加氫裂化工藝操作過程的優(yōu)化分析

楊東奎，王 闊，王繼鋒

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.中國石化撫順石油化工研究院)

加氫裂化工藝操作過程的優(yōu)化分析

楊東奎，王 闊2，王繼鋒2

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.中國石化撫順石油化工研究院)

通過樣條曲線插值的數(shù)學方法，建立了加氫裂化反應(yīng)過程中的處理量、溫度對裂化產(chǎn)品物化性質(zhì)影響的數(shù)值模型，并將該模型應(yīng)用于減壓蠟油(VGO)的加氫裂化工藝優(yōu)化分析。該優(yōu)化問題以VGO加氫裂化反應(yīng)的處理量和溫度為變量，以產(chǎn)品中噴氣燃料餾分的煙點、冰點，柴油餾分收率以及中油選擇性作為約束條件，考察在上述約束條件下工藝操作參數(shù)的可行區(qū)間，并在此相關(guān)條件約束下，基于所確立的數(shù)學模型計算相關(guān)轉(zhuǎn)化率的最小值，以便獲得系統(tǒng)高產(chǎn)尾油時的工藝操作參數(shù)，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比。對比結(jié)果表明，該方法效果良好，所得數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)相近。

加氫裂化 工藝參數(shù) 樣條曲線 優(yōu)化分析 減壓蠟油 約束條件

工藝運轉(zhuǎn)評價對催化劑的開發(fā)以及相關(guān)催化反應(yīng)過程的評估與優(yōu)化有著不可替代的作用，是催化劑研發(fā)的必要組成部分，因此，研究人員對此進行了大量的研究，并取得了一定的成果[1-2]。然而，由于催化工業(yè)過程極其復雜，目前對于工藝運轉(zhuǎn)試驗的設(shè)計以及運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的后處理仍然存在很大的局限性，具體表現(xiàn)在：現(xiàn)階段的工藝評價對于各類油品參數(shù)與各類工藝條件的“綜合”依賴關(guān)系幾乎沒有一個較為全面的定量認識；對于實驗所采集的數(shù)據(jù)缺乏必要而有效的處理，在已有數(shù)據(jù)與各類工藝條件的關(guān)聯(lián)以及已有數(shù)據(jù)自身關(guān)聯(lián)性的有效挖掘方面所做的工作更少；對于各類催化劑的相關(guān)工藝所做的優(yōu)化工作多停留在“經(jīng)驗階段”，沒有必要的黑箱[3]唯象理論和算法予以支持。

現(xiàn)階段對于加氫裂化工藝優(yōu)化問題的研究仍面臨相當大的困難。首先，要確立一種較為準確的成品油性能與運轉(zhuǎn)工藝條件的高維顯式函數(shù)關(guān)系十分困難。傳統(tǒng)的函數(shù)確立方法是最小二乘法[4]，然而，該方法必須首先確立相關(guān)函數(shù)的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)已確立的函數(shù)結(jié)構(gòu)使用參數(shù)估計的方法計算相關(guān)函數(shù)的參數(shù)，其中最為困難的部分是函數(shù)結(jié)構(gòu)的確立，而文獻報道大多為函數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)先確立的情況[5]。其次，成品油性能對運轉(zhuǎn)工藝條件的函數(shù)屬于多參數(shù)函數(shù)模型，其數(shù)據(jù)空間呈現(xiàn)超曲面性狀，往往超出人們的想象能力，這更為函數(shù)表達式的合理選擇增加了難度。另外，即使相對準確地確立了所需的各類近似描述工藝過程的函數(shù)，各類函數(shù)的自身復雜性也對傳統(tǒng)的最優(yōu)化方法提出了巨大的挑戰(zhàn)[6]，現(xiàn)實中的優(yōu)化體系往往具有極大的非凸性和極強的非線性特征[7]，這也為優(yōu)化問題的數(shù)學求解帶來阻力。

為了避開傳統(tǒng)數(shù)學方法解決實際問題的不足，本研究采用樣條曲線的數(shù)學方法，并基于具體實驗數(shù)據(jù)，采用分片插值的方法來描述特定催化劑作用下減壓蠟油(VGO)標準原料油加氫裂化的工藝優(yōu)化問題。

1 實 驗

實驗在60 mL小型加氫裝置上進行。原料為伊朗VGO，按照實驗設(shè)計的需要不斷調(diào)整實驗溫度及處理量，且在不同工藝條件下采集產(chǎn)品。產(chǎn)品以小于82 ℃餾分為輕石腦油餾分、82～132 ℃餾分作為重石腦油餾分、132～282 ℃餾分作為噴氣燃料餾分、282～370 ℃餾分作為柴油餾分、大于370 ℃餾分作為尾油餾分，并以噴氣燃料和柴油餾分的加和作為中油餾分。通過對餾分切割數(shù)據(jù)的采集以及對采集的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值樣條插值計算，即可獲得各餾分的含量。

2 數(shù)值模型的建立

Matlab工具包中的griddata函數(shù)[8]可以將位于同一空間坐標系下的散點插值為規(guī)則格網(wǎng)，并提供包括基于Delaunay三角形的線性插值、三次多項式插值及最近點插值等數(shù)值方法，可以方便地實現(xiàn)結(jié)合鄰近離散點分布特征的光滑曲面擬合。

本研究只有溫度和處理量兩個變量參數(shù)，可以采用二元樣條函數(shù)來處理。樣條函數(shù)[9]是滿足一定連續(xù)條件的分片插值多項式，具有簡單性和協(xié)調(diào)性的優(yōu)點，可利用meshgrid函數(shù)在二維空間內(nèi)將溫度、處理量的實驗數(shù)據(jù)張成一個四邊形格網(wǎng)，然后在這些格網(wǎng)內(nèi)做三角剖分，在三角形內(nèi)部采用面積坐標計算相關(guān)油品性質(zhì)，再將相同油品性質(zhì)對應(yīng)的工藝操作點連接成線，即為操作條件等勢線。根據(jù)此方法可分別做出輕石腦油收率、重石腦油收率、柴油收率、轉(zhuǎn)化率等的等勢線。

通過編寫Matlab命令文件，即可在Matlab環(huán)境下實現(xiàn)相關(guān)計算，并通過Matlab的圖形可視化功能，得到所需的數(shù)值模型。

3 結(jié)果與討論

3.1 生成油特征參數(shù)的計算與收集

分別將不同加氫裂化工藝條件下得到的生成油采用5 L實沸點蒸餾裝置進行餾分切割，所得結(jié)果見表1。由表1可見，裂化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與中油選擇性之間存在著此消彼長的關(guān)系。

表1 部分生成油的餾分切割數(shù)據(jù)

3.2 生成油特征參數(shù)對工藝條件的等勢線圖繪制

分別將表1中的生成油切割數(shù)據(jù)對加氫裂化工藝條件(包括溫度和處理量)做二維等勢線圖，結(jié)果見圖1。由圖1可見：原料轉(zhuǎn)化率隨溫度的增加和處理量的降低而增加；產(chǎn)品的中油選擇性隨溫度的增加及處理量的降低而降低，其變化趨勢與轉(zhuǎn)化率相反；產(chǎn)品中輕、重石腦油餾分收率隨溫度的增加和處理量的降低而增加，其增加速率在處理量較低時受溫度的影響較為顯著。產(chǎn)品中柴油餾分收率隨溫度的增加而降低，但隨處理量的增加而先增加后降低，這是因為在較低的反應(yīng)溫度下原料油裂化生成柴油餾分的反應(yīng)要比柴油餾分進一步生成其它餾分的反應(yīng)更容易，而提高反應(yīng)溫度則加劇了柴油的二次裂化反應(yīng)，致使柴油餾分更多地裂解為噴氣燃料或更輕的餾分，故其收率有所降低[10]；當處理量較低時，尾油餾分裂解為柴油餾分的速率大于柴油餾分裂解的速率，以至于柴油餾分累計增加；當處理量較高時，尾油餾分裂解為柴油餾分的速率小于柴油餾分裂解的速率，從而使柴油餾分逐漸減少。產(chǎn)品中的噴氣燃料餾分收率變化較為復雜，當處理量較高時，產(chǎn)品中的尾油和柴油餾分含量較高，可以不斷轉(zhuǎn)化為噴氣燃料餾分，且其轉(zhuǎn)化速率大于噴氣燃料的裂解速率，故隨溫度的增加，噴氣燃料收率不斷增加；而當處理量較低時，產(chǎn)品中的尾油和柴油餾分含量較低，已經(jīng)無法提供足夠的餾分來轉(zhuǎn)化為噴氣燃料餾分，與此同時，噴氣燃料的裂解速率卻隨著溫度的增加而增加，這就導致噴氣燃料收率隨溫度增加而先增加后減小。絕大多數(shù)生成油餾分的收率均表現(xiàn)出與裂化反應(yīng)工藝條件較強的非線性依賴關(guān)系。

3.3 噴氣燃料餾分特征參數(shù)對相關(guān)工藝條件的等勢線圖繪制

依據(jù)噴氣燃料數(shù)據(jù)分別將噴氣燃料餾分的冰點、煙點、萘系烴含量、芳烴含量對加氫裂化工藝條件做二維等勢線圖，結(jié)果見圖2。由圖2可見：噴氣燃料產(chǎn)品的冰點近似隨反應(yīng)溫度的增加而降低，隨處理量的降低而增加，但當處理量較大時，其隨處理量變化不大，故在高溫和低處理量的工況條件下生產(chǎn)的噴氣燃料低溫性能較好；噴氣燃料的煙點和芳烴含量隨反應(yīng)溫度的增加分別增加和降低，隨處理量的增加分別降低和增加，但當處理量較大時，兩種性質(zhì)變化卻不大；噴氣燃料煙點及芳烴含量對工藝條件等勢線的變化形態(tài)較為相似，但其數(shù)量的變化卻呈近似相反的規(guī)律，這可能是由于煙點的變化反映噴氣燃料燃燒積炭傾向的變化趨勢，噴氣燃料中芳烴含量越高，煙點就越低；噴氣燃料的萘系烴含量隨反應(yīng)溫度的增加而降低，但隨處理量的增加呈先增加后降低的趨勢，在處理量較低時，其變化趨勢完全類似于噴氣燃料的煙點及芳烴含量。

圖1 生成油特征參數(shù)對工藝條件的等勢線圖

圖2 噴氣燃料特征參數(shù)對工藝條件的等勢線圖

3.4 加氫裂化工藝的優(yōu)化分析

在實際加氫裂化工藝操作過程中，一般要求在指定產(chǎn)品性質(zhì)的約束下來調(diào)整加氫裂化反應(yīng)工藝條件。然而，滿足指定產(chǎn)品性質(zhì)要求時所對應(yīng)的工藝條件涉及的操作區(qū)間可能較為復雜，甚至所涉及的可行工藝操作點可能不存在，可能存在且唯一，也可能有多個，因此，這就牽涉到最優(yōu)工藝點的選擇問題。

3.4.1 復合工藝優(yōu)化操作區(qū)間的確立 在實際生產(chǎn)操作過程中，對產(chǎn)品某種性質(zhì)的要求可能并不唯一，可能會根據(jù)市場的需要以及上下游工況而對各餾分油產(chǎn)品的性質(zhì)提出不同要求。現(xiàn)有的工作很少將如此復雜的產(chǎn)品質(zhì)量與工藝操作要求考慮在一起分析，一般僅用單工藝條件優(yōu)化[11]的方法分別進行討論，這將在相關(guān)計算過程中無法滿足需要，因此，在此選擇多種因素復合考察的研究方法。假設(shè)對餾分油的相關(guān)性質(zhì)要求如下：噴氣燃料冰點：大于-52 ℃，噴氣燃料煙點：22～25 mm，中油收率：大于83%，柴油收率：大于25%。分別繪制在各類產(chǎn)品性質(zhì)約束下對應(yīng)的工藝操作區(qū)間，結(jié)果見圖3。

圖3 滿足各類產(chǎn)品性質(zhì)要求時對應(yīng)的工藝操作區(qū)間

假定噴氣燃料冰點、噴氣燃料煙點、中油選擇性以及柴油收率所確立的工藝操作區(qū)間分別為Ω1，Ω2，Ω3，Ω4。根據(jù)約束條件的邏輯關(guān)系及操作參數(shù)空間的幾何關(guān)系，可以確定符合約束條件的操作空間在邏輯上滿足式(1)。

Ω可行=Ω1∩Ω2∩Ω3∩Ω4

(1)

將所涉及的各類等勢線繪制在同一張圖上，如圖4所示。復合工藝優(yōu)化問題的實際可行工藝區(qū)間即為圖3所描述的4類工藝操作區(qū)間在幾何上的交集，其相關(guān)的復合工藝操作區(qū)間如圖5所示。由圖5可見：復合工藝操作區(qū)間帶有一定的任意性，形狀極不規(guī)則；復合工藝操作區(qū)間由4類油品性質(zhì)約束條件共同確立，不同的約束條件聯(lián)合確立可行工藝操作區(qū)間的邊界；復合工藝操作區(qū)間不是數(shù)學上典型的凸區(qū)間，不能用傳統(tǒng)函數(shù)[12]的求解方法來計算，因此在該區(qū)間上進行的優(yōu)化可能較為復雜，可對其進行剖分再采用傳統(tǒng)優(yōu)化方法計算，也可將復合工藝操作區(qū)間視作一個整體而采用近現(xiàn)代軟計算[13-17]方法進行計算。

圖4 各類產(chǎn)品性質(zhì)的等勢線圖 —噴氣燃料冰點/℃; —噴氣燃料煙點/mm; —中油選擇性，%; —柴油收率，%

圖5 復合工藝優(yōu)化問題所對應(yīng)的操作區(qū)間 —噴氣燃料冰點/℃; —噴氣燃料煙點/mm; —中油選擇性，%; —柴油收率，%

3.4.2 復合工藝操作區(qū)間上的轉(zhuǎn)化率優(yōu)化分析在滿足以上操作區(qū)間區(qū)域范圍的前提下，為最大限度地生產(chǎn)尾油，也就是使裂化反應(yīng)在該約束條件下的轉(zhuǎn)化率達到極小值，將以上要求表達為標準的數(shù)學形式：Min轉(zhuǎn)化率，S.T.噴氣燃料冰點：大于-52 ℃，噴氣燃料煙點：22～25 mm，中油選擇性：大于83%，柴油收率：大于25%。

基于上述目標函數(shù)及約束條件，分別繪制復合工藝操作區(qū)間及轉(zhuǎn)化率的等勢線，如圖6所示。圖6中幾條不同顏色的實線分別代表各類性質(zhì)等勢線，虛線則代表轉(zhuǎn)化率等勢線。通過對轉(zhuǎn)化率等勢線與相應(yīng)操作區(qū)間相對位置的觀察，可以得到：轉(zhuǎn)化率隨溫度的增加及處理量的降低而增加。圖6中，等勢線由右下角向左上角呈非線性增加，在等勢線簇由右下角向左上角推進的過程中逐漸接近所需的工藝操作區(qū)間，然后與之相交，最后再離開所需工藝操作區(qū)間；在操作區(qū)間范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化率的最小值所對應(yīng)的處理量約為85 g/h，而對應(yīng)的裂化反應(yīng)溫度約為360 ℃，其限制條件的瓶頸在于噴氣燃料的煙點要求；在操作區(qū)間范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化率的最大值所對應(yīng)的處理量約為75 g/h，而對應(yīng)的裂化反應(yīng)溫度約為370 ℃，其限制條件的瓶頸在于中油選擇性的要求。

圖6 復合工藝優(yōu)化問題所對應(yīng)的操作區(qū)間及轉(zhuǎn)化率等勢線圖 —噴氣燃料冰點/℃; —噴氣燃料煙點/mm; —中油選擇性，%; —柴油收率，%

按照相關(guān)的計算結(jié)果，分別將裂化段工藝條件設(shè)置為：壓力14.7 MPa，處理量85 g/h，反應(yīng)溫度360 ℃。在此條件下的產(chǎn)品性質(zhì)見表2。由表2可見，所估算的產(chǎn)品性質(zhì)與實際產(chǎn)品性質(zhì)相近，餾分油轉(zhuǎn)化率的誤差僅為0.27%左右，說明此方法具有良好的優(yōu)化效果。

表2 產(chǎn)品性質(zhì)估算值與實際值對比

4 結(jié) 論

為了解決加氫裂化工藝過程中復雜工藝操作區(qū)間的確立及工藝操作點的優(yōu)化問題，設(shè)計了產(chǎn)品切割方案，基于實驗數(shù)據(jù)以及樣條曲線插值的數(shù)學思想，建立了在各種工藝約束條件下的特征參數(shù)模型，并基于該模型繪制特征參數(shù)對工藝條件的等勢線圖，考察了裂化溫度和處理量對轉(zhuǎn)化率、中油選擇性、柴油收率以及噴氣燃料的收率、冰點、煙點等的影響，同時將該種建模方法和分析方法應(yīng)用于特定催化劑作用下VGO加氫裂化工藝優(yōu)化的研究，并考察了在各種復雜約束條件下，加氫裂化工藝的最優(yōu)化操作區(qū)間及其相關(guān)轉(zhuǎn)化率的極值問題。該方法方便、便捷、可靠、高效，克服了傳統(tǒng)最優(yōu)化方法的諸多不足，為尋找最優(yōu)化工藝操作點提供了最佳方案，并對油品煉化工藝中其它各種優(yōu)化問題的分析和研究具有借鑒意義。

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OPTIMIZATION ANALYSIS OF HYDROCRACKING OPERATION

Yang Dongkui1， Wang Kuo2， Wang Jifeng2

(1.LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushun，Liaoning113001； 2.FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，SINOPEC)

A numerical model was established by spline curve interpolation method to study the relationship between physico-chemical properties of the cracking products and the operation parameters of throughput and temperature in hydrocracking process. This model was applied to the optimization analysis of a VGO hydrocracking process. The smoke point and freezing point of aviation jet fuel， diesel yield as well as middle distillate selectivity were used as the constraint objects in the optimization to investigate the feasible operation parameter ranges of throughput and reaction temperature. Under the constraint objects， the minimum conversion was calculated by the model to get the operation parameters for high tail oil yield and compared with the experimental data. The comparison shows that the method has a good effectiveness and the data calculated is close to the experimental results.

hydrocracking； process parameter； spline curve； optimization analysis； VGO； constraint condition

2013-11-25； 修改稿收到日期： 2014-02-27。

楊東奎，碩士研究生，主要從事催化材料及分子模擬方向的研究工作。

王闊，E-mail：kkchemical2006@163.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(113026)。