信息技術應用于生產裝置的流程模擬

孫陽

[摘 要]隨著世界經濟的高速發展，世界各國對原油，特別是輕質油品的需求呈現持續上升的狀態。由于當前世界原油儲量中，重質且含硫原油越來越多，但直接使用質量低劣的石油產品會造成十分嚴重的環境污染，因此，如何增加重油（蠟油等）加工深度成為各煉油廠的主要創新技術之一。同時，生產裝置都具有大型化、復雜化的特點，企業在生產過程中，不能隨意改變操作條件，這就體現了采用信息技術模擬生產裝置的必要性。本文以加氫裂化裝置為例，研究如何利用當前的信息技術模擬該裝置流程，以用于日常調節裝置生產工藝情況，還可應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化等。

[關鍵詞]信息技術；模擬；工藝優化；節能降耗

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.04.016

[中圖分類號]F270.7；TQ019 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）04-00-02

1 研究背景

人類社會的持續發展和進步，使石油成為推動人類發展的能源之一，更是在不斷地沖擊著國內外的資源市場。正是由于現代產業對石油的關注度增大，導致石油具有超越普通商品的特殊性。據美國能源部預測，今后的20年能夠增加石油供應的主要是OPEC（石油輸出國組織）成員國，大致可能從2010的22.05億噸增長到2020年的30.97億噸。通過查閱文獻可知，我國對燃料油、中間餾分油（柴油和噴氣燃料）、汽油消費總量的需求量還會增大，但柴油的增長速度會低于對汽油的需求。

綜上所述，未來汽、柴油的需求量會繼續加大，因此，如何根據市場形勢調整企業工藝流程方案，是未來的重要工作之一。對重油進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行加氫、脫硫、脫氮等反應的一種催化轉化過程。通過加氫裂化過程，可以生成品種多、質量相對較好的產品，像輕石腦油、尾油等優質的石油化工原料，也可以是加氫裂化的產品。除此之外，加氫裂化還具有液體產品收率高、生產靈活性高等特點，這種優勢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，對該裝置進行工藝流程模擬，從而指導裝置的生產，優化裝置生產工藝。

2 流程模擬技術

2.1 流程模擬技術介紹

流程模擬主要是一種工藝設計的軟件，在設計中需要計算機的輔助，這類型軟件可以通過輸入一系列有關工藝流程的信息，得出相應的產物數據，主要是用于工藝的過程設計及開發計算。這種模擬，以工藝的機理模型為基礎，采用數學等方法，進行工藝計算及能量分析。

應用流程模擬，可以大量節省為了找到最佳工藝條件而消耗的時間及人力資源，一旦將工藝過程模擬出來后，可以從整個裝置的角度認識、分析生產中的各類型問題，對于裝置的優化、流程的變更都具有重要作用。

2.2 流程模擬軟件的進展

流程模擬是20世紀50年代末期開始發展起來的，經過一系列的變革，目前國內外主要的模擬軟件有美國公司研發的PRO/II、Aspen Plus和Hysys，英國KBC的Petro-SIM，青島化工學院研發的國內唯一一套完整的模擬軟件ECSS系統等。流程模擬充分體現了計算機與化工的融合。

通過對比分析，各流程模擬軟件相關特點，見表1。

2.3 本文的研究內容

本文以150萬噸/年加氫裂化裝置為案例，應用化工流程模擬軟件Petro-SIM，對加氫裂化裝置建立模擬模型。通過模擬模型，找出最佳的生產方案。在此基礎上，還可以將模擬結果應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流程變更所需要的實驗費用，還可以用于員工的日常裝置培訓。

3 流程模擬過程

3.1 加氫裂化工藝流程的特點

裝置特點：反應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，節省換熱面積。分餾設置脫氣塔，采用分餾進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品一般主要為烷烴、環烷烴、芳烴和少量雜環的硫化物和氮化物，因此，可以視為非極性或弱極性物質，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手冊和互聯網相關文獻得出。

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，不能籠統地用簡單的形式進行描述。因此，在20世紀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蒸餾曲線，可以被看作是有限數目經過精確切割的窄餾分混合物，并將每一個窄餾分作為一個純組分處理。

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 模擬中熱力學模型的選擇

流程模擬中單元操作模型都需要熱力學性質的計算，影響因素主要有逸度系數、相平衡常數、熵、擴散系數以及表現張力等。

本次模擬的熱力學模型根據文獻所查熱力學模型決策樹選用Peng Robinson。

3.2.4 流程模擬結果

模型的建立過程如下。

第一，數據準備。流程模擬需要裝置PFD流程圖，裝置標定報告，裝置的操作參數，催化劑裝填表，裝置設計的SOR、EOR。

第二，建立物料平衡，計算裝置的原料、產品。

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遇到一系列的問題，例如：物料平衡有問題，數據輸入錯誤，單位輸入錯誤，物料性質不符合常規，反應器參數、催化劑參數、循環氫流量等出現錯誤，這都可能導致模型不收斂，因此需要耐心地檢查，直到將錯誤排除。

物料平衡一般會存在誤差，模型會通過建立氫平衡、硫平衡和氮平衡，驗證和調整物料平衡，使物料平衡更準確。具體分餾系統模擬模型如圖1所示。

4 模擬優化結果

過去國家為了滿足市場需求，國內的大部分煉廠都在追求高的汽柴比，隨著當前國際市場的變化，目前成品油的需求市場主要有汽車帶動，因此不再需要多產柴油組分，且此市場在短期內不會有大幅度的變化。

為了增產石腦油和航煤，減少柴油產量，實際操作中可以降低分餾塔柴油抽出溫度，減少柴油抽出量，增大塔底尾油循環量實現。模型中可以通過降低分餾塔柴油和循環油的切割點，增大塔底尾油循環量實現。模型中，柴油和尾油的切割點從382 ℃降到350 ℃，尾油循環量從76 噸/小時增加到110噸/小時。根據模型模擬的情況，以加氫裂化裝置某一工況和降低柴油和尾油切割點方案的收率進行對比，并進行年化效益計算，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，有益于當前企業的運行。

5 結 語

通過信息技術模擬生產裝置，可以準確地預測企業裝置的運行情況，有效地根據市場形勢對工藝流程進行部分調整，真正地將信息領域應用在石油煉制的工藝生產中，這也是未來“互聯網+”的發展趨勢之一。

主要參考文獻

[1]湯湘華.世界石油供需分析與展望[J].當代石油石化，2002（7）.

[2]馬艷秋，劉立軍，卜巖，等.煉油加氫裝置生產能力現狀與分析[J].煉油技術與工程，2012（6）.