延遲焦化裝置流程模擬及應(yīng)用

張金先，鄭文剛，王 鋒

（1.中化泉州石化有限公司，福建泉州362103；2.中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部；3.中國石化石油化工科學(xué)研究院）

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，過程模擬已作為工程設(shè)計、過程開發(fā)和生產(chǎn)優(yōu)化控制的重要工具得到廣泛應(yīng)用［1］。在煉油方面，目前的模擬軟件主要有Aspen Plus，Pro－Ⅱ，Aspen Hysys以及Petro－SIM等。Petro－SIM是英國KBC公司結(jié)合Hysys軟件和煉油Profimatics動力學(xué)包開發(fā)出的煉油裝置穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件，該軟件不僅能夠?qū)窝b置模擬，而且可以建立全廠流程模型，在國內(nèi)外有較廣泛的應(yīng)用。

延遲焦化是煉油廠渣油加工的主要手段之一。由于對原料適應(yīng)性強、技術(shù)成熟、投資較低等優(yōu)點，延遲焦化工藝在煉油廠中得到廣泛應(yīng)用。因為原料表征困難，反應(yīng)機理復(fù)雜，延遲焦化裝置的操作相對較粗放，有較大的操作彈性和優(yōu)化空間；此外，延遲焦化裝置在煉油廠重油平衡中占有舉足輕重的作用，對全廠經(jīng)濟效益有重大的影響。因此，應(yīng)用Petro－SIM軟件建立延遲焦化裝置工藝模型，并在此基礎(chǔ)上對裝置進行工況分析、優(yōu)化裝置操作或建立全廠模型，從全廠角度優(yōu)化焦化裝置生產(chǎn)將具有十分重要的意義。

1 Petro－SIM軟件簡介

KBC公司的Petro－SIM軟件把圖形化的過程模擬器和KBC先進的工業(yè)技術(shù)及嚴格的煉油廠過程模型結(jié)合起來，是基于Hysys.Refinery界面的先進模擬工具。Petro－SIM可以根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)或者商業(yè)原油數(shù)據(jù)庫建立自己的數(shù)據(jù)庫；可以對煉油裝置進行單元優(yōu)化、清潔燃料研究、實時優(yōu)化、故障排除研究和操作過程監(jiān)視等，能優(yōu)化生產(chǎn)裝置，使利潤、產(chǎn)率或加工量達到最大化，同時兼顧到裝置實際設(shè)備的極限能力和裝置操作的約束條件。Petro－SIM融合了KBC專有的Profimatics技術(shù)，提供了一套最完整的反應(yīng)模型，可以用來模擬一個特殊的單元操作或者進行煉油廠全廠模擬。如包含多種煉油廠專用單元模型：FCC－SIM用于流化床反應(yīng)器模擬；REF－SIM用于重整裝置模擬；HCR－SIM用于加氫裂化裝置模擬；DC－SIM用于延遲焦化裝置模擬；VIS－SIM用于減黏裂化裝置模擬；NHTR－SIM，D HTR－SIM，VGO HTRSIM，RHDs－SIM分別用于石腦油加氫裝置模擬、柴油加氫裝置模擬、VGO加氫裝置模擬和渣油加氫脫硫裝置模擬等。

2 延遲焦化裝置工藝模型的建立

延遲焦化裝置工藝模型是機理模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蛣恿W(xué)模型的結(jié)合。延遲焦化裝置包括加熱爐、焦炭塔、分餾塔、泵、換熱器等設(shè)備。延遲焦化裝置工藝模型有以反應(yīng)為主的模型和裝置全流程模型兩種，其中DC－SIM用于建立反應(yīng)模型，分餾塔、換熱器等常常是簡化模型，Petro－SIM則側(cè)重于建立全裝置模型，反應(yīng)部分被適當簡化，分餾塔、罐等其它輔助設(shè)備種類非常完備和全面。DCSIM是通過真實碳數(shù)組分反應(yīng)動力學(xué)和大量經(jīng)驗公式兩方面建立焦化反應(yīng)模型，該模型可以對延遲焦化反應(yīng)進行預(yù)測，并對與焦化反應(yīng)密切相關(guān)的設(shè)備操作，如加熱爐、焦炭塔等進行優(yōu)化，Petro－SIM提供了對大量設(shè)備如分餾塔、換熱器、泵等的優(yōu)化。實際應(yīng)用中，常常是在Petro－SIM中引入由DC－SIM得到的反應(yīng)模型標定因子，詳細模擬裝置反應(yīng)，并結(jié)合其它輔助設(shè)備如分餾塔、換熱器等，真實模擬延遲焦化裝置從反應(yīng)到產(chǎn)品分離以及物流換熱等裝置的完整工藝過程。

2.1 DC－SIM建模

建立反應(yīng)模型首先需要對模型進行設(shè)計。模型設(shè)計是建立反應(yīng)模型的基礎(chǔ)，需要根據(jù)裝置實際狀況輸入各種參數(shù)。主要內(nèi)容有：焦化裝置配置；循環(huán)油類型選擇，是常規(guī)還是一次通過；急冷油配置；工程單位選擇；分餾塔側(cè)線設(shè)置以及焦炭塔尺寸配置等。

在完成模型參數(shù)基本輸入后，就可以對模型進行標定，也即生成模型。模型標定需要裝置原料和產(chǎn)品性質(zhì)、產(chǎn)品收率、關(guān)鍵操作參數(shù)、原料和產(chǎn)品的價格體系以及調(diào)節(jié)因子等。準確輸入標定數(shù)據(jù)后即可運行軟件并生成標定結(jié)果，對標定結(jié)果進行檢查與核對，如果有不合理或不符合裝置實際的數(shù)據(jù)，則通過調(diào)節(jié)因子，直到得到準確的模型。

2.2 Petro－SIM建模

當DC－SIM標定好后，即可把標定結(jié)果導(dǎo)入到Petro－SIM模型中。Petro－SIM是在Hysys平臺上建立起來的機理模型，是基于虛擬組分建立的，在一定的基礎(chǔ)環(huán)境中選定某種計算方法進行計算。在Petro－SIM中不僅可以從機理模型中引出具有某種性質(zhì)和操作條件的物流，而且還能對加熱爐、塔、罐、泵等進行計算，從而完全模擬工業(yè)裝置，實現(xiàn)桌面煉油廠。

3 延遲焦化裝置工藝模型的應(yīng)用

在DC－SIM模型中可以快速地實現(xiàn)對反應(yīng)過程的預(yù)測和優(yōu)化，如改變原料性質(zhì)或改變循環(huán)比預(yù)測產(chǎn)品分布和性質(zhì)的變化。對于其它方面的應(yīng)用，如研究分餾塔操作對產(chǎn)品分布及性質(zhì)的影響，研究換熱網(wǎng)絡(luò)等，則要用Petro－SIM模型。Petro－SIM模型直觀，而且物流中帶有性質(zhì)數(shù)據(jù)和操作條件數(shù)據(jù)，不僅有機理反應(yīng)模型，而且還帶有各塔、罐等設(shè)備的準確計算，此外，應(yīng)用Petro－SIM還可以將全廠各裝置模型串起來，對物流性質(zhì)等進行傳遞計算，真正實現(xiàn)全廠流程的模擬計算。

3.1 Petro－SIM單裝置模型的應(yīng)用

要應(yīng)用焦化單裝置模型，首先要建一個與實際工業(yè)裝置對應(yīng)的詳細Petro－SIM模型，塔要建成逐板計算，主要的換熱器、泵等也要在模型中體現(xiàn)，以使各塔進料物流的性質(zhì)和操作條件與裝置實際狀況吻合。

焦化反應(yīng)是重油的熱反應(yīng)，主要包括裂化和縮合兩類反應(yīng)，裂化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，而縮合反應(yīng)是放熱反應(yīng)。所謂延遲焦化就是要把反應(yīng)延遲到焦炭塔中進行的焦化反應(yīng)，因此大部分熱量都被介質(zhì)帶到焦炭塔中，只有少部分（約10%～20%）的裂化反應(yīng)和極少的縮合反應(yīng)在爐管內(nèi)發(fā)生的。基于此，可以通過Petro－SIM對加熱爐的效率和能耗進行計算。

某煉油廠焦化加熱爐耗燃料氣約3 048m3/h（標準狀態(tài)），爐出口溫度約492℃，排煙溫度約110℃，氧含量約3%，以脫后干氣為燃料氣（組成見表1），選擇絕熱GIBBS反應(yīng)器為燃料氣與空氣的反應(yīng)器。

表1 燃料氣組成

加熱爐熱損失主要包括排煙損失和爐體的熱損失，爐體的熱損失一般按3%算，通過模型標定算出爐管裂化率（mol）為11.48%，通過文獻得到渣油平均裂化能為350kJ/kg，因此可以得到爐管內(nèi)裂化吸熱量，通過Petro－SIM算出加熱爐的有效熱量及燃燒總熱量，如表2所示。

表2 Petro－SIM加熱爐計算結(jié)果

從表2可見，加熱爐熱效率為92.98%，單耗為581.99MJ/t，這與實際（加熱爐效率91.9%，單耗567.76MJ/t）比較吻合，說明Petro－SIM在模擬計算焦化加熱爐效率及能耗時較為準確。

3.2 焦化Petro－SIM聯(lián)合裝置模型的應(yīng)用

建立延遲焦化反應(yīng)、分餾及吸收穩(wěn)定聯(lián)合裝置模型，分析焦化反應(yīng)與產(chǎn)品分離關(guān)聯(lián)關(guān)系，可優(yōu)化裝置操作［2］。

某廠延遲焦化裝置擴能改造后達到1.85Mt/a生產(chǎn)能力，裝置循環(huán)比1.15，生焦周期20.5h。裝置擴能改造僅僅針對加熱爐、焦炭塔及分餾塔部分，吸收穩(wěn)定部分未作改造。改造前，干氣中C3以上組分體積分數(shù)基本維持在3%以內(nèi)，改造后體積分數(shù)則達到6%～7%，大量液化氣組分進入瓦斯系統(tǒng)作為燃料燒掉，造成經(jīng)濟損失。以焦化裝置實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為模型參數(shù)，建立延遲焦化吸收穩(wěn)定聯(lián)合裝置Petro－SIM模型。

干氣中C3含量除與焦化反應(yīng)相關(guān)外，還與吸收穩(wěn)定單元的操作密切相關(guān)，特別是吸收塔和解析塔。通過分析裝置工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，解吸塔塔底再沸器熱源是分餾塔中段回流，解吸塔塔底溫度是160℃左右，液化氣C2體積分數(shù)為0.05%，遠低于廠內(nèi)考核指標2%，說明解吸塔塔底溫度還有下降的空間。應(yīng)用模型，將解吸塔塔底溫度從160℃降至150℃，觀察干氣C3含量和液化氣C2含量變化過程，具體如圖1所示。

由圖1可知，隨著解吸塔塔底溫度降低，干氣中C3體積分數(shù)相應(yīng)降低至4.91%，當溫度繼續(xù)降至150℃時，液化氣中C2體積分數(shù)將超過2%，由此可以看出，降低解析塔塔底溫度能夠降低干氣中C3含量，增加液化氣收率，但解析塔底溫度不宜低于150℃，否則造成液化氣中C2含量不合格。

圖1 干氣中C3、液化氣中C2含量與解吸塔塔底溫度關(guān)系（Petro－SIM模型計算結(jié)果）■—干氣中C3；◆—液化氣中C2

此外，干氣中C3含量還受解吸塔壓力影響。需要研究壓力與干氣中C3含量的關(guān)系，指導(dǎo)裝置操作。應(yīng)用模型，改變解析塔壓力，觀察干氣中C3含量的變化，如圖2所示。

圖2 干氣中C3含量與壓縮機出口壓力的關(guān)系（Petro－SIM模型計算結(jié)果）

由圖2可看出，解析塔壓力由1.25MPa提高至1.35MPa，干氣中C3體積分數(shù)由5.75%降至5.43%，增加解析塔壓力能夠減少干氣中C3的損失。

對比上述2個方案，可以看出，降低解吸塔塔底溫度對降低干氣中C3含量相對效果更加明顯。結(jié)合設(shè)備狀況和各種約束條件，可以綜合選取降低塔底溫度和提高解析塔壓力2種方法，有效改善干氣中C3含量一直偏高的狀況。

3.3 焦化Petro－SIM煉油全流程模型的應(yīng)用

Petro－SIM不僅能對單裝置進行模擬計算，它更大的優(yōu)點是方便建立煉油廠全流程，實現(xiàn)桌面煉油廠。把焦化裝置放入全流程中一并考慮，進行全流程計算，方案對比，實現(xiàn)全流程優(yōu)化。

以焦化裝置循環(huán)比為例。降低焦化循環(huán)比，雖然可以提高液體收率，降低焦炭收率，但要綜合評價經(jīng)濟效益，并非循環(huán)比越低越好。首先，需要考慮裝置安全生產(chǎn)和可行性，如降低循環(huán)比會改變加熱爐進料性質(zhì)，可能造成爐管結(jié)焦，影響焦化裝置長周期運行；此外，還需要考慮煉油廠配套裝置的加工能力，如蠟油加氫裝置及催化裂化裝置加工能力等；最后，需要考慮產(chǎn)品價格、操作費用等因素。因此，僅僅憑經(jīng)驗是無法判斷降低焦化循環(huán)比的經(jīng)濟效益。通過Petro－SIM建立焦化裝置模型，可以測算出降低焦化循環(huán)比的經(jīng)濟效益。

某煉油廠兩套延遲焦化裝置的循環(huán)比平均在1.15左右，以2010年8月該廠生產(chǎn)方案為基準方案，循環(huán)比為1.15，9月循環(huán)比降到約1.08，形成一個新的方案，通過Petro－SIM全流程模型計算結(jié)果分別見表3和表4。

表3 1號延遲焦化裝置聯(lián)合循環(huán)比為1.15和1.08時產(chǎn)品分布情況 t/h

表4 2號延遲焦化裝置聯(lián)合循環(huán)比為1.15和1.08時產(chǎn)品分布情況 t/h

從表3、表4可以看出，焦化裝置循環(huán)比降低，焦化蠟油收率明顯提高，焦化柴油、石油焦產(chǎn)率明顯下降，焦化汽油及氣體收率也有相應(yīng)的下降，裝置的整體液體收率上升。

焦化裝置除了石油焦可直接作為商品出廠外，其它都還需要進行二次加工才能成為產(chǎn)品出廠或到下游裝置再加工成其它商品，因此單裝置中降低循環(huán)比很難判斷是盈利還是虧損，只有放到全流程中計算方能更直觀判斷是否盈利。表5是兩套焦化裝置降低循環(huán)比后，全廠產(chǎn)品和效益的變化。

表5 全廠產(chǎn)品變化及效益情況（按2010年8月份價格體系算）

從表5可知，焦化循環(huán)比降低后，全廠石油焦產(chǎn)量降低，汽油產(chǎn)量升高，催化裂化油漿產(chǎn)量升高，柴油略微減少，液化氣略微增加，因為焦化裝置循環(huán)比降低后，焦化蠟油收率上升，柴油產(chǎn)量降低，于是蠟油加氫處理量增加，催化裂化處理量增加，催化裂化汽油收率高于焦化裝置，柴油收率低于焦化裝置，因此模型得到的數(shù)據(jù)是合理的。通過測算，當將循環(huán)比由1.15降低到1.08時，每年能為全廠增效890萬元。

4 結(jié) 論

DC－SIM模型可以便捷地對延遲焦化裝置生產(chǎn)進行預(yù)測和優(yōu)化，對優(yōu)化方案計算結(jié)果進行對比，而Petro－SIM模型不僅可以對單體設(shè)備、聯(lián)合裝置進行計算優(yōu)化，更為重要的是可以建立煉油廠全流程模型，真正實現(xiàn)桌面煉油廠。某煉油廠利用Petro－SIM模型優(yōu)化延遲焦化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)，有效降低了干氣中的C3含量，減少經(jīng)濟損失；而利用Petro－SIM建立全流程模型，將延遲焦化裝置循環(huán)比從1.15降低到1.08，全廠的產(chǎn)品分布會有所改善，通過模型計算每年可使全廠增效890萬元。

［1］ 楊小健，孫忠瀟.煉油裝置流程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］.石油煉制與化工，2011，42（9）：87－91

［2］ 閻龍，張金先，申海平，等.吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的模擬與分析［J］.石油煉制與化工，2011，42（6）：93－98