（化学工程与技术专业论文）基于流程模拟的常减压操作与运行周期优化.pdf

o p e r a t i o na n dr u n n i n gc y c l eo p t i m i z a t i o no f a t m o s p h e r i c a n dv a c u u md i s t i l l a t i o nb a s e do nf l o w s h e e ts i m u l a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：n ij i e s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gc h a o h e c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名；：f ! 丞日期：口，年多月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：望主三 指导教师签名：二芋冱辫 日期：少，年( 月7 日 日期莎力年f 月7 日 摘要 原油作为最重要的能源之一，其需求在今后很长一段时间将保持持续的增长，而其 供应的重质化和劣质化也将成为今后的发展趋势。在不断走高的油价面前，高酸原油由 于其较低的价格成为炼厂提高经济效益的“机会原油 ，其加工越来越受到炼油企业的 重视。常减压蒸馏装置是原油加工的龙头装置，它不仅可以直接提供部分油品，还为二 次加工装置提供合格原料。常减压装置的设计和操作情况将直接影响炼厂的产品质量、 产量和经济效益，因此对该工艺流程的模拟和优化具有十分重要的意义。 本文以青岛炼化常减压装置为基础，以加工油品的性质数据和现场采集的操作参数 为依据，在a s p e np l u s 流程模拟软件平台上建立该常减压装置的模型，并将主要工艺参 数、物料平衡、产品性质等方面的模拟值与实际值通过对比分析进行准确性检验，得到 较为准确的装置模型。 通过考察常减压装置主要产品的恩氏蒸馏曲线，发现常一线航煤和常二线轻柴油有 一定的重叠度，有增产航煤的潜力，常压塔的分离精度有待提高。运用灵敏度分析的方 法考察主要操作参数与常一线和常二线分离精度之间的关系，确定常二线汽提蒸汽量、 常二中循环回流量和常顶采出量为操作变量，以常压塔主要产品的控制指标为约束条件 进行离线寻优，得到了优化后的操作条件。结果表明：在优化后的操作条件下，航煤产 量提高2 7 ，轻质油品( 包括石脑油、航煤和柴油) 总体收率提高1 3 3 个百分点。 常减压装置是加工高硫高酸原油腐蚀最为严重的区域，腐蚀问题也是影响装置操作 周期的重要因素之一。本文通过考察影响常减压装置高温腐蚀的主要因素，选取温度、 硫含量、酸值以及设备的材质为考察对象，研究它们与腐蚀速率的关系，运用流程模拟 技术与腐蚀试验研究相结合的方法对常减压装置高温部位的腐蚀情况进行了分析。在常 减压装置模型的基础上，模拟计算其内部的温度分布、硫含量分布和酸值分布，采用高 温高压釜挂片腐蚀试验的方法模拟实际生产中的腐蚀情况并得到相应的规律，结合两部 分的试验结果得到装置的腐蚀速率模型，并通过参考相关行业标准和实际生产中的腐蚀 情况，对模型进行了修正和完善。该腐蚀速率模型基本上能够反映青岛炼化加工高硫原 油时常减压装置的腐蚀情况，并能够为腐蚀防护工作的开展提供依据。 在建立的常减压模型和腐蚀分析方法的基础上，根据高硫和高酸原油的性质数据， 选取较典型的高硫沙特重油和高酸苏丹原油进行掺炼的模拟分析，掺炼方案设定为苏丹 原油：沙特重油= l ：l ，1 ：3 和1 ：5 ( 质量比) 。分析了不同掺炼方案的模拟结果，从物料 平衡、产品性质、装置气液相负荷和腐蚀情况等方面进行综合考察，确定掺炼方案3 为 较可行的方案，为炼厂的掺炼j j 口t _ 提供了技术指导和数据支持。 关键词：流程模拟，常减压，腐蚀分析，操作优化 a b s t r a c t c r u d eo i li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n e r g y , t h ed e m a n do fw h i c hw i l lk e e po n g r o w i n gf o ral o n gt i m e ，a n di t ss u p p l yb e c o m e sd e g e n e r a t e di nt h ef u t u r e i nt h ef a c eo fh i g h o i lp r i c e ，h i g ha c i dc r u d eo i li sc o n s i d e r e dt ob e o p p o r t u n i t yo i l d u et oi t sl o w e rp r i c e ，a n d g e t sm o r ea t t e n t i o nf r o mr e f i n e r i e st oi m p r o v ee c o n o m i cb e n e f i t a t m o s p h e r i ca n dv a c u u m d i s t i l l a t i o nu n i ti st h el e a d i n gd e v i c eo ft h er e f i n e r y , w h i c hn o to n l yp r o d u c e sp e t r o l e u m p r o d u c t sb u ta l s op r o v i d e sr a wm a t e r i a l sf o rs e c o n d a r yp r o c e s s i n gd e v i c e t h ed e s i g na n d o p e r a t i o no fd i s t i l l a t i o nu n i th a v ed i r e c t l ye f f e c t so nt h ep r o d u c tq u a l i t y , p r o d u c tr a t ea n d e c o n o m i cb e n e f i to fr e f i n e r i e s ，s ot h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h i sp r o c e s si so fg r e a t b a s e do nt h ep r o p e r t yd a t ao fc r u d eo i la n dp r o c e s so p e r a t i o np a r a m e t e r sf r o mt h e d i s t i l l a t i o nu n i to fq i n g d a or e f i n e r y , w eu s e da s p e np l u st oe s t a b l i s ht h ea t m o s p h e r i ca n d v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i tm o d e la n dc o m p a r e ds i m u l a t e dv a l u e sw i t ha c t u a lo n e si nt e r m so f t h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r s ，m a t e r i a lb a l a n c e ，p r o d u c tq u a l i t y , e t c t og e tt h eb e t t e r o p t i m i z a t i o nm o d e l o nt h i sb a s i s ，w ec o n d u c t e dt h eo p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o na n dr u n n i n g c y c l e w ef o u n dt h a tt h e r ew e r ec e r t a i no v e r l a pd e g r e e sb e t w e e na v i a t i o nk e r o s e n ea n dl i g h t d i e s e lo i la f t e rs u r v e y i n ga s t md 8 6c u r v e so ft h em a i np r o d u c t so fd i s t i l l a t i o nu n i t ，a n dt h e p r o d u c t i o no f a v i a t i o nk e r o s e n ea n dt h es e p a r a t i o na c c u r a c yc o u l db ei n c r e a s e d b ya n a l y z i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m a i np r o c e s sp a r a m e t e r sa n ds e p a r a t i o na c c u r a c y , w ed e c i d e dt h e s t r i p p i n gs t e a mm a s sf l o wo ft h es e c o n ds i d e s t r e a m ，t h ep u m p a r o u n d m a s sf l o wo ft h es e c o n d i n t e r m e d i a t er e f l u xa n dt h et o pd r a wo fa t m o s p h e r i ct o w e ra st h eo p e r a t i n gv a r i a b l e s u n d e r t h ec o n s t r a i n t so fa t m o s p h e r i cp r o d u c t s g u i d e p o s t s ，w eg o tt h eo p t i m i z e do p e r a t i n g c o n d i t i o n sb yo f f l i n eo p t i m i z a t i o n ，w h i c hi m p r o v e dt h ep r o d u c t i o no fa v i a t i o nk e r o s e n ea n d t h ey i e l do fl i g h tp r o d u c t s ( i n c l u d i n gn a p h t h a ，a v i a t i o nk e r o s e n ea n dd i e s e l ) t h ep r o d u c t i o n o fa v i a t i o nk e r o s e n ei n c r e a s e d2 7 a n dt h ey i e l do fl i g h tp r o d u c t si n c r e a s e d1 3 3 c o r r o s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eo p e r a t i o nc y c l eb e c a u s e a t m o s p h e r i ca n dv a c u u md i s t i l l a t i o nu n i ti st h em o s ts e v e r ec o r r o s i o na r e ai nh i g h - s u l f u ra n d h i g h a c i do i lp r o c e s s i n g t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e d t h em a i nf a c t o r so fh i g ht e m p e r a t u r e c o i t o s i o no fc r u d eo i ld i s t i l l a t i o nu n i ta n dt o o kt e m p e r a t u r e ，s u l f u rc o n t e n t ，a c i dv a l u ea n dt h e i i i m a t e r i a lo fe q u i p m e n ta st h ea n a l y s i so b je c tt os t u d yt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t hc o r r o s i o nr a t e w e a n a l y z e dt h ec o r r o s i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r ez o n e so fa t m o s p h e r i ca n dv a c u u md i s t i l l a t i o n u n i tb yt h em e t h o do fc o m b i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o r r o s i o ne x p e r i m e n ta n d p r o v i d e ds o m ep r o p o s a l sf o rc o r r o s i o np r o t e c t i o n f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sm o d e lo fa t m o s p h e r i ca n dv a c u u md i s t i l l a t i o nu n i t a n dc o r r o s i o na n a l y s i sm e t h o dw ec a r r i e do u tb l e n d i n gs i m u l a t i o na n a l y s i so fs a u d ih e a v yo i l a n ds u d a n e s ec r u d eo i li nt h ef o l l o w i n gm a s sr a t i oo f1 ：1 ，1 ：3a n d1 ：5r e s p e c t i v e l y w e a n a l y z e dt h es i m u l a t e dr e s u l t si nt h ea s p e c to fm a t e r i a lb a l a n c e ，p r o d u c tp r o p e r t i e s ，g a s - l i q u i d l o a da n dc o r r o s i o nd i s t r i b u t i o n ，a n dc o n c l u d e dt h a tt h eo p t i o n3w a st h ef e a s i b l ep r o g r a m t h e s ea n a l y s e sc a np r o v i d et h er e f i n e r yw i t ht e c h n i c a lg u i d a n c ea n dd a t as u p p o r tf o rb l e n d i n g p r o c e s s o p t i m i z a t i o n s i m u l a t i o n ，a t m o s p h e r i ca n d v a c u u md i s t i l l a t i o n u n i t , c o r r o s i o na n a l y s i s ， 1 1 。2 2 1 2 2 流程模拟技术6 1 3 原油蒸馏塔的数学模型8 1 3 1 精馏原理8 1 3 2 平衡级稳态模型9 1 3 3 精馏塔数学模型的计算方法。1 2 1 4 常减压装置的腐蚀1 3 1 4 1 常减压装置腐蚀的机理及分布1 3 1 4 2 常减压装置的防腐措施l5 1 4 3 加工高硫高酸原油的信息化发展1 7 1 4 4 相关行业标准1 7 1 5 研究的目的和意义1 9 1 6 本文主要研究内容和创新点1 9 第二章常减压工艺原理及流程模拟方法2 l 2 1 常减压装置的工艺流程2 1 2 1 1 常压塔流程，2 2 2 1 2 减压塔流程2 3 2 1 3 轻烃回收流程2 4 2 2 常减压装置模型的建立，2 5 2 2 1 应用a s p e np l u s 建立常减压装置模型2 5 2 2 2 原油数据输入j 2 5 2 2 3 物性方法的选择2 9 2 2 4 收敛方法的选择3 0 2 2 5 常减压主要设备模型的建立3 0 2 2 6 工艺流程模型的建立3 2 v 3 2 2 多产航煤的操作优化。4 5 3 3 本章小结4 6 第四章常减压装置运行周期的优化o 4 7 4 1 腐蚀分析方法4 7 4 1 1 常减压装置高温部位腐蚀的影响因素4 7 4 1 2 常减压装置腐蚀分析的技术路线4 8 4 2 常减压装置高温部位腐蚀分析5 0 4 2 1 常减压装置主要设备材质5 0 4 2 2 腐蚀介质分布5 l 4 2 3 高温硫腐蚀试验数据5 5 4 2 4 腐蚀速率计算5 6 4 3 高硫高酸原油掺炼方案的确定6 0 4 3 1 不同掺炼方案的模拟计算6 0 4 3 2 掺炼方案的选取7 2 4 4 本章小结7 2 结论7 4 参考文献7 5 致谢7 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章前言 本课题来源于中国石化青岛炼化公司“掺炼高硫高酸重质原油技术研究”项目。青 岛炼化【l 】常减压蒸馏装置的设计加工量为1 0 0 0 万吨年，是该公司原油加工过程的第一套 装置，由中国石化工程建设公司设计，中国石化第十建筑公司施工，占地面积3 9 6 公顷， 于2 0 0 8 年5 月首次开车成功并投入正常生产。该装置为燃料化工型蒸馏装置，主要加 工来自中东地区的高硫原油，装置包括电脱盐系统、换热网络系统、常压系统、减压系 统、轻烃回收系统等。原油在该装置内经脱盐脱水、常压蒸馏、减压蒸馏和轻烃回收后 被分为液化气、石脑油、航煤、柴油、蜡油和减压渣油等，为后续加工装置提供合格原 料。 近年来，随着全球经济的复苏，原油价格已从金融危机时的低位运行中走出，2 0 1 0 年国际原油期货价格保持在8 0 美元桶左右的高位，2 0 1 1 年初更是突破了1 0 0 美元桶，原 油危机重现【2 1 。原油成本已成为决定炼油厂利润的重要因素【3 1 ，这就迫切需要炼油厂增 强对不同种类原油的适应性，尤其是选择加工经济性较好的重质、劣质原油。高酸原油 是典型的劣质廉价原油，在全球新发现和新开发的油田中，高酸原油占有较大比例。2 0 0 9 年，全球高酸原油产量超过4 亿吨，占总产量的1 c ；我国高酸原油年产量在5 7 0 0 万吨 左右，约占全国总产量的3 0 t 4 1 。另一方面，我国延续了能源消费持续上升的趋势，2 0 1 0 年我国原油表观消费量达到4 3 9 亿吨，其中进口原油2 3 9 亿吨，对外依存度达5 3 8 。高 酸原油的进口和加工可以在一定程度上缓解原油的供应紧张，并能够给炼油企业带来可 观的利润。 中石化加工进口原油量占到总加工量的7 0 以上，其中高硫原油加工能力占总加工 能力的1 4 ，具备加工劣质原油的条件。但对加工原油的种类分析后发现， n 1 0 m g k o h g 的高酸原油加工量很小【5 吲。因此，中石化在加工高酸劣质原油方面 具有相当的潜力。青岛炼化公司主要加工来自中东地区的进口原油，包括沙特中油、沙 特重油、伊朗重油、科威特重油等，特点是硫含量高，酸值低，该常减压蒸馏装置采用 了较高规格的设备材质，以应对加工高硫原油带来的腐蚀问题。为进一步提高炼厂对原 料的适应能力，降低成本以提高企业的竞争力，青岛炼化提出了掺炼高硫高酸重质原油 的研究课题。 一 第一章前言 1 2 现状及挑战 1 2 1 高酸原油加工 1 2 1 1 高酸原油加工现状【7 】 原油作为最重要的能源之一，其需求在今后很长一段时间将保持持续的增长，据欧 佩克预测，至1 j 2 0 3 0 年石油产品需求将增j j l l l 7 亿“a ，而原油质量的重质化和劣质化也成为 世界原油供应的发展趋势。在不断走高的油价面前，高酸原油由于其较低的价格成为炼 厂提高经济效益的“机会原油”，尤其是高酸原油的价格仅为普通原油的8 0 左右，扣 除增加的加工附加费，额外增加的经济效益仍十分可观，越来越受到炼油企业的重视。 2 0 0 9 年以来，各类原油的加工利润从低到高依次为高硫原油、含硫原油、低硫原油、高 酸原油。 我国进口原油主要来自中东、西非和中亚、俄罗斯地区，随着迸一步加强能源安全， 我国积极地开展了原油贸易活动，南美地区将成为我国重要的原油供应地之一。其中高 酸原油的迸口逐年增加，如苏丹的达混原油、安哥拉的奎都原油以及巴西的阿尔巴克拉 原油和荣卡多原油等。我国生产的高酸原油主要来自胜利油田、辽河油田和渤海海上油 田等地。我国炼厂加工的主要高酸原油性质如表1 1 。 表1 1国内外几种高酸原油的主要性质 t a b l e l 一1 p r o p e r t i e so fs e v e r a lh i g ha c i dc r u d eo i l 高酸原油因其密度大、轻馏分含量少、金属含量高、破乳脱盐脱水难度大等方面的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 特点，直接加工难度大 8 】，而且较高的酸值会带来设备的腐蚀问题，腐蚀问题是造成生 产事故、影响装置安全运行的重要因素之一。近年来，我国很多炼油企业都为加工高酸 原油进行了适应性改造，采取了设备材质升级，增力n - r _ 艺防腐等措施。 中国石化在2 0 0 7 年为加工达混原油对镇海炼化、茂名石化、广州石化、金陵石化等 企业的部分常减压装置进行了改造【9 - 1 们，其中广州石化分公司加工原油的酸度设防值达 到了2 3 m g k o f l g ，金陵石化8 0 0 万吨年常减压装置可掺炼3 0 以上的高酸原油，高桥石 化对电脱盐装置改造后可以满足达混原油脱盐后直接催化加工的需要。2 0 0 8 年中国石化 高酸原油加工量较上年增长了4 4 4 ，此外还通过对青岛石化进行加工高酸原油的适应 改造，使其成为专门加工高酸原油的炼化企业，进一步提高了高酸原油的加工能力。 中海油惠州大炼油一期项目，是世界上第一套全转化高酸原油的特大型炼厂【1 1 1 ，也 是我国首套单系列最大、专门用于加工重质高酸原油的炼油项目。惠州炼油一期项目设 计年a n ：i ：高酸原油1 2 0 0 万吨，进料酸值最高可达4 0 m g k o h g ，主要加工渤海油田的海 上高酸原油和进口高酸原油。 中国石油在东北地区的石化企业除了加工自产的辽河高酸原油外，还加工部分进口 高酸原油。大连石化加工进口高酸原油的能力已在8 0 0 万吨年以上。2 0 0 8 年辽阳石化试 炼高硫、高酸、高黏度委内瑞拉原油获得成功，进一步拓展了原油资源的渠道，对扩大 企业发展空间和提高经济效益具有重要意义。 1 2 1 2 高酸原油加工新技术 高酸原油在加工时会面临严重的腐蚀问题，这就需要做到精心的设计和严格的选材， 尤其常减压装置的选材是关键。同时也要重视工艺防腐措施，搞好“一脱四注 ( 原油 电脱盐脱水、脱后注碱、塔顶注氨或缓蚀剂、塔顶注水) 对控制蒸馏装置塔顶腐蚀有重 要意义。 高酸原油的加工可以分为以下几种模式门： ( 1 ) 集中加工。如设计加工重质高酸原油的中海油惠州大炼油一期项目，另外中 石化青岛分公司经过加工高酸原油的适应性改造后也成为专门加工高酸原油的炼化企 业。 ( 2 ) 常减压装置集中加工，二次装置混合加工。这种模式适用于有多套蒸馏装置 的大型炼厂，通过对其中一些蒸馏装置进行加工高酸原油的改造，可以同时加工高酸和 低酸原油；将各馏分混合后再进行二次加工，可控制混合后油品的酸值，避免对下游装 3 第一章前言 置的影响。 ( 3 ) 混合加工。近年来随着原油进口量的不断增加，进口原油的种类也越来越多， 掺炼成为炼厂必要的加工方式，许多炼厂为了提高经济效益，通常采用掺炼价格相对较 低的高酸原油以控制成本。 ( 4 ) 脱盐脱水后直接进二次加工装冕。高酸重质原油与一些普通原油的渣油性质 类似，这也为高酸原油直接进二次加工装置提供了一条新的思路，主要包括石蜡基高酸 原油进催化裂化装置和中间基、环烷基高酸原油进延迟焦化装置等。下面对这两种工艺 进行简要介绍： a 高酸原油全馏分催化脱酸和裂化一体化成套技术 中国石化多年加工高硫高酸的胜利原油，对高酸原油加工的研究起步较早，积累了 丰富的经验，具有一定的技术和市场优势。针对高酸原油的特殊性质，中石化部署石科 院立项攻关，探索出一条加工高酸原油的技术新途径，即高酸原油直接进催化裂化装置 加工技术，不仅解决了高酸值原油带来的腐蚀问题，同时也缩短了加工流程，提高了经 济效益。该技术项目由石科院、清江石化和青岛安工院共同承担，2 0 0 6 年1 1 月至2 0 0 7 年 2 月在清江石化进行工业试验并获得成功，加工酸值3 5 m g k o h g 的高酸原油约3 6 万吨， 新增效益超过4 0 0 0 万元。该技术具有工艺流程短、无须特殊防腐设备、投资少、效益高、 操作费用低等优点。截止2 0 1 0 年7 月，该项新技术已在上海高桥石化推广应用两年半， 通过加工高酸原油累计新增效益超过1 3 亿元。 汪燮卿等人针对高酸原油的特点，提出了流化催化裂解加工高酸原油的工艺 1 刁( 如 图1 1 ) 。其基本原理是使原料在高温条件下与高度分散的流态化催化剂接触，发生脱酸 和裂解反应，避免了环烷酸与设备接触引起的腐蚀。该工艺有如下优点： ( 1 ) 原料加热到2 0 0 后经过水蒸气雾化直接进入提升管反应器，不需要常规流程 中的常减压塔和加热炉j 从而避免了高酸原油对设备的腐蚀。 ( 2 ) 高酸原油经过催化脱酸，原料中的环烷酸等酸性物质中的羧基被转化为c o 或 c 0 2 ，避免了对后续加工设备的腐蚀，同时主要产品酸度指标符合质量要求，不需要额 外的精制过程。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 空 + 蒸汽 卜换熟器 2 一提升管反应器 3 一沉降器 4 一分馏塔 5 一澄清罐 6 一催化剂再生器 图1 l 流化催化裂解加工高酸原油流程 f i 9 1 - 1p r o c e s s i n gf l o w s h e e to fh i g ha c i dc r u d eo i lw i t hf l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n g 胡永庆等在中国石油大学开发的两段提升管催化裂化工艺基础上，对苏丹高酸原油 进行了两段催化裂化反应研究，并考察了不同催化剂对反应产物分布的影响【1 3 1 。结果显 示苏丹高酸原油有较好的催化裂化性能，采用两段催化裂化技术可以明显提高转化率和 低碳烯烃产率，同时降低汽油中烯烃的含量，增加柴油收率。 b 高酸高钙原油延迟焦化技术【1 4 】 延迟焦化技术作为加工重质和劣质原油的重要工艺，有适应性强、投资少、见效快 等特点，越来越多的被炼油厂重视和采用。高酸原油一般密度大、粘度大，尤其是沥青 质、胶质含量高，延迟焦化是一条非常有效的加工路线。 由中国石油华东设计院开发的加工高酸、高钙原油的延迟焦化技术成功应用于苏丹 喀土穆炼油厂延迟焦化装置，该装置采用“两炉四塔 流程，主要加工苏丹六区稠油与 稀油的混合原油，设计年加工能力2 0 0 万吨。作为世界首套加工高酸高钙重质原油的延 迟焦化装置，开工以来运行平稳，产品质量合格，主要技术经济指标均达到或超过了设 计值，经受住了长期运行的考验。 以往应用常减压装置加工高酸原油时，各馏分油酸值均较高，不但会对设备和管线 造成腐蚀，而且对重整、加氢等二次加工造成严重影响。采用延迟焦化工艺时，原料中 的环烷酸会在高温下分解，各馏分油的酸值要比常减压装置产出的相应馏分油低得多， 对二次加工装置造成影响也会大大减轻。同时可利用焦化装置的低温热源加热原油，节 省能耗；利用分馏塔底高温油气的热量使原料中的轻组分闪蒸，节省了常压炉。该工艺 5 第一章前言 技术为加工劣质原油开辟出了一条新道路。 1 2 2 流程模拟技术 1 2 2 1 流程模拟技术在炼油工业中的应用 化工过程模拟技术发展至今己经有近5 0 年的历史，随着近年来计算机技术的迅猛发 展，这项技术有了长足的进步并被广泛应用，运用该技术能够很好的解决一些大型的、 实际的非线性问题，并产生了明显的经济和环境效益，成为企业提高经济效益，降低生 产成本，增强创新能力和综合竞争力的主要技术手段之一【1 5 】。 化工过程模拟技术的实质是采用数学的方法来描述化工过程：以工艺过程的机理模 型为基础，应用计算机等辅助手段，对过程进行分析计算，并做出经济和环境评价。准 确的数学模型可以真实的反映工艺装置的运行情况，因而可采用“计算机实验”的方法进 行操作条件的优化模拟计算，不但方便快捷，而且费用低、安全性高。该技术可以使我 们从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中的问题，进行流程剖析、装置调优和过 程综合，以达到优化生产、节能降耗、环境友好、提高收益的目的。过程模拟技术在设 计新装置，分析现有装置性能以及优化操作等方面被广泛应用。 过程模拟技术与先进控制技术相结合，能够很好地实现装置安全平稳运行和卡边操 作。先进控制模拟技术在常减压蒸馏装置稳定运行、控制产品质量、节能降耗、提高装 置运转性能中的作用日益重要。上个世纪8 0 年代以来，国外一些公司相继开发出了各种 先进的控制软件包，包括调节模块、收率优化模块、能耗最小化模块及离线和在线装置 优化模块等。根据快速响应的过程参数，采用推断模型来预测产品质量，利用在线寻优、 数学规划和约束控制技术来保证装置的最优化操作。美i 虱d y n a m i cm a t r i x 公司开发的闭 环实时优化( d m 0 ) 系统和多变量约束预测控制( d m c ) 系统，能够保证常减压装置 的操作始终处于最佳状态，并把原油性质变化造成的影响减到最小，采用该技术能够提 高装置的加工能力和产品收率，并且降低能耗、提高收益。美国k b c 公司的p r o f i tm a n a g e r 技术可以使用户准确评估产品质量和收率，确定最佳操作条件，并能够根据原料和产品 价格的变化及时做出调整。严格在线模型技术( 1 的m ) 已在日本赤塔炼油厂的常减压装 置实施，该模型是一个非线性系统，它能使操作人员精确地评估备用的操作方案，并确 定最优过程以提高效益j 另外还可以进行实况模拟培训，研究工艺过程和设备参数变化 带来的影响。 此外，随着近年来石化行业的快速发展，大量自动化和信息化水平很高的先进生产 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 装置投入生产，如何使大量员工快速掌握操作技能成为企业的一个重要问题，在这个背 景下以流程模拟为核心的仿真技术也变得越来越重要 1 6 j 。仿真系统是以计算机技术为基 础，在深入了解石化行业中各种过程、设备、控制系统及其生产操作的条件下，建立起 来的动态数学模型，并将其软件化。同时设计出计算机易于实现，而在传统教学与实践 中无法实现的各种培训功能，创造出与实际生产操作相似的环境，从而让从事石化生产 过程操作的各类人员在这样的仿真系统上操作与试验，快速提高其操作水平，是公认的 最佳技能培训与考核手段。 1 2 2 2 流程模拟软件简介 本课题研究工作的开展主要应用a s p e np l u s 软件 1 7 1 ，它由美i 雪a s p e n t e c h 公司推出， 是公认的最先进的第三代大型通用石化流程模拟软件之一。它起源于二十世纪七十年代 后期美国能源部在麻省理工学院组织的“先进过程控制工程系统( a d v a n c e ds y s t e mf o r p r o c e s se n g i n e e r i n g ) 研究项目。自1 9 8 2 年a s p e n t e c h 公司成立后，a s p e np l u s 不断推出 新版本并保持世界领先水平。 a s p e np l u s 是典型的稳态流程模拟软件【1 8 】，其实质是求解由单元模块方程组成的非 线性方程组，同时它也是唯一将序贯模块法( s m ) 和联立方程法( e o ) 两种算法同时 包含在一个模拟工具中的软件。在实际运用中，序贯模块法提供流程收敛计算的初值， 同时采用联立方程法加快收敛速度，让以往一些收敛困难的流程计算变为可能。它与联 立方程法是稳态流程模拟一直沿用的两条平行的发展路线，两种方法的比较见图1 2 。 序贯模块法联立方释法 设计规定方程 = 二二工= i ：塑丝l 单元操作迭代 厂一 _ 两蚤赛稠 流程再循 全流程计算结果 设计规定及输入流股 上 单元操作模型方程组 物性计算方程组 流程拓扑方程组 上 求解联立方程组 土 全流程计算结果 图l - 2 稳态流程模拟两种方法的比较 f i g l - 2c o m p a r i s o no ft w om e t h o d sf o rs t a b l ef l o w s h e e ts i m u l a t i o n 7 第一章前言 a s p e np l u s 代表着当今最先进的化工过程模拟软件技术1 9 1 ，功能非常完善：拥有强 大的数据库系统和可选的多种物性方法和模型，具有灵活多变的参数估计和结果分析等 功能。用户可以灵活地应用该软件应对复杂多变的工艺流程和操作条件，并通过简单、 快捷的操作调试得到所需要的结果，概括起来它具有以下主要特点： ( 1 ) 完备的单元操作模型，可用于模拟各种工艺流程。 ( 2 ) 强大的物性数据库，能够很好的解决工业生产中不同物系的模拟问题。 ( 3 ) 先进的收敛方法，可以实现快速、可靠的流程模拟操作。 ( 4 ) 具有经济评价及其它功能。 ( 5 ) 提供了方便灵活的用户操作环境。 此外，目前应用较为广泛的流程模拟软件【2 0 】还有加拿大h y p r o t e c h 公司的 h y s y s 、美国s i m s c i 公司的p r o i i 和c h e m s t a t i o n s 公司的c h e m c a d 等。 1 3 原油蒸馏塔的数学模型 1 3 1 精馏原理 蒸馏是重要的分离单元操作，其基本依据是液体混合物各组分间相对挥发度的差异 【2 1 1 。精馏是最重要的蒸馏操作之一，应用也最为广泛，通常采用回流等工艺方法实现较 高的分离效率，得到高纯度产品。而原油常减压蒸馏就是一种典型的精馏分离工艺，它 将复杂的原油混合物分离为各种石油产品，如图1 3 所示。 p 越 赠 图1 3 原油蒸馏分离示意图 f i g l 一3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc r u d eo i ld i s t i l l a t i o n 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如图1 4 2 1 1 所示，精馏塔由塔板、冷凝器和再沸器等构成。再沸器提供热量使原料 部分气化，轻组分变成蒸汽沿塔板向上流动，在塔顶冷凝器中冷凝得到馏出液，部分回 流至塔中，逐板下流，使塔内各层板保持一定持液量。轻组分在气相中沿塔底向上浓度 逐渐升高，在塔顶可以得到高纯度的易挥发组分，难挥发组分在塔底富集。 图l - 4 精馏塔通用模型 f i g l - 4 t h eu n i v e r s a lm o d e lo fd i s t i l l a t i o nt o w e r 1 3 2 平衡级稳态模型 平衡级模型基于理论塔板的概念，可以较好的解决一般精馏过程的建模问题【2 2 】。相 比非平衡级模型和三维混合池模型，其模型结构简单，只需解决理论级数的问题，求解 计算方便、快捷。实践证明平衡级模型能够较好的描述理想及弱理想物系的精馏过程， 因此广泛应用于精馏塔的工艺设计和模拟计算。目前较为通用的化工流程模拟软件如 a s p e np l u s 、p r o c e s s 、d e s i g ni i 等都基于这模型。 平衡级稳态模型是对精馏过程的严格数学描述，通过将该过程中涉及的各种规律用 数学方程的方式进行表述，建立起的模型方程组即可作为平衡级稳态模型。通常冷凝器 9 第一章前言 为精馏塔模型的第一块理论板，再沸器为最后一块塔板，自上往下计数。图1 5 表示塔 内第n 块板的物( 热) 流进出情况。 f n q n 厶1 略i厶以 图l - 5 糟馏塔塔板模型 f i g l - 5 t h et r a ym o d e lo fr e c t i f y i n gt o w e r b 。虼 l g v f 在图1 5 中，f n 为进料量，q n 为热量，u n 为从n 层板抽出的液体量，k 为离开n 层板进 入到下层板的液体量，v 。+ 1 为来自下层板的气体量，v n 为进入上层板的气体量，k 1 为 来自上层板的液体量，w n 为从该层塔板抽出的气体量，v k 为来自相关塔顶的气体量， k 为来自相关塔底的液体量，v 沩来自相关塔侧线的气体量，l g 为来自相关塔侧线的液 体量，下标i 、k 、g 、伪与主塔有物料相连的塔中的塔板号。 对于一个总塔板数为n ，总组分数为i 的稳态操作精馏塔，其平衡级模型按照严格法 建立，每一级上的物料平衡方程、相平衡方程、摩尔分数加和方程和焓平衡方程构成的 m e s h 方程组，包括以下5 个方程： ( 1 ) 组分物料平衡方程： f n z i ，n + l n - l x i ，n + l j x i j + v k y i k + l g x i ，g + v f y i ，f + v + f f i ，n + 1 一(