基于CAPE-OPEN標準的硫酸法烷基化反應器建模及全流程模擬

梁元強，歐陽福生，張振遠，陳玉石，錢學勤，李金方

(1.華東理工大學化工學院石油加工研究所，上海 200237；2.石化盈科信息技術有限責任公司；3.中國石化揚子石油化工有限公司)

烷基化油具有高辛烷值、低蒸氣壓、低硫、低烯烴、低芳烴等優(yōu)點，是優(yōu)良的清潔汽油調(diào)合組分。烷基化工藝按照催化劑種類不同分為硫酸法、氫氟酸法、離子液體法和固體酸法[1]，我國應用較多的是硫酸法烷基化工藝[2]。具有代表性的硫酸法烷基化工藝有DuPont(杜邦)公司的Stratco工藝、Lummus(魯姆斯)公司的CDAlky工藝和中國石油化工股份有限公司的SINOALKY工藝。隨著環(huán)保法規(guī)日趨嚴格，烷基化油的生產(chǎn)也日益被石油煉制企業(yè)所重視，這對借助于化工流程模擬軟件的烷基化全流程模擬的工藝優(yōu)化和節(jié)能降耗提出了新的要求。

化工流程模擬軟件[3]興起于20世紀80年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其功能不斷完善、應用范圍日益廣泛，但模擬軟件之間相互獨立，缺乏兼容性和互操作性，無法滿足用戶多方面的需求。為解決這一難題，歐洲委員會于1997年發(fā)起CAPE-OPEN項目，該項目受到了石化生產(chǎn)企業(yè)(BP，DuPont，Dow，BASF等)、軟件供應商(Honeywell、Aspentech等)以及教育科研機構(NTNU、INPT等)的支持[4]。CAPE-OPEN的全稱是下一代過程工程輔助計算的開放模擬環(huán)境，主要目的是開發(fā)、測試、描述及公布一個過程建模組件開放式標準的規(guī)范，使化工流程模擬軟件間可相互兼容和交互，實現(xiàn)過程建模組件接口的標準化[5]。為了使單元操作模塊不受模擬平臺及編譯語言的限制，CAPE-OPEN中定義的標準化接口采用COM/CORBA技術[6]，將開發(fā)代碼封裝成二進制的形式以實現(xiàn)與各種化工流程模擬軟件及其他組件的集成。趙曉銳等[4]將對二甲苯氧化反應的機理模型封裝于符合CAPE-OPEN標準的反應器模塊中，并模擬了對苯二甲酸精制工藝全流程；周小波等[7]基于CAPE-OPEN標準開發(fā)固定床反應器，并使其在草酸二甲酯和甲醇的合成流程中得到工程化應用；劉博謙[8]將各類反應器的數(shù)學模型與CAPE-OPEN標準相結(jié)合，開發(fā)了7個典型反應器模塊：平衡反應器、吉布斯自由能反應器、化學計量反應器、收率反應器、三率法反應器、連續(xù)攪拌釜式反應器和平推流反應器。目前，未見CAPE-OPEN標準用于硫酸法烷基化反應器模塊開發(fā)的報道。

本研究以硫酸法烷基化工藝為基礎，在本課題組辛志成等[9]開發(fā)的20集總烷基化反應動力學模型基礎上，基于CAPE-OPEN標準采用C++和COM技術開發(fā)硫酸法烷基化反應器模塊，添加用于接收與傳遞化工流程模擬軟件(Aspen Plus)流股對象的進出料端口和用于進行靈敏度分析的操作變量，并使模塊具有易操作性及可視化，以實現(xiàn)對硫酸法烷基化工藝的模擬和優(yōu)化。

1 硫酸法烷基化反應動力學模型簡介

硫酸法烷基化工藝機理模型的建立以DuPont(杜邦)公司的Stratco工藝為基礎，該工藝分為4部分：原料預處理、烷基化反應、脫丙烷和制冷循環(huán)、流出物精制和產(chǎn)品分餾。其中，臥式U形管流出物制冷反應器是整個工藝的核心部分，該反應器的結(jié)構如圖1所示。

圖1 Stratco反應器結(jié)構[1]1—冷劑進口； 2—冷劑出口； 3—混合物至酸沉降槽； 4—反應器殼體； 5—套筒； 6—U形管束； 7—酸進料口； 8—烴進料口； 9—葉輪； 10—水壓頭； 11—電動機

烷基化反應的原料是異丁烷和丁烯，丁烯包括1-丁烯、2-丁烯和異丁烯。異丁烷和丁烯在濃硫酸催化劑的作用下發(fā)生加成反應。該反應遵循正碳離子-鏈式反應機理，該機理由Schmerling[10-11]提出，后經(jīng)Albright[12-13]，Kramer[14]，Hofmann[15-16]等改進?；谠摲磻獧C理，本課題組辛志成等[9]建立了如圖2所示的20集總反應網(wǎng)絡，并基于反應器中流體流動狀態(tài)和反應器結(jié)構，將Stratco反應器簡化為帶循環(huán)的活塞流反應器，建立了可靠性良好的烷基化反應動力學模型。本研究工作將在此機理模型的基礎上進行。

圖2 烷基化反應網(wǎng)絡TMP—三甲基戊烷； DMH—二甲基己烷

2 CAPE-OPEN模塊的開發(fā)及實現(xiàn)

一個完整的單元操作模塊需具備進料物流的獲取、出料物流的設置、單元操作模塊模型參數(shù)的計算以及可操作的用戶界面等要素?；贑APE-OPEN標準的硫酸法烷基化反應器模塊的開發(fā)采用Windows 10操作系統(tǒng)，編譯環(huán)境采用Visual Studio 2010，采用C++語言進行編程，模塊主要對3個部分進行實現(xiàn)：CAPE-OPEN接口、數(shù)值求解和圖形用戶界面。

CAPE-OPEN接口部分負責所創(chuàng)建的單元操作模塊與支持CAPE-OPEN標準的化工流程模擬軟件間的交互及兼容，硫酸法烷基化反應器需要用到單元操作接口和熱力學物性接口；數(shù)值求解部分主要包含多元常微分方程組的求解和代數(shù)方程的計算；圖形用戶界面負責對反應器圖形及輸入輸出數(shù)據(jù)的集中展示，提供給操作人員更友好的用戶界面和更便捷的操作方式。

硫酸法烷基化反應器模塊可嵌入到化工流程模擬軟件中運行，通過進料流股的輸入數(shù)據(jù)及從用戶界面輸入的反應器操作數(shù)據(jù)對烷基化反應過程進行計算，并將反應器出口的結(jié)果以物流形式反饋給模擬軟件，借此實現(xiàn)在模擬軟件中的全流程模擬。

2.1 CAPE-OPEN接口

化工流程模擬軟件由多個二進制組件構成，組件間通過定義的接口進行通信。而CAPE-OPEN接口可認為是組件之間進行信息交流的端口，各組件只有通過接口的翻譯才可將其內(nèi)部的信息向外傳遞。模擬軟件中單元操作模塊與其他組件的關系如圖3所示，其中，“外部單元操作”為基于CAPE-OPEN標準建立的單元操作模塊，其包括單元操作接口、熱力學物性接口和數(shù)值計算接口等多種接口，本研究所建立的烷基化反應器模塊主要涉及單元操作接口和熱力學物性接口。

圖3 單元操作模塊與其他組件關系T—熱力學物性接口； U—單元操作接口； N—數(shù)值計算接口

基于CAPE-OPEN標準所建立的反應器單元操作模塊與其他組件的交互關系見圖4。CAPE-OPEN結(jié)構分為3部分：左上角的模擬執(zhí)行環(huán)境、處于框圖下部的單元操作模塊以及右上角與二者相關聯(lián)的熱力學物性計算包。單元操作模塊通過熱力學物流對象接口(ICapeThermoMaterialObject)與熱力學物性計算包建立聯(lián)系，并通過熱力學物性接口進行熱力學和物性的相關計算。各組件對象均支持由COM標準預定義的IDispatch及IUnknown接口。

圖4 反應器單元操作模塊與其他組件的接口關系

硫酸法烷基化反應器單元包含8個基本接口[17-20]，其名稱和功能詳見表1。

表1 單元操作模塊所涉及的關鍵接口名稱和功能

單元操作模塊的主要作用是模塊初始化、核對和計算，與此同時還需實現(xiàn)用于各模塊間連接與傳輸數(shù)據(jù)的功能。在單元操作模塊進行計算前，首先需通過進料端口接收來自流程模擬環(huán)境的流股數(shù)據(jù)，經(jīng)模型內(nèi)部計算求解后，將計算結(jié)果賦給出料端口。硫酸法烷基化反應器基于上述接口可實現(xiàn)進料與出料的映射關系。

此外，單元操作模塊還包含了一組模型參數(shù)，代表了模型內(nèi)部需用到的單元裝置的操作參數(shù)。硫酸法烷基化反應器單元所包含的參數(shù)有：操作參數(shù)(硫酸濃度、酸烴比、反應溫度)、動力學參數(shù)。

目前，熱力學物性計算模塊的接口標準分為CAPE-OPEN 1.0和CAPE-OPEN 1.1兩個版本，本研究采用較為穩(wěn)定的1.0接口標準，其包含4個接口[21]，各接口的詳細功能見表2。

2.2 數(shù)值求解

將硫酸法烷基化的機理模型封裝于符合CAPE-OPEN標準的反應器模塊中，然后可以對機理模型進行數(shù)值求解。數(shù)值求解包含多元常微分方程組和代數(shù)方程的求解。硫酸法烷基化反應器中涉及反應動力學的計算以及反應速率常數(shù)的校正。反應動力學的計算主要根據(jù)進料組成及用戶界面的輸入數(shù)據(jù)，利用Gear算法[22]對烷基化反應網(wǎng)絡及反應器型式所聯(lián)立的微分方程組進行求解。反應速率常數(shù)的校正需根據(jù)輸入的進出料組成和操作條件，利用最小二乘法來求取校正因子以校正反應速率常數(shù)，以便該烷基化反應器能夠適用于同類裝置的模擬。

2.3 用戶界面

用戶界面是指對軟件進行人機交互、操作邏輯、界面美觀的整體設計。CAPE-OPEN烷基化反應器的用戶界面包括操作參數(shù)設置、校正因子展示、反應器結(jié)果、反應速率常數(shù)校正和求解器等界面，如圖5所示。操作參數(shù)設置界面主要是設置反應器的操作條件及展示反應器圖形；校正因子展示界面用于展示反應速率常數(shù)的校正系數(shù)；反應器結(jié)果界面用于查看物流的進出料組成及條件等數(shù)據(jù)；校正界面用于對烷基化反應速率參數(shù)的校正；求解器界面用于設置收斂及迭代次數(shù)。

將通過上述工作開發(fā)的硫酸法烷基化反應器模塊內(nèi)嵌到Aspen Plus中作為單元操作模塊，接下來即可開展烷基化工藝的流程模擬。

3 模擬示例

3.1 模擬環(huán)境兼容性

硫酸法烷基化反應器是遵循Co-LaN的CAPE-OPEN標準，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，經(jīng)C++編譯后生成的動態(tài)鏈接庫文件(.dll)。將模型信息封裝進模塊中，并通過相應接口即可在化工流程模擬軟件中實現(xiàn)對符合CAPE-OPEN標準的硫酸法烷基化反應器的兼容。在Aspen Plus的Manage Libraries選項中選中CAPE-OPEN模型庫支持，然后再從CAPE-OPEN模型庫選項卡中選取“烷基化反應器”，即可在Aspen Plus中對烷基化反應器模塊進行調(diào)用。

3.2 烷基化工藝的流程模擬

為測試所建立的CAPE-OPEN反應器模塊的功能及反應動力學模型的準確性，本研究對某300 kt/a硫酸法烷基化裝置進行了全流程模擬。該烷基化裝置工藝流程示意見圖6，圖中ALK單元操作模塊即是基于CAPE-OPEN標準所創(chuàng)建的烷基化反應器模塊，其余單元操作模塊采用Aspen Plus模擬軟件自身的單元操作模塊。

圖6 硫酸法烷基化工藝流程示意

首先設定烷基化反應中所涉及的物質(zhì)并采用Aspen Plus中的熱力學物性計算方法RK-SOAVE，所涉及的物質(zhì)及反應見圖2；然后對進料進行設置，烷基化原料流量32 100 kg/h，進料溫度80 ℃，進料壓力1.8 MPa，進料組成見表3；最后對常規(guī)單元操作模塊和烷基化反應器的操作變量進行設置，其中，操作變量包括硫酸濃度、酸烴比、反應溫度，而脫輕烴塔(C101)、脫異丁烷塔(C201)和脫正丁烷塔(C202)的模擬條件見表4(對進料、操作變量的設置參考了本模擬工業(yè)裝置的實際情況)。

表3 原料組成 w，%

表4 脫輕烴塔、脫異丁烷塔和脫正丁烷塔的模擬條件

按上述步驟完成烷基化工藝流程的搭建后，對烷基化工藝進行了全流程模擬，結(jié)果見表5。由表5可以看出，主要物流的模擬結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)吻合較好，表明所建立的CAPE-OPEN烷基化反應器可較好地模擬烷基化反應的實際情況，對烷基化裝置下一步的操作優(yōu)化具有重要的指導作用。

表5 主要物流模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)以硫酸法烷基化反應器機理模型為基礎，遵循CAPE-OPEN標準并采用C++和COM技術開發(fā)了烷基化反應器模塊，該模塊以動態(tài)鏈接庫文件的形式對模型的動力學方程和動力學參數(shù)進行了封裝，對機理模型起到了保護作用。

(2)所開發(fā)的硫酸法烷基化反應器模塊內(nèi)嵌于Aspen Plus中，通過開發(fā)易操作及可視化的用戶界面可實現(xiàn)硫酸法烷基化工藝的全流程模擬。

(3)全流程模擬的計算結(jié)果與實際值吻合良好，為基于CAPE-OPEN標準的烷基化反應器模塊用于指導硫酸法烷基化裝置的模擬優(yōu)化提供了實例論證。