第一章 前言
1.1 论文选题的目的和意义
在这种背景下，流程模拟软件成为了炼油厂进行工艺设计、先进过程控制研究、操作优化研究及生产规划设计的必要工具。
由于炼油企业缺少开发以及维护流程模拟软件的技术员工，从流程模拟软件公司购买软件已成为炼油企业的惯例。目前，流程模拟软件采用的数学模型主要分为机理模型与经验模型（“黑箱”模型）。经验模型具有开发周期相对较短的优点。先进控制器(APC)通常基于经验模型设计。但是经验模型只适用于特定的操作范围，且无法体现工业过程的非线性特征。系统的操作条件在大范围内变化时，经验模型无法保证模型的精度。因此，大范围操作优化研究通常采用更可靠的机理模型。在本文中，考虑到反应-再生系统的原料油、反应动力学及系统非线性特征，建立了基于基准假组分的反应-再生系统机理模型。
1.2 本课题相关领域的历史、现状及前沿发展情况
1.2.1 催化裂化装置的发展和现状
自从 1942 年由 ExxonMobil 公司生产的第一台催化裂化装置投入生产，反应-再生系统的改进设计不断延续着。5 年后，UOP 公司推出了结合沉降器汽提段的 FCC装置(图 1-1a)。与 ExxonMobil 公司的催化裂化装置相比，UOP 公司对再生器进行了改进设计，使其体积更小。在 UOP 装置中，气化的原料油带动再生催化剂进入固定床催化裂化反应器，而待生催化剂靠重力作用进入再生器。1952 年，SOD 公司设计了模型Ⅳ(model Ⅳ)，如图 1-1b。该装置采用了小体积的催化裂化反应器与再生器。两个反应器在高压环境下运行，再生催化剂的流量由两器（反应器与再生器）的差压控制，待生催化剂的流量由待生管出口处的曝气变化控制。
提升管反应器由壳牌公司(Shell)在 1957 年首次设计推出。在 1960 年代，Shell公司又陆续推出了用于催化裂化反应的高活性沸石催化剂。此后，所有新型的催化裂化装置均采用了提升管反应器。随着对催化剂的研究逐渐深入，新型的再生器可以使再生催化剂上的焦炭含量低于 0.1wt%。1978 年，UOP 公司设计了带有高效再生器的并列式催化裂化装置。高效再生器包含前置烧焦罐与小直径稀相管。催化剂与燃烧气体通过稀相管进入分离装置。1979 年，ExxonMobil 公司设计推出了灵活并列式催化裂化装置(图 1-1c)。该装置中，提升管反应器与再生器分别处于高低位置[3]。在 20 世纪 80 年代，重质油品轻质化的市场需求带动了催化裂化装置设计的进一步发展。1981 年，Total Petroleum USA 开发了渣油催化裂化装置(R2R)，如图 1-1d。该装置采用了并列式设计框架。再生器由两个再生段组成，无催化剂冷凝装置。此后的设计研究主要集中在渣油催化裂化上。
第二章 基准假组分
催化裂化原料油是由难以胜数的各种烃及非烃化合物组成的复杂混合物。众所周知，对这类原料油建立细致入微的动力学模型的可能性等于零，只能采用近似的方法。集总模型通常根据馏程或结构族划分原料油与油气产物（如 VGO、汽油、柴油等）。这种方法得出的原料油与油气产物的馏程范围是固定不变的。但是，如果为了提高经济效益，炼油厂对产品分布的要求发生变化，以上类型的集总模型将无法再满足实际需求。只能重新建立新的模型，以满足炼油厂提出的新的产品分布。其工作量可想而知。同时，集总模型严重依赖特定的原料油与催化剂。如果实际工业装置更换了原料油或催化剂，集总模型的精度会大幅降低。2007 年，Gupta 等提出了基于假组分的提升管反应模型。该模型包含 50 个馏程连续的假组分，可以根据需要更换切割点。为了在动态仿真中实现对不同原料油切换的操作模拟，本文建立了基准假组分动力学模型。
第三章 催化裂化反—再系统动态机理模型............................... 29-45
3.1 提升管反应器模型............................... 30-35
3.2 沉降器汽提段动态模型 ............................... 35-36
3.3 再生器动态模型............................... 36-42
3.4 催化剂循环模型............................... 42-43
3.5 反应—再生系统模型的求解策略............................... 43-44
3.6 小结............................... 44-45
第四章 仿真结果以及讨论............................... 45-60
4.1 动力学参数估计............................... 45
4.2 提升管模型验证............................... 45-53
4.3 稳定性分析............................... 53-54
4.4 剂油比(CTO)的影响............................... 54-55
4.5 反应—再生系统开环动态模拟............................... 55-59
4.6 小结 ............................... 59-60
第五章 总结与展望............................... 60-61
5.1 工作总结............................... 60
5.2 工作展望............................... 60-61
结论
工作总结如下：
(1) 建立了 FCC 原料油和产品组成表达的基准假组分法。将该表达方法应用于Gupta 等人的裂解动力学模型，得到了一种与原料油性质无关的催化裂解动力学模型；
(2) 根据两相理论（气泡相、乳相）、物料守恒以及能量守恒，建立了包含气相区与固相区的再生器动态模型。建立了沉降器汽提段动态模型以及催化剂循环模型；
(3) 工业验证结果表明本文所建立的提升管反应器模型具有良好的预测能力；稳定性分析表明本文建立的反-再系统具有三个定态，且“着火”定态是稳定的；剂油比对汽油产率、焦炭产率以及提升管反应温度的影响研究表明，以上三个指标随着剂油比增大而升高；动态模拟考察了原料切换操作对整体反-再系统的影响，各重要变量的动态行为符合机理。