新型柴油加氢实物仿真装置

王 英

(浙江中控科教仪器设备有限公司，浙江 杭州 310053)

新型柴油加氢实物仿真装置

王 英

(浙江中控科教仪器设备有限公司，浙江 杭州 310053)

阐述柴油加氢实物仿真装置，以工厂真实装置为背景，设备按比例缩小，采用替代物料全流程贯通，采用真实企业的控制系统，实现高校学生及企业人员培训考核的功能。

本文柴油加氢；石油化工；高危行业； 仿真软件

1 背景介绍

近来中国雾霾现象有越发严重的趋势，机动车尾气排放是雾霾的主要元凶之一，随着汽车使用量的增加，汽车尾气对人类的生存和发展构成了严重威胁，为了改善柴油油品质量，减少汽车尾气排放的污染物，提高空气质量，保护汽车发动机，降低燃油消耗，必须对不合格的柴油进行加氢改质处理。因此，各燃料油生产企业增加柴油加氢装置势在必行。但是，石油化工行业具有连续化、大生产、高技术、高危高压等特点，因此在校学生去工厂实习时，从安全角度出发，工厂企业禁止学生对设备进行亲自操作，均为参观性实习。因此，在校学生尤其是毕业生在进行工厂实习时匮乏亲自动手的操作设备的机会，缺乏理论知识和时间结合的操作环节。所以，当学生毕业后到企业参加工作时，熟悉设备需要很长的时间，上手速度慢，这对于企业及个人来讲都是一种浪费。本装置针对这一社会问题进行设计，使学生可以对设备进行现场操作，并且有物料模拟运行。有效的提供了学生及工人岗前操作装置的实践机会。强化了学生的实践操作技能，提高了学生的职业素质和职业能力。

2 工艺原理

2.1 加氢精制反应原理

加氢精制反应是指原料油在催化剂和氢气的氛围下，在一定的温度和压力下进行的一系列化学反应。这些反应过程主要包括：脱除原料油中的氮、硫、氧、非烃类化合物；烯烃和芳烃的加氢饱和反应；开环、断链、缩合、聚合等副反应。加氢精制主要反应类型如下。

2.1.1 加氢脱硫反应

加氢原料油中的硫化物主要有硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩、苯并噻吩等，在加氢精制条件下，这些硫化物分别转化为H2S和相应的烃类，从而被脱除掉。

2.1.2 烃类的加氢反应

在加氢精制条件下，烃类的加氢反应主要是不饱和烃和芳烃的加氢饱和。这些反应对改善油品的质量和性能具有重要意义。例如烯烃，特别是二烯烃的加氢可以提高油品的安定性，芳烃的加氢可以提高柴油的十六烷值。

a.不饱和烃的加氢反应

直馏馏分中一般不含有不饱和烃，但二次加工产品催化柴油、焦化柴油中则含有大量的不饱和烃。这些不饱和烃在加氢精制条件下很容易饱和。代表性反应如下：

b.芳烃的加氢饱和反应

加氢原料油中的芳烃加氢，主要是指稠环芳烃(菲系、萘系)的加氢。

加氢活性：环烯烃>烯烃≥芳烃

多环>双环≥单环

提高反应温度，芳烃加氢转化率下降，提高反应压力，芳烃加氢转化率增大。芳烃加氢是逐环进行的，芳烃第一环的加氢饱和较容易，随着加氢深度的增加，加氢难度逐环增大。

2.2 加氢裂化反应机理

烃类在加氢条件下的反应方向和深度取决于烃的组成、催化剂的性能以及操作条件等因素。在工业加氢裂化过程所采用的条件下，烃的反应遵循以下规律:提高反应温度会加剧C-C键的断裂，即烷烃的加氢裂化、环烷烃断环和烷基芳烃断链。如果反应温度较高而氢分压不高，也会促进C-H键断裂，生成烯烃、氢和芳烃。

提高反应压力，有利于C=C键的饱和，降低压力有利于烷烃进行脱氢反应生成烯烃以及烯烃环化生成芳烃。在压力较低而温度又较高时，还会发生缩合反应直至生成焦炭。在加氢裂化过程中采用双功能催化剂，所以烃类加氢裂化的结果在很大程度上决定于催化剂的加氢活性和酸性活性及它们之间的比例关系。

a烷烃的加氢裂化反应

反应中生成的烯烃先进行异构化随即被加氢成异构烷烃。烷烃加氢裂化反应的通式为：

烷烃加氢裂化的反应速度随着烷烃分子量增大而加快。分子中间的C-C键的分解速度要高于分子链两端C-C键的分解速度，所以烷烃加氢裂化反应主要发生在烷烃链中心部的C-C键上。在加氢裂化条件下烷烃的异构化速度也随分子量的增大而加快。

b环烷烃的加氢裂化反应

单环环烷烃在加氢裂化过程中发生异构化、断环、脱烷基侧链反应，以及不明显的脱氢反应。

环烷烃加氢裂化时反应方向因催化剂的加氢活性和酸性的强弱不同而有区别。长侧链单环环烷烃在高酸性催化剂上进行加氢裂化时，主要发生断链反应，六员环比较稳定，很少发生断环。短侧链单环六员环烷烃在高酸性催化剂上加氢裂化时，直接断环和断链的分解产物很少，主要产物是环戊烷衍生物的分解产物，而这些环戊烷是由环己烷经异构生成的。

双环环烷烃在加氢裂化时，首先发生一个环的异构化生成五员环衍生物而后断环。双环环烷烃是依次开环的，首先是一个环断开并进行异构化，生成环戊烷衍生物，当反应继续进行时，第二个环也发生断裂。

c芳香烃的加氢裂化反应

苯在加氢条件下的反应包括以下过程：苯加氢生成的六员环发生异构化，五员环开环和侧链断开。稠环芳烃加氢裂化也包括以上过程，只是它的加氢和断环是逐次进行的。从热力学角度看，稠环芳烃第一个环加氢较容易，全部芳环加氢很困难。

3 装置组成及设计原理

3.1 装置组成

装置由硬件和软件组成，关系见图1，DCS系统和仿真系统组成，DCS系统采用国内知名品牌浙江中控的产品,是和真实工厂中使用相同的控制系统，通过该控制系统实现对装置的测量、控制和监控功能。仿真软件系统是通过数学模型利用数据运算平台实现物料的属性，仿真系统具有操作能力灵活性、参数更改便捷性及模拟多样性等优点。装置硬件就是实体部分，包含设备、执行机构、现场仪表部分。具体叙述如下：所有设备以工厂主装置为背景，涵盖了工业上常减压装置中的主要塔器、储罐、反应器、机泵、风机等组成。常减压实体仿真装置外部形状和真实工厂中设备外部形状形状大体一样，但是按比例缩小，从整体的布局合理及设备协调为原则，设备的缩小比例不完全相同。执行机构包括气动调节阀、变频泵及电加热管。本装置中使用的气动调节阀选用工业中真实的气动调节阀，因此调节精度、外形及使用要求均和工业标准一致。仪表压缩气源的要求也和炼化企业中的仪表气源要求相一致。检测仪表采用工业用真实现场仪表及远传仪表，使学生认识各种检测仪表，结合执行机构并感知其重要性。现场仪表(包括现场和集中控制仪表)采用和工业上真实的柴油加氢装置的仪表相一致，增加仪表方面的真实性。

装置的软件部分由DCS控制系统和仿真软件组成，DCS控制系统采用真实工业相一致的系统，即可以实时监控网络各节点的运行情况， 操作站实时监控、调整有关配置和某些参数设定，使其运行在最佳状态。还能实现对实训装置的监控数据趋势浏览和报表分析、报警查询等特殊功能。

仿真软件系统由软件操作平台及数学模型组成，针对工业中柴油加氢流程中难以用替代物料模拟部分，从流态平衡的过程，对每一设备进出的物料，严格按照物料平衡和能量平衡的原则进行仿真计算，并输出瞬时结果。为了保证仿真软件模拟工艺操作过程的开、停车、正常运行、负荷调节、工艺参数调节、故障状态操作及控制的高逼真性，仿真设计采用动态模型能反映出系统物料和能量的变化与传递的定量关系；反应工业系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特征、气液平衡特征、流体力学特性等；动态模型反映工业系统的时间常数、惯性、时间滞后、多容高阶段性等特性；动态模型的求解速度达到实时要求、求解精度应满足实验要求。

图1 装置组成

3.2 装置设计原理

在真实的工厂中，实物组成大体可以分为三类，即物料、设备、仪表。设备对物料进行加热、冷却或者物料自身发生化学反应，物料经过装置时使测量仪表(温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表)的数值发生变化，操作者通过现场操作阀门(自动调节阀或者现场手阀)操作改变物料的性质。进而使产品达到预期目的(原理见图2)。所以真实工厂中的危险根源是物料，仪表对物料性质进行检测，通过信号转换后在仪表上显示数值。所以只要有信号源，测量仪表上均可以显示出数值。因此，我们利用替代物料及仿真软件代替真实物料，通过替代物料及仿真软件运行提供给测量仪表的信号源，并且通过DCS中央集控系统处理后，使操作者对设备的操作可能会引起测量仪表的数值变化，并且仪表的显示数值和真实企业中的运行参数基本吻合，再有，此装置中主体运行替代物料，能给操作者真实的感觉和视觉体验，增加装置运行的工厂化和真实性。(原理见图3)。

图2 工厂中参数关系

图3 仿真装置中参数关系

从图3可以看出，替代物料和仿真软件承担起真实物料的作用，学生在工厂中实习最重要的环节是现场操作部分，前已述及真实的化工厂是禁止学生操作的，而当我们利用替代物料和仿真软件时可以真实的对现场设备进行操作，现场操作包含对现场操作手阀、自动调节阀(气动调节阀)、加热功率等。现场的操作反馈回仪表，进而仪表显示数值发生变化。

4 装置特点

装置设计是以工业上真实的原油常减压生产装置为原型，按一定比例比例缩小而制成。在设计时应充分考虑了装置的安全性、实用性、经济性。具体特点为：

4.1 操作对象真实化

装置以工厂真实装置为背景，全程采用替代物料运行，装置操作过程完全真实，真实体现柴油加氢企业工厂中的操作过程，操作岗位分工和真实企业一致，具体分为内操和外操，操作过程和工业现场一致。

4.2 对象背景工厂化

以柴油加氢装置对象背景，以主物料工艺流程为基础，可整体或单元运行。并结合职业教育的教学大纲要求，设计一定量的可视设备，以便设备解剖、认识掌握设备内部结构，全流程替代物料，增强现场实物感，避免一线生产过程中存在的安全隐患。同时，设备、仪表等选用要求多元化形式。装置中适量的采用工厂中真实使用仪表、阀门，使学生认识各种显示仪表，学会使用调节器并感知其重要性，可允许学生对仪表、阀门等进行仿真随意性调节。

4.3 DCS控制系统工业化

采用真实工业上标准的DCS控制系统，配备标准工业柜机，可进行DCS组态与控制实验，具有系统信号连锁保护功能，当工艺设备出现超压、超温等异常状态时，系统可及时报警并自动安全停车，对温度、压力、流量等参数进行控制。

调节阀选用工业上的标准气动调节阀，系统对仪表测量信号进行处理，DCS仪表上显示数据和工业装置的柴油加氢装置真实操作数据基本相符。装置可以进行手动控制和自动控制，实时显示过程数据，有工控柜，接入DCS系统，进行DCS控制。

4.4 考核系统公平透明化

装置配有评分说明及自动评分系统，整体装置对操作者的操作步骤、控制精度、故障处理等全过程进行自动评分(其中手阀带有阀位信号反馈器，操作者的对手动阀门的操作及时反馈至DCS系统)。保证考核过程的公正、公平、合理性。

4.5 教学目的广泛性

设计时应充分考虑化工类专业、机械类专业、仪表及自动化专业的特点，选型时要求同类设备多样化，并兼顾设备的经典性和先进性。

5 束语

本装置以工厂真实柴油加氢装置为背景，结合实际工厂的工艺参数设计和工厂控制系统，达到高校在校学生实习需求，石油化工企业新员工入职培训及老员工技能考核的目的。

(本文文献格式：王 英 .新型柴油加氢实物仿真装置[J].山东化工，2016，45(04)：108-110.)

Advanced Physical Simulation Device of Diesel Oil Hydrogenation

Wang Ying

(Zhejiang SUPCON Scientific Instrument and Equipment Limited Company,Hangzhou 310053,China)

The physical simulation device for diesel oil hydrogenation is described in this paper,equipment scaling down to plant the real device as the background, alternative materials through the whole process ,Control system using real enterprise,to realization function of college students and enterprise personnel training and assessment.

diesel oil hydrogenation；petroleum and chemical industry；high risk industry；simulation software

2016-01-14

王 英(1978—)，女，辽宁康平人，工艺设计工程师，硕士学位，从事教学产品的研发设计

TE626.24;TP391.9

A

1008-021X(2016)04-0108-03