信息技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)裝置的流程模擬

孫陽

[摘 要]隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各國對(duì)原油，特別是輕質(zhì)油品的需求呈現(xiàn)持續(xù)上升的狀態(tài)。由于當(dāng)前世界原油儲(chǔ)量中，重質(zhì)且含硫原油越來越多，但直接使用質(zhì)量低劣的石油產(chǎn)品會(huì)造成十分嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，如何增加重油（蠟油等）加工深度成為各煉油廠的主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)之一。同時(shí)，生產(chǎn)裝置都具有大型化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，企業(yè)在生產(chǎn)過程中，不能隨意改變操作條件，這就體現(xiàn)了采用信息技術(shù)模擬生產(chǎn)裝置的必要性。本文以加氫裂化裝置為例，研究如何利用當(dāng)前的信息技術(shù)模擬該裝置流程，以用于日常調(diào)節(jié)裝置生產(chǎn)工藝情況，還可應(yīng)用于員工編寫裝置開停車方案、研究油品控制方案及工藝優(yōu)化等。

[關(guān)鍵詞]信息技術(shù)；模擬；工藝優(yōu)化；節(jié)能降耗

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.04.016

[中圖分類號(hào)]F270.7；TQ019 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）04-00-02

1 研究背景

人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步，使石油成為推動(dòng)人類發(fā)展的能源之一，更是在不斷地沖擊著國內(nèi)外的資源市場(chǎng)。正是由于現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)對(duì)石油的關(guān)注度增大，導(dǎo)致石油具有超越普通商品的特殊性。據(jù)美國能源部預(yù)測(cè)，今后的20年能夠增加石油供應(yīng)的主要是OPEC（石油輸出國組織）成員國，大致可能從2010的22.05億噸增長(zhǎng)到2020年的30.97億噸。通過查閱文獻(xiàn)可知，我國對(duì)燃料油、中間餾分油（柴油和噴氣燃料）、汽油消費(fèi)總量的需求量還會(huì)增大，但柴油的增長(zhǎng)速度會(huì)低于對(duì)汽油的需求。

綜上所述，未來汽、柴油的需求量會(huì)繼續(xù)加大，因此，如何根據(jù)市場(chǎng)形勢(shì)調(diào)整企業(yè)工藝流程方案，是未來的重要工作之一。對(duì)重油進(jìn)行深度加工的過程中，加氫裂化裝置的原理是將原料在高溫、高壓且臨氫的條件下，使用雙功能催化劑進(jìn)行加氫、脫硫、脫氮等反應(yīng)的一種催化轉(zhuǎn)化過程。通過加氫裂化過程，可以生成品種多、質(zhì)量相對(duì)較好的產(chǎn)品，像輕石腦油、尾油等優(yōu)質(zhì)的石油化工原料，也可以是加氫裂化的產(chǎn)品。除此之外，加氫裂化還具有液體產(chǎn)品收率高、生產(chǎn)靈活性高等特點(diǎn)，這種優(yōu)勢(shì)更是任何煉油工藝無法取代的。因此，本文以加氫裂化裝置為例，引用流程模擬的信息技術(shù)，對(duì)該裝置進(jìn)行工藝流程模擬，從而指導(dǎo)裝置的生產(chǎn)，優(yōu)化裝置生產(chǎn)工藝。

2 流程模擬技術(shù)

2.1 流程模擬技術(shù)介紹

流程模擬主要是一種工藝設(shè)計(jì)的軟件，在設(shè)計(jì)中需要計(jì)算機(jī)的輔助，這類型軟件可以通過輸入一系列有關(guān)工藝流程的信息，得出相應(yīng)的產(chǎn)物數(shù)據(jù)，主要是用于工藝的過程設(shè)計(jì)及開發(fā)計(jì)算。這種模擬，以工藝的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)等方法，進(jìn)行工藝計(jì)算及能量分析。

應(yīng)用流程模擬，可以大量節(jié)省為了找到最佳工藝條件而消耗的時(shí)間及人力資源，一旦將工藝過程模擬出來后，可以從整個(gè)裝置的角度認(rèn)識(shí)、分析生產(chǎn)中的各類型問題，對(duì)于裝置的優(yōu)化、流程的變更都具有重要作用。

2.2 流程模擬軟件的進(jìn)展

流程模擬是20世紀(jì)50年代末期開始發(fā)展起來的，經(jīng)過一系列的變革，目前國內(nèi)外主要的模擬軟件有美國公司研發(fā)的PRO/II、Aspen Plus和Hysys，英國KBC的Petro-SIM，青島化工學(xué)院研發(fā)的國內(nèi)唯一一套完整的模擬軟件ECSS系統(tǒng)等。流程模擬充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與化工的融合。

通過對(duì)比分析，各流程模擬軟件相關(guān)特點(diǎn)，見表1。

2.3 本文的研究?jī)?nèi)容

本文以150萬噸/年加氫裂化裝置為案例，應(yīng)用化工流程模擬軟件Petro-SIM，對(duì)加氫裂化裝置建立模擬模型。通過模擬模型，找出最佳的生產(chǎn)方案。在此基礎(chǔ)上，還可以將模擬結(jié)果應(yīng)用在開車方案的研究、工藝過程的變更、裝置的改造等方面，從而最大限度地降低工業(yè)流程變更所需要的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，還可以用于員工的日常裝置培訓(xùn)。

3 流程模擬過程

3.1 加氫裂化工藝流程的特點(diǎn)

裝置特點(diǎn)：反應(yīng)部分采用爐前混氫流程。采用熱高分流程，主要是為了降低能耗，節(jié)省換熱面積。分餾設(shè)置脫氣塔，采用分餾進(jìn)料加熱爐和常壓塔出柴油方案。

3.2 流程模擬過程

3.2.1 模擬中物性方法的選擇

加氫裂化工藝的原料和產(chǎn)品一般主要為烷烴、環(huán)烷烴、芳烴和少量雜環(huán)的硫化物和氮化物，因此，可以視為非極性或弱極性物質(zhì)，且該裝置壓力變化較大、富含氫氣，故采用Grayson物性方法。具體的物性方法選擇可以通過查閱化工熱力學(xué)手冊(cè)和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)文獻(xiàn)得出。

3.2.2 模擬中虛擬組分的生成

加氫裂化裝置可加工一種或多種的原料油，然而各原料油餾分的寬窄不等，組成也不同，不能籠統(tǒng)地用簡(jiǎn)單的形式進(jìn)行描述。因此，在20世紀(jì)30年代，Katz和Brown提出了“虛擬組分”的概念，將石油餾分的組成表示為一個(gè)蒸餾曲線，可以被看作是有限數(shù)目經(jīng)過精確切割的窄餾分混合物，并將每一個(gè)窄餾分作為一個(gè)純組分處理。

在本文模擬中，利用Petro-SIM將加氫裂化原料切割為106個(gè)虛擬組分，其中氣體組分從H2到C5，大于C5的餾程組分采用虛擬組分。

3.2.3 模擬中熱力學(xué)模型的選擇

流程模擬中單元操作模型都需要熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算，影響因素主要有逸度系數(shù)、相平衡常數(shù)、熵、擴(kuò)散系數(shù)以及表現(xiàn)張力等。

本次模擬的熱力學(xué)模型根據(jù)文獻(xiàn)所查熱力學(xué)模型決策樹選用Peng Robinson。

3.2.4 流程模擬結(jié)果

模型的建立過程如下。

第一，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。流程模擬需要裝置PFD流程圖，裝置標(biāo)定報(bào)告，裝置的操作參數(shù)，催化劑裝填表，裝置設(shè)計(jì)的SOR、EOR。

第二，建立物料平衡，計(jì)算裝置的原料、產(chǎn)品。

第三，建立模型。選取Petro-SIM中的加氫裂化模塊，其中包括反應(yīng)器、加熱爐、汽提塔、分餾塔等子模塊。模型收斂后，需要檢查模型和校正模型，在建模過程中一般會(huì)遇到一系列的問題，例如：物料平衡有問題，數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，單位輸入錯(cuò)誤，物料性質(zhì)不符合常規(guī)，反應(yīng)器參數(shù)、催化劑參數(shù)、循環(huán)氫流量等出現(xiàn)錯(cuò)誤，這都可能導(dǎo)致模型不收斂，因此需要耐心地檢查，直到將錯(cuò)誤排除。

物料平衡一般會(huì)存在誤差，模型會(huì)通過建立氫平衡、硫平衡和氮平衡，驗(yàn)證和調(diào)整物料平衡，使物料平衡更準(zhǔn)確。具體分餾系統(tǒng)模擬模型如圖1所示。

4 模擬優(yōu)化結(jié)果

過去國家為了滿足市場(chǎng)需求，國內(nèi)的大部分煉廠都在追求高的汽柴比，隨著當(dāng)前國際市場(chǎng)的變化，目前成品油的需求市場(chǎng)主要有汽車帶動(dòng)，因此不再需要多產(chǎn)柴油組分，且此市場(chǎng)在短期內(nèi)不會(huì)有大幅度的變化。

為了增產(chǎn)石腦油和航煤，減少柴油產(chǎn)量，實(shí)際操作中可以降低分餾塔柴油抽出溫度，減少柴油抽出量，增大塔底尾油循環(huán)量實(shí)現(xiàn)。模型中可以通過降低分餾塔柴油和循環(huán)油的切割點(diǎn)，增大塔底尾油循環(huán)量實(shí)現(xiàn)。模型中，柴油和尾油的切割點(diǎn)從382 ℃降到350 ℃，尾油循環(huán)量從76 噸/小時(shí)增加到110噸/小時(shí)。根據(jù)模型模擬的情況，以加氫裂化裝置某一工況和降低柴油和尾油切割點(diǎn)方案的收率進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行年化效益計(jì)算，可以算出航煤收率增加6.83%，石腦油增加1.81%，柴油收率降低約9.38%，真正降低了全公司的柴汽比，有益于當(dāng)前企業(yè)的運(yùn)行。

5 結(jié) 語

通過信息技術(shù)模擬生產(chǎn)裝置，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)企業(yè)裝置的運(yùn)行情況，有效地根據(jù)市場(chǎng)形勢(shì)對(duì)工藝流程進(jìn)行部分調(diào)整，真正地將信息領(lǐng)域應(yīng)用在石油煉制的工藝生產(chǎn)中，這也是未來“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢(shì)之一。

主要參考文獻(xiàn)

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