【干货】全球炼化领域优化技术现状及发展趋势

③炼化重点装置模拟优化技术及软件

常减压蒸馏装置作为炼油厂的龙头装置，主要包括初馏塔、常压塔和减压塔等具有中间进料、多股出料、中段回流的复杂精馏塔。此类复杂精馏塔的模拟方法主要包括逐板计算法、矩阵法、F因子法，最常用的是逐板计算法，并且已形成了相应的模拟模块，如AspenRefSys的PetroleumDistillationColumn模块、Petro-SIM的DIS-SIM、AspenPlus的PetroFrac模块等。这些模块已应用于诸多炼厂，均能达到满意的精度。

催化裂化装置是炼油厂重要的二次加工装置，其模拟优化的核心在于反应-再生系统。目前，国内外开发的相关模拟优化软件产品主要有Aspen公司的AspenFCC和AspenRefSYSCatCracker、KBC公司的FCC-SIM、Shell公司的SHARC等以及国内洛阳石化工程公司的FCCM。其中，AspenFCC软件的反应模型部分采用了目前表征催化裂化反应较为全面和成熟的21集总反应动力学模型，能够比较合理地描述催化裂化的反应历程，提升管反应器模型设1个预提升段和2个反应段，产物分离部分采用关联方法进行切割，可以模拟进料性质、操作条件等变化时产物分布和产品性质的变化规律，还可以进行装置的优化计算，设定的优化目标可以是特定产品的最大收率，也可以是装置的最大经济效益，优化变量为原料预热温度、提升管出口温度、再生烟气含氧、沉降器压力、再生器压力、回炼油流量、回炼油浆、催化剂活性等。AspenRefSYSCatCracker是一款简单易用的严格机理模型，是AspenRefSYS中的炼油单元模块，能够迅速集成到全厂流程中。

KBC公司的FCC-SIM是催化裂化装置机理模拟模型，用严格的焦炭燃烧动力学原理建立热量平衡模型，具有详细的提升管反应器、再生器烧焦等动力学模型，催化剂活性模型能够为某一具体的催化裂化单元选择最优原料、转化率和催化剂等。

Shell公司1995年推出的SHARC也是严格机理模型，可用于预测原料、催化剂与操作条件变化对催化裂化装置运行的影响，优化装置运行，至今已升级7次。该模型先计算出装置的碳与热平衡，再预估原料、催化剂加入率与操作条件变化对收率与产品性能的影响，使用户通过原料选择与优化、催化剂评估与控制来改善装置运行；采用Shell专有的原料特性表示技术，如用不可蒸发焦炭（NVC）预测焦炭产率比通常用康拉逊残炭更确切；具有开放式结构，易与其它在线优化器、炼油厂线性规划模型结合应用。洛阳石化工程公司的FCCM是在重油催化裂化十三集总动力学模型和催化剂再生本征动力学和再生器流动、传递模型的基础上开发的，适用于不同类型的反应器和再生器。

催化重整是炼油厂重要的二次加工装置之一，重整反应动力学模型的研究和开发是实现重整装置全流程模拟的核心内容。由于参与反应的化合物达300多种，涉及环烷烃脱氢芳构化、烷烃脱氢环化、异构化、加氢裂化等反应，这些反应或串联、或并行、或交叉，构成了复杂的反应体系，因此反应动力学模型开发过程的关键是合理简化集总组分，构造组分间的反应网络。目前，国内外学者已开发了许多集总反应动力学模型，包括Smith的4集总模型、Ramage的13集总模型、翁惠新等人提出的16集总模型、Jorge的24集总模型、Froment的28集总模型等。最具代表性的是Ramage的13集总模型，该模型广泛用于工业装置的开工、过程监视、故障诊断、优化操作及设计、研究开发指导等方面，取得了显著的经济效益。目前，部分通用流程模拟软件已内置了催化重整反应模型，如AspenRefSYS的Reformer模块、KBC的Ref-SIM模块。AspenRefSYS内置的催化重整反应模型可以模拟连续重整、半再生式重整装置，具有以催化剂金属的负载及历史的催化剂表现为依据的催化剂失活速率。KBC公司的REF-SIM有连续重整、半再生重整和循环单元的模型，包含由碳数及类型决定的详细的动力学反应。

加氢裂化装置作为生产高质量轻质油品的重点装置，建模要求严格。目前，几个有代表性的加氢裂化反应动力学模型包括：1）根据产品数目和沸程范围划分的四集总模型，将该模型应用于罗马什金减压馏分油及阿兰斯减压馏分油，在一定温度、压力下，反应模型预测值与实验值一致；2）窄馏分多集总反应动力学模型，此模型在较宽的原料沸程范围预测产品的沸程及收率与中试工业数据较为一致，因此被认为可借此模型内插预测未经试验的产品收率；3）按沸点和化学性质划分的七集总模型。目前，通用的加氢裂化模拟软件有AspenRefSys的Hydrocracker模型和KBC的HCR-SIM模型。其中，Hydrocracker模型包括所有关键反应的模型，如加氢脱硫、加氢脱氮、脱金属、烯烃及芳烃饱和、开环、脱烷环化、石蜡裂解、石蜡异构化以及催化剂失活模型。KBC的HCR-SIM模型也包含所有关键反应，利用详细的热平衡计算反应床温度的上升，能够准确预测产物和氢气的消耗量。

加氢精制流程包括反应器、汽液分离器、换热器、汽提塔、离心式压缩机等，反应动力学模型包括烯烃饱和模型、脱硫模型、脱氮模型、脱氧模型、芳烃饱和模型、芳烃开环模型以及环烷烃开环模型等。目前，通用的加氢精制模拟软件有AspenRefSys的Hydrotreator模型和KBC的DHTR-SIM模型。Hydrotreator模型包含专门的馏分油、蜡油及渣油原料模型；DHTR-SIM模型具有对所有关键反应的严格动力学表征，包括加氢脱硫、加氢脱氮、芳烃饱和及裂解，对超低硫含量级别的脱硫能够准确表征。

针对延迟焦化装置机理模型的文献报道较少，目前开发的焦化装置模拟软件产品主要有KBC的DC-SIM、洛阳石化工程公司DCLK和中国科学院过程所的重油延迟焦化流程模拟系统。其中，KBC公司的DC-SIM软件是延迟焦化装置机理模拟模型，能够模拟焦炭塔温度、循环比、操作压力和原料性质等关键工艺变量的各种影响，可以内置于Petro-SIM中使用。洛阳石化工程公司的DCLK软件是基于焦化十一集总反应动力学动态机理模型开发的可动态模拟工业延迟焦化过程的模拟优化软件，该软件可以体现工业延迟焦化装置的非稳态性等特点，能够预测焦炭塔一个操作周期内任意时刻的产品产率和焦炭塔内各物料的即时组成。中国科学院过程与日本三菱公司合作开发的重油延迟焦化流程模拟系统，包括延迟焦化反应器模型、延迟焦化全过程流程模拟、基于有效能的全过程能效分析模型和数据库系统等，能够单独运行，也可与流程模拟软件如Pro/II、Aspen等实现联接。

乙烯装置的节能优化方向主要包括裂解反应模拟优化和冷区模拟优化。目前，裂解反应模型可分为以下3类：以KSF裂解深度函数和PONA值描述裂解过程产品分布模型为代表的经验动力学模型；以kumar模型为代表的分子反应动力学模型；以SPYRO模型为代表的机理模型。主要软件产品有：SPYRO（TECHNIP）、ECU(SHELL)、OlefinSim(KBC)、PYRO-SimP(清华大学)等。其中，最成功的当属SPYRO模型，其最新的动力方案包含了涉及大约240个自由基和分子品种（或当量组分）的超过7000个反应，可以预测从C2到HVGO的裂解产品收率。SPYRO程序计算分成两个阶段，第一阶段采用简化动力学模型计算精确的压力分布和物料的温度分布；第二阶段按自由基反应机理，根据第一阶段所得温度分布进行焓平衡和基元反应的动力学计算。通过与流程模拟软件集成，联动SPYRO迭代计算，优化过程中的多方案计算和生产数据的动态模拟，使生产运行情况得到更为准确的反映，从而优化乙烯裂解原料和产物结构，达到节能增效的目的。采用此模型对裂解炉进行操作管理、原料选择和生产过程最优化，预计能够提高乙烯收率1%~4%。例如，2004年10月以后，燕山石化乙烯原料受炼油装置加工外油影响逐渐变差，乙烯收率持续下降，裂解炉运行周期明显缩短，通过对裂解原料、工艺条件、裂解产物组成等跟踪，应用SPYRO软件对裂解炉进行模拟计算，运用可用功分析、夹点分析等技术，提出了优化分离序列、换热流程和操作等优化方案。装置2005年3月开始运行，工业数据表明：在运行周期没有受到很大影响的前提下，乙烯收率提高了近1%。