inlandNeste Engineering Oy,P O Box310,FIN-06101 Porvoo,FinlandCurrent address:Kemira Engineering Oy,P O Box330,FIN-06101 Helsinki,Finland譯者：劉洪剛，長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院摘要 這個仿真模型是對催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)描述。該模型已經(jīng)在位于科技中心的富騰公司二廠試運行。該模型是由兩個同軸反應(yīng)器組成,這樣的設(shè)計使二者的料腿都能擴(kuò)寬成環(huán)形截面。該模型包括所有的循環(huán)流化床系統(tǒng)部分：上升器(提升管)，旋風(fēng)，料腿和催化劑閥門。所有提升管里的物料不管是氣相還是固相都是采用一維連續(xù)性動量守恒方程進(jìn)行模擬的。料腿的下層部分類似于一個固定床模型，而上部分接近流化床模型,旋風(fēng)分離器和閥門模型取決于它們壓降的相關(guān)性。所有的溫度計算都使用一維能量守恒方程解決，包括相鄰管道徑向傳熱。介紹在以前的文章中提出了有關(guān)核心/環(huán)催化裂化反應(yīng)器的仿真模型。這項工作的目的是二廠試點制定一個常規(guī)反應(yīng)器仿真模型，這種新模式旨在模擬NExCC在整個試驗循環(huán)流化床系統(tǒng)中的運行情況，它由七個同軸流通通道組成，分別是兩根提升管，兩個氣旋，兩個料腿，最后一個是產(chǎn)品出口管道，所有這些管道及它們的料腿有環(huán)形截面設(shè)計。設(shè)備測試實驗工廠的相關(guān)測試是在富騰公司進(jìn)行,由一名操作最熟練的高級技工完成，測試結(jié)果顯示其最大的處理能力為1000kg/ h真空油(氣)。此操作單元是由一個全新的催化裂化反應(yīng)模型組成,并由Hiltunen等人于2000年命名為NExCC系統(tǒng)。該項技術(shù)采用多入口旋風(fēng)分離器將反應(yīng)器和再生器中的催化劑與其他氣體分離開來。這種多入口低進(jìn)口低壓降旋風(fēng)分離器在處理催化劑附著物方面有著比其他方案更強(qiáng)的優(yōu)越性。更多氣旋進(jìn)入的設(shè)計致使環(huán)形提升管不僅在反應(yīng)器，還是在再生器方面都處于快速流化床的模式下,氣體接觸時間和催化劑在反應(yīng)器停留時間低于2秒,實現(xiàn)預(yù)期收益率高和低碳烯烴的生產(chǎn)要求。小規(guī)模試運行的結(jié)果進(jìn)一步驗證了該模型不僅在產(chǎn)品收率上的優(yōu)越，而且，還能有效控制催化劑流率的相關(guān)變化。此模型的操作條件及催化劑的循環(huán)量的估算是由Hiltunen等人在2002年率先完成的。動力學(xué)模型簡單的3到5個部件組合成模型,另外給出適當(dāng)?shù)拇呋鸦磻?yīng)的原料油,就能夠?qū)崿F(xiàn)這一過程。在這篇文章中,我們使用了5個部件的反應(yīng)模式(圖1)部件劃分基于物料的碳數(shù)以及其各組分沸點情況催化裂化柴油和汽油和液化石油氣明顯是二階反應(yīng)的產(chǎn)物, 催化裂化的柴油的干燥和成焦，以及液化石油氣的生成都被認(rèn)為是一階反應(yīng)。其反應(yīng)速率模型如下: (1) (2) (3) (4) (5)這里的k是反應(yīng)速率常數(shù),c是摩爾濃度,是衰減函數(shù),反應(yīng)速率常數(shù)k與阿倫尼斯關(guān)系式如下: (6)這里的A是一個正比例系數(shù),E是反應(yīng)活化能,下面是衰減函數(shù)的關(guān)系式: (7)在B的衰變常數(shù)的重量和焦炭在干熄爐催化劑的一小部分。動力學(xué)模型的參數(shù)確定的產(chǎn)量數(shù)據(jù)從實驗室實驗中獲得一種脈沖反應(yīng)堆(Lipiainen等,1999)。表1表明評價因子和激活能量頻率為模型的反應(yīng)。在量綱為1的衰變常數(shù)B數(shù)值為47.0。焦化的相關(guān)運動參數(shù)沒有被這些實驗證實,但是動力學(xué)參數(shù)設(shè)定確保焦炭能夠在再生器和其提升管中完全燃燒成二氧化碳和水，對于滿足生產(chǎn)工藝沒有任何問題。仿真模型 提升管,料腿,旋風(fēng)分離器,催化劑真空閥具有獨立單元劃分模型。 提升管和料腿被分軸向分離成為許多計算單元。所有的計算單元都假設(shè)為理想混合物,變量包括:組分的狀態(tài)如液態(tài)、固態(tài)，溫度、壓力、空隙度。導(dǎo)料管也被分離成為許多計算單元，其變量包括管壁內(nèi)外的溫度，最具代表的反應(yīng)系統(tǒng)，見圖2。水力模型 動力模型是建立在一維連續(xù)性方程和動量守恒方程的氣體和固體階段。作為流動的通道被分成許多計算單元，并通過方程式通過不同的形式進(jìn)行表達(dá)。在下面的方程式中單元指標(biāo)j伴隨著物料的流向而增加。其大量的氣相組分i隨著j的變化如下： (8)這個i組分質(zhì)量平衡的固相組成,我為給出如下: (9)對于這個j組分氣相動量平衡的給出如下: (10)圖2半橫截面的軸對稱反應(yīng)器仿真模型,定義在Excel的用戶界面的幾何數(shù)據(jù)的反應(yīng)器。反應(yīng)的徑向尺寸及規(guī)模大小已確定，編號和灰度的顏色表示模擬絕對壓力流量管道，淺灰色箭頭指示氣體物料、黑羽箭氣油物料。深灰色的方向箭頭指示催化劑流動。右下角顯示相應(yīng)反應(yīng)系統(tǒng)的壓力回路。在j組分的計算單元里固相的動量平衡給出如下: (11)這個速度下的氣、固相j單元中計算如下: （12） （13）這個界面動量傳遞系數(shù)可從以下方程得出。 (14) (15)在一個單一的阻力系數(shù)的變化范圍是: （16）料腿動力模型是很簡單的,上部的料腿可以作為一種流化床和較低的部分作為填料床之間的高度,并給出了一個輸入?yún)?shù)的模型。傳熱模型對于管道計算單元的能量守恒方程與連續(xù)的提升管的動量守恒有著一些相似之處，其能量平衡議程如下： （17）在第一階段的焓變是指相和固態(tài)流動相從前一個操作單元進(jìn)入到當(dāng)前的操作單元，第二階段則是氣相和固態(tài)流動相從當(dāng)前單元到下個個單元，其中的變量已經(jīng)能夠確定下來，第三階段是物料流到當(dāng)前操作單元的總焓變，第四階段熱量從當(dāng)前單元到下一單元轉(zhuǎn)移的總和（見圖3）這個焓的反應(yīng)發(fā)生在操作單元,包括在流動介質(zhì)的焓及單元計算參考狀態(tài)。 （18） 是在298K溫度1個大氣壓條件下組分i的標(biāo)準(zhǔn)焓表示其熱容 對于快速流化床計算整個熱傳遞系數(shù)類似于鼓泡床 （19）從文獻(xiàn)中可找到物料從濃相區(qū)到稀相區(qū)的傳熱系數(shù)圖3中，能量流之所以分開為不同的，是因為每根管道在徑向都能被獨立劃分為許多小單元，它們從物料進(jìn)入到出去的過程中與其它管道里的相關(guān)參數(shù)不相匹配。連續(xù)性方程，動量守恒和能量守恒為每個計算單元組成一個非線性方程，解決了同時使用稀疏擬牛頓解法例行系統(tǒng)的相關(guān)問題。結(jié)果與討論模擬和實測溫度顯示在圖4中，由于溫度變化對于燃燒的再生器是不會出現(xiàn)的，因為它的模擬配置在第一個計算單元中，模擬與實測值相符,發(fā)生的偏差在合理的測量溫度范圍內(nèi)，滿足工藝要求。該裂解反應(yīng)產(chǎn)物的組成概況，并在模擬提升管的出口測量的組成如圖5，干氣模擬分?jǐn)?shù)過高，石油氣分?jǐn)?shù)太低了。這個比率是非常依賴于提升管反應(yīng)器處在較低的溫度，這樣對于測量會更好，但也使焦炭的形成降低了，這將導(dǎo)致目前的仿真模型產(chǎn)生不穩(wěn)定。結(jié)論模擬提升管溫度與實測溫度對應(yīng)相當(dāng)好，但是，對于非線性方程求解的問題，需要尋找由于反應(yīng)器和再生器和高度依賴裂化反應(yīng)溫度穩(wěn)態(tài)能源一體化解決方案。這里的關(guān)鍵因素是焦炭的形成。簡單沿用該單元的熱平衡，如果焦炭的形成程度不夠高，造成在提升管反應(yīng)器的溫度不夠，以致不能促使吸熱裂化反應(yīng)的順利進(jìn)行。注釋A freq factor， k raction rate constantB decay constant drag coefficient M molar weight,kg/ heat capacity,J/mole.K n order of reaction diameter of particle,m molar flow,mole/s hydraulic diameter,m P pressure,kg/() E activation energy,Kj/mole Q heat flow,J/s Darcy friction factor, reaction rate,mole/.s feed rate,mole/s eaction rate,mole/s frictional force per unit volume， particle Reynolds number ， gas： temperature，K gravitational constant,9.81m/ velocity of the gas phase,m/s enthalpy,J/mol velocity of the solid phase,m/s heat transfer coeff,W/m.K mass fraction enthalpy,J/mol height of calculation cell,mGreek Symbols Subscripts interphase momentum transfer cell,cross-section Coefficient,kg/.s feed fraction of wall covered by gas clusters inner surface voidage outer surface viscosity,kg/m.s particle density,kg/ solid decay function wall參考文獻(xiàn)Ancheyta-juarez,j,lopez-Isunza,F,Aguilar-Rdriguez,E,Moreno-Mayorga,J.C,“A strategy for Kinetic Parameter Estimation in the Fluid Catalytic Cracking Process”，Ind.Eng.Chem.Res.36517-5174(1997)Basu,P.and Nag,P.K,”An Investigation into Heat Transfer in CIRCULATING Fluidized beds”,Int.Eilos,I,Hagelberg,P,Haapasaari,K,”Verification of the Modified beds”,Int J.Heat Mass Transfer 30,2399-(1987) Eilos,I,Hagelberg,P,haapasaari,K”Verification of the Modifided Dietz Model for Multi-Entry Cyclone Collection Efficiency”,5th International Conference on Cyclone Technologies,Warwick,UK,(2000)Glicksman,L.R,”Heat Transfer in Circulating Beds”,In”Circulating Fluidized Beds”,Grace,J.R,Avidan,A.A.and Knowlton,T.M,Eds,London,(1997),pp.261-311.Hiltunen,J,Eilos,I.and Niemi,V.M,”Novel short Contact Tim e FCC-NExCC Experience”,Submitted to”Circulating Fluidized Bed Technology ”,Niagara Falls,Canada(2002)Hilutnen,J,Niemi,V.M,Lipiainen,K,Eilos,L,Hagelberg,P,Knuuttila,P,Jaaskelainen,K,Majander,J.and Roppanen,J,”NExCC-Novel Short Contact Time Catalytci Cracking Technology”,Submitted to Fluid Catalytic Cracking-2000-Staate-of-the-Art,ACS.Lipiainen,K,Hagelberg,P,Aittamaa,J,Eilos,IHiltunen,J,Niemi,V.M,Krause,A.o.l,”Novel Equipment for Testing Catalytic Cracking and Catalyst Regeneration with Short Contact Times”,Appl.Catal.A183,411-421(1999)Nace,DM,Voltz,S.E,Weekman,V.W,”Application of a Kinetic Model for Catalytic Cracking.Effecs of Charge Stocks”,Ind.Eng.Chem.Process Des.Des.Dev.10,530-538(1971)Niewland,J.j,Delnoij,E,Kuipers,J.A.M,”An Engineering Model for Dilute Riser Flow”,Powder Technology,90,115-123(1997)Pentt