（化学工程专业论文）常减压装置详细模拟分析及用能优化.pdf

e x t e n s i v esi m u l a t i o na n a l y s i sa n de n e r g yu s a g eo p t i m i z a t i o n o ft h ea t m o s p h e r i c & v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i t at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo f e n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：d i n gw e n ji n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iq i n g s o n g s e n i o re n g i n e e rz h e n gh a i c o l l e g eo f 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：玉j 隧一 日期：枷f 年月 罗e t 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、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 指导教师签名： 日期：矽7 年月彳日 日期：娜年月夕日 摘要 石油炼制工业是我国国民经济支柱产业之一，是提供能源，尤其是交通运输燃料和 有机化工原料的重要部门，常减压蒸馏在炼油加工总流程中具有重要作用，常被称之为 “龙头 装置，它为二次加工装置提供原料，并直接提供部分油品。但是，原油蒸馏装 置是炼厂中的耗能大户，占炼油总能耗的2 5 3 0 ，因此，优化常减压蒸馏装置流程， 降低炼油过程能耗，对于我国炼油企业降本增效、提高市场竞争力、实现可持续发展具 有重要的意义。本文围绕此主题，开展如下研究工作： 以某套常减压装置为研究目标，使用流程模拟软件a s p e np l u s 对装置流程进行模拟 计算。由于原油的组成成分极其复杂，因此使用原油实沸点蒸馏数据作为全装置进料的 性质输入软件，然后选择适合本流程模拟的物性方法和单元模块，规定各塔的模拟模型 和过程参数；同时，使用a s p e ne x c h a n g e rd e s i g n & r a t i n g 软件对常减压装置中能量利 用关键设备之一的换热器进行模拟，此软件利用与a s p e np l u s 软件的接口，获取物流性 质数据，在模拟过程中综合考虑换热器的几何尺寸、污垢热阻等参数，并可以及时的将 模拟结果返回a s p e np l u s 。通过对比模拟结果与装置的实际数据可以看出：模拟结果与 现场测量数据基本一致，说明模拟计算过程中所选用的模型及参数设置准确。通过对模 拟数据进行分析可以得到现场测量难于得到的中间结果，为流程优化提供了坚实的基 础。 在流程模拟的基础上，根据用能三环节模式，对本装置能量转换环节、工艺利用环 节、能量回收环节的用能进行计算，进一步汇总得到全装置能量平衡和炯平衡表，绘制 全装置能流图和炯流图。结果表明：本装置能量转换效率较高( 8 3 5 9 ) ，但炯的转换率 较低( 5 0 7 5 ) ，转换环节中排烟损失占总损失的比例过高，达到7 0 3 3 ，回收环节中能 量和炯的回收率均较低，分别为5 9 3 5 和4 1 1 3 ，表示有较多部分热量没有利用起来。 最后，根据常减压装置的流程模拟结果，参考对过程用能三环节的分析，提出若干 装置的优化改进方案，并对各方案的最终效果进行横向对比。对比结果显示各方案均可 达到一定节能降耗的目的，对实际生产操作具有指导意义。 关键词：常减压蒸馏、a s p e np l u s 、换热器、能耗、优化 e x t e n s i v es i mu l a t i o na n a l y s i sa n de n e r g yu s a g eo p t i m i z a t i o n o f t h ea t m o s p h e r i c & v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i t d i n gw e 坷i n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iq i n g s o n g a b s t r a c t p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi sc o n s i d e r e do n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t r i b u t o r st ot h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n ts i n c em a n ym a n u f a c t u r i n g i n d u s t r i e s r e l yh e a v i l yo nt h ee n e r g ya n dr a w m a t e r i a li t p r o v i d e d 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 ng e n e r a t e sr a wm a t e r i a lf o r s e c o n d a r yp r o c e s s i n go p e r a t i o n sa sw e l la sq u a l i f i e df o r - s a l ep r o d u c t s ，t h u st h e r ei sn od o u b t i tt ob et h ep r i m a r yp r o c e s s i n gu n i tw h e ni tc o m e st op e t r o l e u mr e f i n i n g h o w e v e r , t h 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 sa l s ot h em a j o ro b s t a c l ef o rm o d e r n r e f i n e r i e st o l o w e rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n do p e r a t i n gc o s ts i n c ei ti st h em a j o re n e r g yc o n s u m e r , w h i c h t a k e su pt o2 5 3 0 i no r d e rt om e e tn e wc h a l l e n g e si nt h em a r k e t ，c e r t a i nm e a s u r e sm u s tb e a p p l i e dt ol o w e rt h ee n e r g yu s a g e t h et h e s i sp a p e ri sb a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no fe n e r g y u s a g ei nt h ea 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 an u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h ea 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 sc r e a t e d w i t ht h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea s p e np l u sb a s e do nt h ec u r r e n tc o n d i t i o no ft h eo i lr e f i n e r y t r u eb o i l i n gp o i n td i s t i l l a t i o nd a t ao ft h ec r u d eo i lf e e di su s e da si n p u tp a r a m e t e r s ，w h i c h p r o p e r l yc h a r a c t e r i z et h ep r o p e r t i e so ft h ec r u d ed e s p i t ei t sc o m p l e x i t yi nc o n t e n t c e r t a i n m o d u l e sa n dt h e r m o d r n a m i ct h e o r i e sa r ec h o s e nt or e p r e s e n te a c hu n i to p e r a t i o n sw i t l l a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sd e r i v e df r o mt h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h eo i lr e f i n e r y t h e b e a te x c h a n g e r s ，w h i c ha r ec o n s i d e r e dt ob et h ek e yu n i to ft h i so p t i m i z a t i o np r o c e s s ，a r e s i m u l a t e dw i t l la s p e ne x c h a n g e rd e s i g n & r a t i n gs o f t w a r e ，t h eo n et h a ti se m b e d d e dw i t h i n t h ea s p e np l u ss o f t w a r es u i t e ，i n s i d eo fw h i c ha l lt h ep a r a m e t e r sr e q u i r e dt od e s i g na n d o p e r a t eah e a te x c h a n g e ra r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n gg e o m e t r i cd i m e n s i o n sa n db e a tr e s i s t a n c e c e r t a i nc a l c u l a t i o nr e s u l t sa r es e n tb a c kt ot h em a i np r o g r a mw h i c h a r ei ng o o da g r e e m e n t 嘶t l la c t u a ld a t ac o l l e c t e do n s i t e ，i n d i c a t i n gt h es i m u l a t i o ni sr e a s o n a b l e ，w h i c hw i l lp r o v i d e s a ni n s i g h tt ot h el a t e ro p t i m i z i n gp r o c e s s t h ee n e r g ya n de x e r g yb a l a n c ef l o ws h e e t sa n dr e l a t e dc h a r t sa r ec r e a t e da c c o r d i n gt o t h et h r e e l i n ke n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e lt h a ti n c l u d e se n e r g yc o n v e r s i o n , t e c h n i c a le n e r g y u s a g ea n de n e r g yr e c y c l e c a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t er e l a t i v e l yh i g he n e r g yc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y ( 8 3 5 9 ) b u tl o we x e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ( 5 0 7 5 ) ，a m o n gw h i c ht h ee x e r g y l o s si nf u m ei sq u i t eh i g h ( 7 0 3 3 ) b e s i d e s , t h ee n e r g ya n de x e r g yr e c y c l i n gi si n e f f i c i e n t , w i t ht h er e c y c l i n gr a t i oo f5 9 3 5 a n d4 1 1 3 ，i n d i c a t i n gm u c ho f t h ee n e r g yi sn o tp r o p e r l y u s e d m u l t i p l eo p t i m i z a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e di no r d e rt ol o w e rt h ee n e r g yw a s t ea n dt o i n c r e a s et h ep r o f i t ，b a s e do nt h es i m u l a t i o nd a t ao ft h ea 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 t ，t o g h e t h e rw i t ht h r e e l i n ke n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e la sr e f e r e n c e ，w h i c hc o u l dd e f i n i t e l y g u i d et h ea c t u a lo p e r a t i o n k e yw o r d s ：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 n ，a s p e np l u s ，h e a te x c h a n g e r , e n e r g y l o s s ，o p t i m i z a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 原油常减压蒸馏工艺概述2 1 2 1 原油蒸馏在炼油工业中的地位2 1 2 2 原油蒸馏过程的特点2 1 2 3 原油蒸馏工艺简介3 1 2 4 常减压蒸馏技术的应用现状和发展方向5 1 3 化工过程模拟技术概述一6 1 3 1 化工过程模拟技术简介6 1 3 2 化工过程模拟技术的发展与研究现状6 1 3 3 模拟优化的意义7 1 3 4 化工过程模拟软件介绍7 1 4 常减压装置用能概述9 1 4 1 常减压装置的用能状况9 1 4 2 常减压装置节能措施9 1 4 3 常减压装置用能分析方法1 1 1 5 本课题的研究内容和方案16 1 5 1 本课题研究的主要内容和重点1 6 1 5 2 技术方案的分析和选择l6 1 5 3 预期能够达到的研究目标17 第二章流程模拟及换热设备的直接模拟18 2 1 装置概况18 2 1 1 流程简介。1 8 2 1 2 装置基准工况2 0 2 2 常减压装置流程的模拟2 3 2 2 1 基础数据2 3 2 2 2 模拟过程2 4 2 2 3 模拟结果的对比与分析2 7 i v 2 3 换热设备的直接模拟一3 2 2 3 1 模拟方法。3 2 2 3 2 换热器的模拟3 3 2 3 3 小结3 7 2 4 本章小结3 7 第三章装置用能分析3 8 3 1 用能三环节的具体内容。3 8 3 1 1 能量的工艺利用环节3 8 3 1 2 能量的回收环节3 8 3 1 3 能量的转换和传输环节3 8 3 2 能量平衡和j 朋平衡计算项目3 9 3 2 1 能量平衡计算项目一3 9 3 2 2 炯平衡计算项目一4 3 3 3 能量平衡和炯平衡计算结果一5 0 3 4 能流图和焖流图的绘制5 3 3 5 本章小结5 5 第四章装置优化及对比分析5 6 4 1 操作参数的优化5 6 4 1 1 装置物平及其对能耗的影响5 6 4 1 2 装置物平的优化5 6 4 1 3 操作参数优化节能效果分析5 6 4 2 换热网络的优化5 8 4 2 1 换热网络优化的基本原理5 8 4 2 2 优化换热网络5 9 4 2 3 换热网络的优化效果分析6 0 4 3 工艺流程的优化6 2 4 3 1 工艺流程的优化6 2 4 3 2 装置流程优化效果分析6 4 4 4 本章小结一7 1 结论7 2 参考文献7 4 致谢7 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 石油作为一种不可再生资源在全球范围内的剩余量不断减少，但在世界经济中却发 挥着越来越重要的作用，其消费量随着全球经济发展水平的提高而日益增大【。近年来， 随着经济持续快速的发展，我国的石油消费量不断攀升，原油供需问题成为日益突出的 矛盾。2 0 0 4 年，我国原油需求量高达2 9 7 亿吨，成为世界上第二大石油消费国，仅次 于美国。但是，由于我国自身的石油采出量有限，对能源的需求不能得到满足，自1 9 9 3 年开始，我国已成为石油净进口国，当年石油进口量即达9 9 8 万吨 2 1 。2 0 1 0 年，我国净 进口石油量为2 1 2 亿吨，国内总消费量达到4 2 7 亿吨，净进口比例为4 9 6 5 ，近年来 中国石油的对外依存度一直呈上升趋势，至2 0 1 1 年第一季度已达到5 5 6 ，突破了5 0 的警戒线。能源短缺已经成为制约中国经济发展的瓶颈问题。 在我国国民经济产业中，石油炼制工业是重要的支柱产业之一，在提供能源( 主要 是交通运输燃料) 和有机化工原料等方面有重要作用。在生产过程中的能量利用方面， 近几十年来我国炼油和化工等部门取得了显著的成绩，1 9 7 8 年我国炼油企业的加工能耗 高达1 0 0k g 标油t 原油，到2 0 0 6 年降低至7 8 4 蚝标油t 原油，而目前世界上大型炼厂 的先进指标为能耗不大于7 5 k g 标油t 原油，因此我国与发达国家相比还有相当的差距， 节能空间很大 3 1 。鉴于现今国民经济发展和我国能源储藏及生产的形势，因此必须将工 业生产节能作为一个战略性的长期任务。 原油常减压蒸馏装置是石油加工工序中的“龙头”装置，在炼油加工总流程中具有 重要作用，装置的原料是直接从地下开采出来的石油，经过初步加工，分离出一部分轻 质油品，并为后续二次加工装置提供原料1 4 。在炼油厂的产品质量、收率以及对原油的 有效利用方面，常减压蒸馏装置设计和操作的好坏会产生很大影响。同时，原油蒸馏装 置是炼厂中的耗能大户，占炼油总能耗的2 5 3 0 ，降低其能耗不仅可以降低加工成 本，而且会给石油资源的合理利用以及企业的经济效益带来很大益处【5 1 。现今我国已经 加入了世贸组织，原油的价格与国际市场接轨，国际炼油企业的对比和进口成品油的巨 大冲击使我国石化企业正在面临的严峻考验，因此，为使我国炼油企业降本增效、提高 市场竞争力、并最终实现可持续发展，必须做到加强节能技术的应用，降低炼油过程的 能源消耗。 第一章绪论 近年来，在世界上许多国家，如美国、德国、日本等，包括我国在内的许多炼油企 业中，化工流程模拟技术作为一种新型的技术，已经得到了广泛的应用f 6 】。通过流程模 拟技术对整个工艺生产过程进行分析，在指导生产、优化操作的同时对多个方案进行模 拟对比，以寻求最佳操作工况，为工厂获取最大经济效益提供参考。 通过对原油蒸馏过程的模拟，可以发现生产过程中存在的问题，找出装置的“瓶 颈”所在，为装置的改造提供合理依据，最终使装置处于最佳的操作工况。 1 2 原油常减压蒸馏工艺概述 1 2 1 原油蒸馏在炼油工业中的地位 原油是一种组成成分极其复杂的混合物，各组分的沸点不同，炼油工业的主要目标 是将原油分割成不同沸程的馏分，提炼出多种多样的燃料和润滑油产品。在生产过程中， 由于各馏分中包含一些非理想组分，需要根据油品的使用需求除去，或通过化学反应转 化成所需要的组成，从而获得一系列的石油产品。因此，将原油按馏程进行分割，并对 各馏分进行加工精制，是炼油厂需要解决的主要问题，而分离液体混合物的典型单元操 作一“蒸馏”正是最适合的手段。蒸馏操作能够将加热后的液体混合物部分气化，按混 合物中所含组分的挥发度的不同而分离为轻重不同的各种馏分。根据产品的不同生产方 案，可以通过蒸馏将原油分割成汽油、煤油、柴油及各种润滑油馏分等半成品，按照需 求经过适当的精制和调配，这些半成品即可成为合格的产品。同时，在蒸馏过程中，会 分割出重整原料、催化裂化原料、加氢裂化原料等，被送去进行二次加工【7 】。 1 2 2 原油蒸馏过程的特点 精馏过程是一个传质、传热、多次气化、多次冷凝的过程，原油蒸馏与二元或多元 体系的精馏都是源自精馏的基本原理。但是与二元系或多元系精馏相比较，原油蒸馏有 它自己明显的特点【8 】： ( 1 ) 原油是成分极其复杂的混合物，其中包括以c 和h 组成的以烃类形式存在的化 合物及其衍生物，还有含s 、n 、o 等元素的非烃类化合物。因此，分离各产品之间的 气液平衡关系与二元或多元体系中的纯组分有很大区别。 ( 2 ) 原油蒸馏塔的分离效果主要受塔内气液分配关系的影响，而改变塔的操作条件会 使气液分配关系发生变化，这主要是由于蒸馏塔的回流量是由全塔的热平衡所决定的。 ( 3 ) 在二元或多元体系精馏中存在恒摩尔流假定，但由于原油及其产品中轻、重组分 2 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 的热性质相差较大，这个假定此时是不成立的。 ( 4 ) 原油的馏程很宽，其中有一定量的重组分即使在高真空条件下气化，也可能会发 生变化。 ( 5 ) 原油蒸馏流程中会设置多个侧线抽出，相当于一个由若干“小塔”叠加而成的多 塔系统，这样在塔的不同位置即可得到不同沸程的产品。 ( 6 ) 常减压装置的处理量很大，且塔的温度较高，无法像普通精馏塔一样在塔底使用 再沸器进行加热，因此一般采用在塔底通入汽提蒸汽进行加热，同时使原料预热至一定 温度后才可进入蒸馏塔。 1 2 3 原油蒸馏工艺简介 原油蒸馏装置是将原油在精馏塔切割成一定沸程馏分的装置，其流程中包括加热、 气化、分馏、冷凝和冷却等传质传热过程。其主要工艺流程如下【9 1 ，流程示意见图1 1 ： 原油自罐区到装置后与破乳剂在原油泵入口混合，经原油泵加压后，与常压塔中段 回流或侧线产品进行换热，当达到一定温度( 一般约1 3 0 ) 后进入电脱盐罐，脱去所 携带的水分和部分盐类；原油自电脱盐罐出来，与温度较高的中段回流或产品换热，当 温度达到2 3 0 左右后进入初馏塔，初馏塔塔顶会产出一部分的石脑油，塔底油品与减 压侧线和减压渣油换热，温度达到2 6 0 3 2 0 后进入常压炉，常压炉温度一般为3 6 5 左右。 原油经常压炉加热后进入常压塔。常压塔对主要的产品进行分馏，在常压塔中轻组 分在气化段气化成混合油气，重组分仍为液体，混合油气在上升过程中与回流液体不断 进行传热以及传质，沸点较高的组分被冷凝，而与之接触的液体中沸点较低的则气化。 按此过程反复交替进行，由于沸程的差异，柴油、煤油、汽油被逐渐冷凝成液体，在各 自的泡点温度下从侧线抽出，并且其中所含的低沸点物质被汽提塔汽提出来，得到合格 的侧线产品。最轻的不凝气和汽油在塔顶回流罐中抽出。 常压塔塔底渣油中主要是加氢裂化、催化裂化和润滑油的原料，其中包含大量的胶 质、沥青质，其沸点已超过3 5 0 c ，如果继续在常压条件下进行分离，塔的温度势必高 达四、五百度，而常渣中的成分对热的安定性差，在此高温条件下会发生分解、缩合等 反应，导致产品质量下降，同时使设备结焦加剧。因此将常压渣油在较低的温度下通过 减压蒸馏处理。常渣经减压炉加热后进入减压塔，减压塔一般在几千帕绝对压力下进行 操作，最终可以从常压重油中蒸馏出沸点低于5 5 0 c 馏分油。 3 第一章绪论 原油 图1 - 1 典型常减压蒸馏装置流程图 f i g l 一1 a t y p i c a ls c h e m a t i cd r a w i n go f t h ea t m o s p h e r i c & v a c u u md i s t i l l a t i o ns y s t e m 世界各地均有石油采出，但所产原油性质差异极大，即使是在同一油田，不同的油 井由于生成条件不同，其所产原油亦有一定差异。因此根据原油的不同特点和目的产品 的不同可以将加工流程进行分类，包括燃料型、燃料润滑油型及燃料一化工型三类，它 们的主要差异在于生产过程中侧线的数目和分馏精度，而工艺过程并无本质区别【1 0 】。 ( 1 ) 燃料型 指炼厂的最终产品主要是用于燃料用途。具体是指常压塔生产汽油、煤油、柴油等 轻质燃料以及重整原料，而减压塔的侧线馏分油作为裂化原料进行二次加工，减渣作为 延迟焦化、渣油加氢等装置的原料，通过深加工转化为各种轻质燃料，不生产润滑油组 分产品。 ( 2 ) 燃料润滑油型 这类装置的常压塔的型式和产品与燃料型的基本相同，主要区别在于减压塔的配 置。润滑油型的减压塔一般有多个侧线，大部分侧线馏分油和塔底渣油被用于生产各种 润滑油产品。采用这种流程方案的炼厂被称为“完整型”炼厂。 ( 3 ) 燃料化工型 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 此类方案的常压塔对侧线的分馏精度要求不高，因此一般不设汽提塔，而且塔板数 目也较前两种类型少，减压塔的配置与燃料型类似。这种类型的流程除生产一般燃料油 组分、重整原料等之外，还生产化工原料和化工产品。 1 2 4 常减压蒸馏技术的应用现状和发展方向 近几年，我国在常减压蒸馏装置大型化设计、施工、生产技术管理等方面均取得了 重大技术进展。1 9 9 9 年，镇海炼化建成8 0 0 万吨年的常减压蒸馏装置，此装置于2 0 0 1 年进行改造，改造后成为我国首套加工能力为1 0 0 0 万吨年的常减压蒸馏装置，并且一 次性开车成功，这标志着我国常减压蒸馏装置大型化技术已经走向成熟，现今我国已进 入大型常减压蒸馏装置的发展的重要时期，未来大型常减压蒸馏装置会伴随不断调整的 炼油装置结构，还将取得更加长足的发展【1 1 1 。 在常减压蒸馏装置大型化的工艺与工程技术方面，现今已经取得了一定的创新，其 中包括：先进适用的工艺流程；高真空、低炉温的减压蒸馏工艺；o 交互流高速电 脱盐技术；轻烃回收与常压塔顶油气两级冷凝优化；大型常减压蒸馏装置达到较高 的运行水平等。在此基础上还要不断的探索，使原油蒸馏技术可以得到更好的发展。目 前我国的原油蒸馏技术的主要发展有以下几个方向： ( 1 ) 强化蒸馏技术的应用 近些年来，由于石油分散体系的胶体特征的发现和证实，人们提出了石油分散体系 理论，即：石油缔合胶体的核具有极性，而分散介质是非极性的，因此在胶核周围会产 生吸附力场，使得一部分烃类在达到其沸点时难以转入气相，影响轻质油收率。强化蒸 馏技术考虑在油品中加入的一定的活化剂，这样可以使得分散介质的溶解能力有所提 高，分散相物质的相变温度降低，改变烃类在分散体系中的分配方式，使一些低分子烃 类被释放出来，从而提高轻质油品的收率。活化剂可选择芳烃浓缩物、表面活性物质、 复合活化剂、低分子醇等化合物、合成高分子聚合物等。 ( 2 ) 节能降耗 由于原油蒸馏装置是整个炼厂的耗能大户，因此降低能耗是装置改造的重要任务， 可以针对不同的层次采取不同的方法，其针对方面包括单体设备节能、装置内节能和系 统综合节能【j 。 加热炉和精馏塔是整个装置中主要的单体设备，而且加热炉的燃料消耗占原油蒸馏 装置总能耗的7 0 以上，所以，提高加热炉的热效率是降低能耗的首要任务，同时也不 5 第一章绪论 能忽视塔的优化设计和操作，可以考虑合理的理论板数和工艺用能之间的优化。在装置 内部存在有大量的换热设备，其换热网络的优化是整个装置降低燃料消耗的必要措施， 一般考虑采用“夹点技术对换热网络进行优化，其热回收率可以超过8 0 1 4 j 。 ( 3 ) 先进管理和控制技术的应用 现今社会信息技术突飞猛进的发展，炼厂亦使用计算机来控制和管理各个炼油装 置，使得装置的生产操作水平及管理水平有很大提高，同时在提高产品收率、产品质量 和降低装置能耗等方面起到了较大作用【l 卯。 1 3 化工过程模拟技术概述 1 3 1 化工过程模拟技术简介 近年来，过程模拟随着计算机的运用和软件技术的发展而得到广泛应用，在物理、 化学和生物等学科的过程设计和优化中，被确认为一种非常实用的工程工具，现在已经 能解决化学加工工业中大型的、实际的非线性问题。模拟方法的广泛应用使得从科学理 论通向工程实践的道路变得更加宽剐阚。 化工过程流程模拟就是借助计算机对整个化工生产过程的数学模型进行求解，并最 终获得有关该化工过程性能的信息。流程模拟是过程系统分析、优化和综合的基础。过 程模拟有多个类型，以及多种分类方法：按模型计算模式的不同，可分为模拟型、设计 型和综合型；而按模拟对象所要求的特性与时间的关系，可分为稳态模拟与动态模拟。 1 3 2 化工过程模拟技术的发展与研究现状 在2 0 世纪的二三十年代，化学工程主要研究化工参数间的定量关系，并且其研究 主要依据是“单元操作”的概念，随着单元操作理论的发展，5 0 年代，人们能够用可靠 的数学形式对单元进行表达，而计算机的加入要到6 0 年代，工程师使用其对模型进行 计算，但是计算能力的局限性导致只能进行单元操作的计算，随着计算机技术的发展， 后期实现了单元操作的综合计算分析。迄今为止，过程模拟己成为一种无可取代的有力 工具，在设计新装置和分析现有装置性能、改进现有装置操作中发挥着重要的作用【1 7 1 。 1 9 8 5 年，陈超群博士开发一种新的描述电解质的加工过程的方法，这种方法可用来 预测在条件改变后，电解质的加工行为变化，并模拟了n a 2 c 0 3 的生产过程。c h a r l i ec u t l e r 的课题组基于过程的动态数学模型，创立发明了多变量预估控制，它可以很好的解决有 多约束的复杂系统的控制，使得控制的实用性大大提高。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 化工过程模拟技术已经使用了4 0 多年，这项高新技术的应用给化工界带来了明显 的经济效益和环境效益。随着计算机技术在2 1 世纪的迅猛发展，化工过程模拟将进一 步与相关高新技术结合，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 3 3 模拟优化的意义 在现今的单元操作、装置优化和工厂评价中，计算机模拟已得到越来越广泛的应用。 化工过程模拟技术的用途与意义主要包括以下几个方面： ( o i 艺设计的基础。在设计过程中首先对过程进行模拟，模拟过程中可以不断改变 操作参数，如设备的排列顺序、操作的温度压力、产品的馏出位置等，或添加、删减一 定的影响因素，对模拟结果进行分析即可寻求最佳的操作方案，为实际的设计提供依据。 ( 2 ) 科研开发强有力的工具。在科研开发过程中，可以考虑首先使用模拟的模型对生 产过程进行估算，在低投入的前提下构建初步的生产方案，当结果达到一定需求范围时 再进行实际试验。 ( 3 ) m 厂操作优化的基础。建立工厂实际操作过程的模型，在模型中适当改变原料的 成分或操作的参数等条件，对比结果与实际的差距，可以对实际的生产起指导作用。通 过流程模拟，实现操作的最优化。 因此，使用流程模拟的方法对现有原油蒸馏装置建立模型，此模型可以反映装置整 体的运行状况，根据模拟结果分析，找出装置中可以进行优化的目标，通过操作条件、 物流性质等参数的调整，达到装置优化的目的，使得整个装置生产获得最大的收益，这 即是通过过程模拟达到现有原油蒸馏装置最优化的研究目标和意义。 1 3 4 化工过程模拟软件介绍 化工过程模拟的主要工具即是在计算机上运行的各种软件，其都是随着计算机技术 的发展，人们为方便生产，优化设计过程而逐渐开发出来的。 流程模拟软件的研发历程可追溯至上个世纪5 0 年代，f l e x i b l ef l o w s h e e t i n g 作为世 界上第一款化工模拟软件于1 9 5 8 年正式面世，它是由美国的触w k e l l o g g 公司推出 的。到了8 0 年代左右，更加专业化和商业化的软件研发状态标志着化工过程模拟进入 到成熟期。而现今的软件市场中，涌现出了一大批成熟的、使用方便的商业化模拟软件， 其中较常见的有：a s p e np l u s 、h y s y s 、p r o i i 、g p r o m s 、c h e m c a d 和e c s s 等。 a s p e np l u s 是美国a s p e n t e c h 公司所开发的一款用于生产装置设计、稳态模拟和优 7 第一章绪论 化的大型通用流程模拟软件。此软件于1 9 8 1 年由麻省理工学院( m i t ) 进行开发完成，其 全称是“过程工程先进系统 ( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s se n g i n e e r i n g ，简称a s p e n ) 。 这套软件主要用于工艺过程的平衡计算、预测过程的操作状态及工艺物流的性质、为新 流程的设计建立提供依据。在近2 0 年中a s p e np l u s 不断推出新的版本，完善改进、扩 充和提高，是公认的标准大型流程模拟软件【1 3 】。 h y s y s 软件是一款大型的专家系统软件，由世界著名油气加工模拟软件工程公 司一加拿大h y p r o t e c h 公司开发。该软件分动态和稳态两大部分，主要用于油田地 面工程建设设计和石油石化工程设计计算分析工作。h y s y s 软件与同类软件相比， 其优势在于操作界面良好，软件简单易学、上手度高，且智能化程度很高。而且 此软件拥有最先进的集成式工程环境，可使用户得到最大的效益，内置人工智能 可驱动系统，数据回归整理包提供了强有力的回归工具可提高运算速度和精度， 并提供了一组功能强大的物性计算包，以及物性预测系统等多种工具1 9 】。 p r o i i 是一款历史悠久、通用性高的化工稳态流程模拟软件，是s i m s c i 公司自 1 9 6 7 年开始不断开发，不断改进，从而得到的最终产品，现属英维思( i n v e n s y s ) 公司 所有。它拥有完善的物性数据库、强大的热力学物性计算系统，以及多种单元操作 模块，可广泛应用于各种化工工艺过程的严格质量和能量平衡计算，从油气分离 到反应精馏，p r o i i 均提供了全面有效的解决方案。p r o i i 的客户遍布全球各地，它 的推广使用可达到优化生产装置、降低生产成本和操作费用、节能降耗等目的， 能产生巨大的经济效益。 g p r o m s 是g e n e r a lp r o c e s sm o d e l i n gs y s t e m 的缩写，这款软件是英国p s e 公司所 开发的通用工艺过程模拟系统，它在复杂的工艺过程模拟、优化以及参数预测( 包括稳 态和动态过程) 中均表现出很强的能力，被广泛用于化学工业、石油化工、食品工业、 制药技术等加工行业中。 c h e m c a d 是由c h e m s t a t i o n s 公司推出的一款极具应用和推广价值的软件，其 内置了完善的专家系统数据库，可应用于化工生产的诸多领域，主要用于化工生 产方面的工艺开发、优化设计和技术改造。并随着软件的不断开发和完善，其应 用领域还在不断拓展。 e c s s 是1 9 8 7 年我国自行研发推出的模拟系统，是由青岛化工学院计算机与化工研 究所完成的。它的最大特点是对计算机的硬件要求低、算法多、适应范围广，并可进行 二次开发以适应各种模拟的要求。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 在上述这些商业化通用流程模拟软件中，仍以a s p e np l u s 、h y s y s 以及p r o i i 这三 款软件使用范围最广，基本上在世界范围内处于垄断地位。 1 4 常减压装置用能概述 1 4 1 常减压装置的用能状况 原油蒸馏是整个炼油工艺过程的第一步，主要提供一部分馏分油产品以及一些二次 加工的原料。原油蒸馏装置是全厂能耗最大的装置，其能耗占全厂能量总消耗的2 5 - 3 0 ，这是很大一部分的能量。因此需要探索原油蒸馏装置中高耗能的主要原因，对 应问题的所在思考解决办法，提出节能降耗的方案，争取达到降低装置的能量消耗，从 而减低全厂的能量供应量，才能有效的提高经济效益【2 0 】。 我国原油蒸馏装置的能耗在1 9 8 0 年是2 3 0 7 蚝标油t 原油，通过多项改进措施的 实施，如换热网络及中段循环回流的优化、改造常压塔的汽提段、回收加热炉排放的烟 气中的余热、使用干式减压蒸馏塔、改造减压塔物流管线、优化抽真空系统等方式，至