李宗雯，程 明

（南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，南京 210009）

0 引言

在現(xiàn)代煉油工業(yè)中，由于原油品種的深度挖掘與多樣化，使得當(dāng)前石油石化企業(yè)原油加工品種日趨多樣化、劣質(zhì)化和重質(zhì)化。但隨著環(huán)境問題的不斷惡化，環(huán)保越來越成為人們關(guān)注的社會問題，人們對環(huán)境的要求不斷提高，尤其對石油類產(chǎn)品的綠色性能提出越來越高的要求[1]，而加氫裂化技術(shù)作為裂解重油生產(chǎn)輕型石油制品的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為最重要的煉油工藝之一。A s p e n Plus化工過程模擬軟件在近幾年開始飛速發(fā)展，目前已經(jīng)運(yùn)用在低壓內(nèi)循環(huán)空分工藝的分析[2]，模擬甲烷、二氧化碳制合成氣反應(yīng)[3]，模擬熱鉀堿脫碳過程[4]，Texaco氣化爐的性能[5]，固定床高溫煤氣化進(jìn)行了模擬[6]等各個(gè)領(lǐng)域的建模研究工作中。本文將介紹運(yùn)用ASPEN PLUS流程模擬軟件搭建了加氫裂化分餾塔的模型，根據(jù)裝置的運(yùn)行情況和市場石油產(chǎn)品的需求方向，結(jié)合模型優(yōu)化分析的結(jié)果，確定優(yōu)化方案，達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)效益最大化的目的。

圖1 分餾部分工藝流程圖

1 加氫裂化分餾塔的生產(chǎn)工藝

分餾部分的核心設(shè)備是塔，根據(jù)產(chǎn)品品種要求，可以有汽提塔或穩(wěn)定塔或脫丁烷塔、常壓分餾塔和減壓分餾塔。其他主要設(shè)備有加熱爐、換熱器、冷凝冷卻器，冷、熱油泵等。分餾部分的流程圖如圖1所示。

圖1中，硫化氫汽提塔（C53201）設(shè)有26 層塔盤，進(jìn)料油進(jìn)入脫硫化氫汽提塔的第20 層塔盤,塔底用過熱蒸汽汽提。塔頂油氣經(jīng)冷卻后進(jìn)行氣液分離，回流罐頂部閃蒸出的含硫氣體送出裝置去干氣脫硫，中部的油一部分作為塔頂回流，另一部分作粗液化氣送出裝置。硫化氫汽提塔底油進(jìn)入分餾塔進(jìn)料加熱爐加熱到后進(jìn)主分餾塔(C53202)第8 層塔盤，主分餾塔設(shè)有49 層塔盤，塔底采用過熱蒸汽汽提。分餾塔設(shè)兩個(gè)側(cè)線塔，分別為重石腦油汽提塔和柴油汽提塔。

分餾塔的中段循環(huán)回流從塔的第19層塔盤由中段回流泵抽出，經(jīng)中段回流冷卻后返回第22 層塔盤下方，重石腦油餾分油從分餾塔側(cè)線的第39層塔盤抽出自流至重石腦油汽提塔，柴油餾分油從分餾塔側(cè)線的第19 層塔盤抽出自流至柴油汽提塔。

2 分餾塔的流程模擬

流程模擬的搭建建立在以下假設(shè)條件：

1）為了避免上游操作不同或者原油性質(zhì)不同造成進(jìn)料變化，而導(dǎo)致進(jìn)料的輸入?yún)?shù)不定，模擬時(shí)的進(jìn)料是以中壓加氫裂化裝置各產(chǎn)品混合物參數(shù)作為模擬的初始進(jìn)料。

2）由于無法得到進(jìn)料中各餾分的硫含量數(shù)據(jù)，故假設(shè)進(jìn)料中的硫全部以H2S的形式存在。

簡化換熱器模塊，側(cè)線塔再沸器的熱負(fù)荷通過熱流體單獨(dú)計(jì)算出的熱負(fù)荷，再乘以傳熱效率（本流程模擬假設(shè)為0.8）。

2.1 模型的搭建

2.1.1 模擬環(huán)境基本設(shè)置

單位體系：US-1

2.1.2 定義模擬流程

圖2 ASPEN PLUS模擬流程圖

C-53201：脫硫化氫汽提塔

C-53202：主分餾塔

FEED：混合進(jìn)料

STM1：脫硫化氫汽提塔汽提蒸汽

GAS：干氣

SWATER1：脫硫化氫汽提塔蒸餾水

LG：液化氣

B1：脫硫化氫塔底出料

STM2：主分餾塔汽提蒸汽

SWATER2：主分餾塔蒸餾水

LIGHT：輕石腦油

HEAVY：重石腦油

DIESEL：柴油

BOTTOM：裂化尾油

2.1.3 定義化學(xué)組分

本模擬中根據(jù)恩氏蒸餾溫度自定義了OIL1、OIL2、OIL3和OIL4，加上原油數(shù)據(jù)庫里的H2O，CH4,C2H6，C3H8，C4H10-1，C5H12-1H和H2S。

2.1.4 選擇熱力學(xué)方法

在本模擬中的物料是石油物質(zhì)，而石油是用虛擬組分來處理的復(fù)雜的混合物，在低壓和中壓系統(tǒng)中，通常使用K-值模型和液體逸度關(guān)聯(lián)式。選擇的熱力學(xué)方法為BK10，它采用的是BraunK10的K-值關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式是由真實(shí)組分和石油餾分的K10圖而開發(fā)出的。真實(shí)的組分包括70種烴和氣體，石油餾分的沸程范圍為450-700K（350-800F）。對于較重的餾分開發(fā)了專有的方法。

2.1.5 定義流股信息

根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況確定各個(gè)流股的溫度、壓力和計(jì)算單位等信息。

2.1.6 提供過程條件

設(shè)定各塔和加熱爐等設(shè)備的壓力、溫度等操作參數(shù)和操作條件。

2.1.7 運(yùn)行模擬過程

運(yùn)行初始模型。

表1為模型運(yùn)行后得到的數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比：

表1 模型模擬值與裝置實(shí)際生產(chǎn)值的對比

主分餾塔頂溫（℃） 57 61 6.6%主分餾塔頂壓（MPag） 0.028 0.028 0主分餾塔采出量（t/h） 4.3 4.1 4.9%重石抽出量（t/h） 22 22.5 2.2%重石抽出溫度（℃） 123 117 5.1%柴油抽出量（t/h） 35 35.5 1.4%柴油抽出溫度（℃） 227 229 0.9%中段回流量（t/h） 150 155 3.2%主分餾塔底溫（℃） 338.7 335 1.1%

2.2 靈敏度分析

對建立好的模型進(jìn)行靈敏度分析，得出各產(chǎn)品干點(diǎn)隨著操縱變量的關(guān)系，進(jìn)而得出最優(yōu)的操作變量，表2為加熱爐溫度的變化導(dǎo)致的各產(chǎn)品干點(diǎn)的變化。

表2 加熱爐溫度對產(chǎn)品干點(diǎn)的影響

從表2中可以看出，隨著加熱爐溫度的上升，輕石腦油的干點(diǎn)變化不大，重石腦油的干點(diǎn)溫度有較小幅度的下降，而柴油干點(diǎn)溫度有較大的下降。表3為重石腦油抽出量對產(chǎn)品干點(diǎn)的影響。

表3 重石腦油抽出量對產(chǎn)品干點(diǎn)的影響

從表3中可以看出，隨著重石腦油抽出量增大，各產(chǎn)品干點(diǎn)均出現(xiàn)上升趨勢，輕石腦油的干點(diǎn)上升的較小，重石腦油的干點(diǎn)上升較大，柴油干點(diǎn)上升尤為顯著。主要原因是因?yàn)殡S著重石腦油抽出量的提高，塔內(nèi)液相負(fù)荷減小，氣相負(fù)荷增大，各產(chǎn)品抽出溫度升高，各產(chǎn)品干點(diǎn)上升。

從上述靈敏度分析的表格中我們可以直接看出某一變量對產(chǎn)品干點(diǎn)的影響，但是干點(diǎn)受各個(gè)變量影響的程度很難直觀地看出來。在本裝置的模擬中，干點(diǎn)會隨著某些變量的變化而呈現(xiàn)單調(diào)變化，為了便于考察這些變量對產(chǎn)品干點(diǎn)的影響程度，定義變量對產(chǎn)品干點(diǎn)的影響因子為：

其中，X為自變量，Y為因變量，N為本模擬過程中的數(shù)據(jù)組數(shù)。影響因子反映了自變量對因變量的影響程度。影響因子為正數(shù)，則表明干點(diǎn)隨著變量單調(diào)增大，若為負(fù)數(shù)，則表明干點(diǎn)隨變量單調(diào)減小。影響因子的絕對值越大，則表明影響越顯著。如：當(dāng)影響因子為1，則表示當(dāng)變量增大1%時(shí)，該產(chǎn)品干點(diǎn)上升1%，當(dāng)影響因子為-2，則表示當(dāng)變量增大1%時(shí)，該產(chǎn)品干點(diǎn)下降2%。

表4 操作條件對各產(chǎn)品干點(diǎn)的影響因子

表4所示的是對幾種不同的操作進(jìn)行靈敏度分析后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行影響因子計(jì)算的結(jié)果。從表中可以看出各產(chǎn)品干點(diǎn)受變量的影響程度。在主分餾塔頂溫不變的情況下，輕石腦油的干點(diǎn)主要是受主分餾塔加熱爐溫度的影響，且隨著主分餾塔加熱爐溫度的增大而下降。重石腦油干點(diǎn)主要受重石腦油抽出量的增大而升高。柴油干點(diǎn)主要受柴油抽出量、重石腦油抽出量的影響，且隨著兩者抽出量的增大而升高，其中，柴油抽出量的影響更顯著一些。

2.3 分餾結(jié)果優(yōu)化分析

以設(shè)計(jì)參數(shù)值為變動中心，改變量不宜過大為宗旨，綜合以上靈敏度分析結(jié)果，在確保重石腦油含硫量越小，或者符合質(zhì)量要求的情況下，以產(chǎn)品重石腦油的主要成分含量高為標(biāo)準(zhǔn)，選擇進(jìn)料流量。

優(yōu)化約束條件設(shè)置為：

1）輕石腦油干點(diǎn)≤85，允許誤差為1。

2）重石腦油初餾點(diǎn)≥83，允許誤差為1。

3）柴油干點(diǎn)≤363，允許誤差為1.

4）柴油初餾點(diǎn)≥180，允許誤差為1。

5）裂化尾油初餾點(diǎn)≥254，允許誤差為1。

6）重石腦油干點(diǎn)≤173，允許誤差為1。

7）優(yōu)化目標(biāo)1：柴油+重石腦油產(chǎn)量最大。溫度可以降至330℃，且所有限制指標(biāo)均滿足要求。

3 結(jié)論

通建立加氫裂化裝置的分餾部分的ASPEN PLUS模型，設(shè)定靈敏度分析，找出各操縱變量與產(chǎn)品干點(diǎn)的關(guān)系，通過改變操縱變量確定最優(yōu)控制變量，最終達(dá)到了優(yōu)化生產(chǎn)的目的。實(shí)踐證明，運(yùn)用ASPEN PLUS建?？梢灾笇?dǎo)生產(chǎn)和用于工人培訓(xùn)，既有較高的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，又安全物危險(xiǎn)。由于本文采用的原料輸入是理想化的產(chǎn)品混合物，對于不同地區(qū)的原油和經(jīng)過不同前段工序輸出的原料油，應(yīng)在定義化學(xué)組分的時(shí)候加以修改。

表5 優(yōu)化設(shè)計(jì)1

表6 優(yōu)化設(shè)計(jì)2

8）操縱變量：主分餾塔塔頂壓力，主分餾塔塔底汽提蒸汽量。

由表5可見，優(yōu)化目標(biāo)1的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)為：主分餾塔塔頂壓力降至0.01Mpa，主分餾塔塔底汽提蒸汽量提至1.86t/h，可得到柴油抽出量達(dá)到40.1t/h，重石腦油抽出量達(dá)到22.6t/h，且所有限制指標(biāo)均滿足要求。

9）優(yōu)化目標(biāo)2：主分餾塔進(jìn)料溫度最低。

10）操縱變量：柴油抽出量，重石腦油抽出量。

由表6可見，優(yōu)化目標(biāo)2的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)為：柴油抽出量降至35.8t/h，重石腦油抽出量降至21.2t/h，進(jìn)料

[1] 任宏鑫,王德良,王乾.加氫裂化—煉化發(fā)展主要方向[J].科技風(fēng),2010(05).

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