（化学工程专业论文）连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发.pdf

、 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 生产装置的高度自动化为实施先进控制提供了条件，在过程工业装置上的集散控制 系统d c s 只有再配置先进控制与优化软件才能充分发挥计算机的强大计算与智能功能， 国外许多大型装置都已经实施了先进控制与优化系统，并取得了可观的经济效益。我国 也将发展先进控制与优化技术作为提高石油化工等连续生产行业经济效益的重点。因 此，先进控制与优化技术有着广阔的发展空间。 辽阳石化芳烃厂连续重整装置四个反应器入口温度控制一直采用相同的温度，这种 控制方法在原料性质以及操作条件变化下不能使反应深度最佳化，同时重整分馏部分的 操作一直不太平稳，产品分离效果有待提高。本课题综合利用系统学科中的因果分析和 化学工程中的因素分析理念，基于生产过程机理、应用要求和实际情况建立动态数学模 型，在d c s 上一级建立了先进控制与实时优化系统，实现生产过程中不可实测变量的 在线实时计算、变结构多变量模型预估协调控制和实时优化。 本文成果通过中期阶段的试运行和最终运行考察情况看，系统通过对反应深度进行 优化，提高了芳烃收率：同时使系统操作平稳，改善产品分离效果；并在定程度上减 轻了操作员的劳动强度。提高了装置工业自动化的技术水平，带来了很大的经济效益， 是一个极有实用价值的课题。 关键词：连续重整装置；先进控制：实时优化 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 t h es t u d yo ft h ea d v a n c e dc o n t r o la n dr e a l - t i m eo p t i m i z a t i o ns y s t e mo f t h ec o n t i n u o u sc a t a l y t i cr e f o r m e r a b s t r a c t t h ea d v a n c e da u t o m a t i z a t i o no fp r o d u c t i o np l a n t sm a k e si tp o s s i b l et oa p p l ya d v a n c e d c o n t r 0 1 t h ed c si nt h ep r o c e s si n d u s t r yc a nf u l l ye x e r ti t sp o w e ri nc a l c u l a t i o na n d i n t e l l i g e n c eo n l yw i t ht h ea d v a n c e dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o ns y s t e m s m a n yb i gp l a n t s o v e r s e a sh a db e e na p p l i e dt h e ma n dg o tg r e a tb e n e f i t t h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc o n t r o l a n do p t i m i z a t i o ns y s t e m sa l s ob e c o m e st h ef o c u si n l a n df o ri n c r e a s i n gt h ep r o f i t so ft h e c o n t i n u o u sp r o d u c t i o np r o c e s s e sl i k ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，s ot h e yh a v eg r e a td e v e l o p m e n t p o t e n t i a l i th a s4r e a c t o r so ft h ec o n t i n u o u sc a t a l y t i cr e f o r m e ro fl i a o y a n gp e t r o c h e m i c a l c o m p a n y ，a n dt h ec o n t r o lo ft h ei n l e tt e m p e r a t u r e so ft h er e a c t o r sh a sb e e nu s i n gt h es a m e t e m p e r a t u r e t h i sc o n t r o lm e t h o d c a n tm a k et h er e a c t i o n o p t i m i z a t i o n w h e nm a t e r i a l s p r o p e r t i e so ro p e r a t i o nc o n d i t i o n sg e tc h a n g e d ，m e a n w h i l e ，t h eo p e r a t i o no ft h ed i s t i l l a t i o n p a r to ft h ec a t a l y t i cr e f o r m e ri su n s t a b l e ，a n dt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yh a st ob ei n c r e a s e d t h ec a u s ea n de f f e c t a n a l y s i so fs y s t e m t e c h n o l o g ya n df a c t o ra n a l y s i s o fc h e m i c a l e n g i n e e r i n gw e r eb o t hu s e di nt h i ss u b j e c t t h ed y n a m i cm o d e lw a sb u i l to nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s sp r i n c i p l e ，a p p l i e dr e q u i r e m e n ta n da c t u a l s i t u a t i o n t h ea d v a n c e dc o n t r o la n d o p t i m i z a t i o ns y s t e m sw e r ea p p l i e du p o nt h ed c sl e v e l i ti s i no r d e rt oi m p l e m e n tt h e r e a l - t i m eo n l i n ec a l c u l a t i o no ft h eu n m e a s u r e dv a r i a b l e s ，a n dt h ec o r r e s p o n d e n c ec o n t r o la n d r e a l t i m eo p t i m i z a t i o no f t h ed i v e r s es t r u c t u r e sa n dn u m e r o u sv a r i a b l e sm o d e l s a c c o r d i n gt o t h et e s t r u na n dt h ef i n a le x a m i n es i t u a t i o n s ，t h ey i e l do fa r o m a t i c s h y d r o c a r b o nw a si n c r e a s e db yo p t i m i z i n gt h er e a c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h eo p e r a t i o nw a s m o r es t a b l ea n dt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw a sb e t t e rt o o i tw a sa l s or e d u c et h eb u r d e no ft h e o p e r a t o r s t h ea u t o m a t i z a t i o no ft h ep l a n tw a se n h a n c e da n dr e s u l t si nh u g ep r o f i t st h i si s a v e r yi m p o r t a n ts u b j e c t k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a t a l y t i cr e f o r m e r ：a d v a n c e dc o n t r o l ；r e a l t i m e o p t i m i z a t i o n ， 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究：l ： 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，- b i i 包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：( 亟耋堑叠日期：趔12 ：乡 大连理l 大学硕七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理j e 大学硕、搏士学位沦文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和僧阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行裣索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学能论 文。 作者签名 导师签名： ( 堑窆堑 垒垦到 年月日 大连理： 大学专业学位硕士学位论文 引言 辽阳石化分公司芳烃厂连续重整单元是芳烃联合装置的龙头，以生产芳烃为 主要目的，原料以来自辽化炼油厂加氢裂化石脑油为主，设计年处理量5 5 力吨。 对重整单元实施先进控制和实时优化的主要目是提高操作运行的平稳性，进而在 操作运行过程中随时实现以提高芳烃收率为主要目标的优化。 在辽阳石化公司芳烃装置上，基于现有的d c s 计算机控制系统，采用先进控 制和实时优化技术，提高装置运行的平稳性，尽可能提高芳烃收率，并在提高收 率和满足过程约束的条件下，节能降耗，取得显著经济效益。 综合全文，本文完成了以下工作： ( 1 ) 完成了重整反应控制数学模型开发工作； ( 2 ) 完成了重整反应部分软测量系统开发工作； ( 3 ) 完成了重整反应深度实时优化系统的丌发工作： ( 4 ) 完成了脱戊烷塔先进控制数学模型丌发工作： ( 5 ) 完成了重整油塔先进控制数学模型开发工作； ( 6 ) 完成了重整分馏部分软测量系统的开发工作： f 7 ) 在d c s 集散控制系统上实现了先进控制与实时优化系统操作员界面的 开发工作。 先进控制与实时优化系统实施后，使苯类产品的收率和回收率最高，提高苯 类产品收率o 6 ，处理量同比提高1 ，软测量误差 9 0 ，项目年综合经济效益在8 0 0 万元以上。 本课题所采用的先进控制及实时优化技术创新点在于：1 ) 通过机理分析和 阶跃测试的方法建立了重整装置四合一反应器及重整分馏塔的数学模型，实现了 装置的平稳控制：2 ) 并通过实施软测量系统提供了对不可测变量在线实时计算； 3 ) 基于先进控制系统和软测量系统开发了重整反应深度实时优化技术。从本课 题实施后的运行情况看，技术先进，系统运行良好并达到了预期目标。本系统采 用的多变量预测控制技术、不可测变量的在线观测技术、重整反应深度实时优化 技术都是国际上领先的，也是基于d c s 控制系统的连续生产装置提高自身操作 水平及经济效益的重要手段。本系统可以广泛应用于石油、化工、医药等生产过 程，具有很好的发展前景，能在工业自动化领域中得到更大的发展。 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 1 文献综述 1 1 连续重整装置 1 ，1 1 催化重整的概况 催化重整是石油化工生产芳烃的主要过程。多年来，催化重整受到书界各国 炼油厂和石油化工行业的重视。在一些国家，催化重整的加工能力已经超过催化 裂化的加工能力。现在，催化重整、催化裂化和加氢裂化已经成为推动炼油技术 发展的三个重要方面。在生产芳烃的石油化工企业中，催化重整是制备低分子 芳烃的龙头装置，重整芳烃和裂解芳烃是芳烃系石油化工必需的两大基本来源。 可见，催化重整在国民经济中的地位和作用是很重要的。 1 9 1 1 年，俄国化学家泽林斯基最先发现了催化重整的基本反应： 环己烷釉苯 而使用p t 担体作催化剂，将环己烷转化为芳烃的工业工程，则是2 0 世纪中 叶的事情。美国环球油品公司( u o p ) 于1 9 4 9 年开发出铂重整，并得到极快的 发展，各国公司在铂重整的基础上，先后发展了许多不同名称的重整。 1 9 6 7 年美国谢夫隆公司钌铼重整，打破了铂重整2 0 多年一统天下的局面。 由于双金属铂一铼催化剂的优良特性，使铂铼催化剂几乎在世界各国工厂得到推 广使用。1 9 8 6 年全世界7 0 以上的重整装置都已经使用双( 多) 金属重整催化 剂，而美国则超过了8 0 。 近年来，催化重整工艺方面也有很大的发展，特别是2 0 世纪7 0 年代的美国 和法国相继开发了催化剂连续再生技术( 即连续重整) ，使运转催化剂的活性始 终保持较高水平，产品质量和收率都有所提高。 生产芳烃的催化重整装置除了原料预处理、重整反应和生成物的稳定外，还 必须把目的产品一芳烃从重整油中分离出来，这就需要芳烃抽提过程和单体芳烃 的精馏或其他的方法使单体芳烃一苯、甲苯、各种二甲苯分离出来，过程如图 1 1 所示。 在以芳烃为原料的现代石油化纤厂中，为大量制取特定芳烃原料一对二甲 苯，通常从催化重整装置为龙头，配合芳烃转化过程一歧化烷基转移过程：f - n - - 甲 苯异构化过程，这就构成了现代的芳烃生产联合装置一芳烃工厂，过程如图1 2 所示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c 一c ，离 图1 1 生产芳烃的重整装置 f i g 11 c a t a l y t i cr e f o r m e rf o ra r o m a t i c sh y d r o c a r b o np r o d u c t i o n 图12 芳烃生产流程 f i g 12p r o c e s so f a r o m a t i c sh y d r o c a r b o np r o d u c t i o n 一7 一 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 1 1 2 催化重整装置的产品及用途 近几十年来，人们对吃、穿、用的需求越来越高，化学纤维、塑料等合成材 料工业迅速发展，促使苯、甲苯、二甲苯在2 0 世纪8 0 年代前平均以11 的速度 递增，把原来以煤为基础的小芳烃生产，几乎全部转到以石油原料为基础的大芳 烃生产上来，其中最主要的方法就是石脑油的催化重整。 苯类芳烃有着广泛的用途，见图1 3 所示。它在石油化工中有着极其重要的 地位。正因如此，近年来以制取芳烃为目的的催化重整加工能力不断增加。 图1 3 芳烃在年瑚化：中的地位 脑代表基本有机原料：方框代表自机台成产品 f i g 13t h er o l eo f a r o m a t i c sh y d r o c a r b o ni np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 1 3 重整反应系统的工艺流程 目前，工业应用的催化重整过程主要有两种类型，一是固定床重整过程，另 一种是移动床重整过程。其中，固定床重整过程又分为固定床半再生式和固定床 末反再生式；移动床又分为轴向重叠式和水平并列式。 ( 1 ) 固定床半再生式重整流程 固定床半再生式重整的特点是当催化剂运转一定时期后，活性下降而不能继 续使用时，需就地停工再生( 或换用异地再生好的或新鲜的催化剂) ，再生后重 新开弓运转，因此，称为半再生式重整过程，流程如图1 4 所示。 半再生重整过程的特点是：运转中的催化剂活性慢慢下降，欲保持必需的产 品辛烷值或芳烃产率，必须不断提高反应温度，到了运转末期，反应温度相当高， 导致重整油收率下降，氢纯度降低，稳定气增加。 该工艺反应系统比其他方式简单，运转、操作与维护比较方便，建设费用较 低，因此，该方法目前应用最多，但是该方法有如下缺点，由于催化剂活性变化， 要求不断变更运转条件，而且停工再生产影响全厂生产，每年至少再生一、二次， 装置开功率较低，由于催化剂活性和选择性在运转初期和末期不同，产品产铝和 质量不稳定，氢纯度也随活性下降而降低。 近年来，双( 多) 金属的活性和选择性得到改进，使其能在苛刻条件下长期 运转，发挥了它的优势。 1 7 聃兰茹苍寒嚣气二丞釜警叠置裳毒罄培 图l4 半再生式重整流程 f i g 1 4t h ep r o c e s so fs e m i - r e g e n e r a t i o nc a t a l y t i cr e f o r m 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 ( 2 ) 固定床末反再生式重整工艺流程 为解决因再生停工问题，我国在新装置设计中采用末反式再生式新工艺。与 半再生式相比，它需要设置最后台反应器再生系统和与系统隔离的高温阀，流 程如图1 5 所示。 鞠一3 援盛式社动球琏皱摊垃诫程 1 2 ，5 一辰斑蚤t 岳鼻珏：s 一曩压汛t6 一高压噩t1 一硌定堪 l 一却珊妒f 煎槔护) ；9 拜生磐 l 一掰辑油n 一嚣描气 自一| 蔓证嚣啦气i v 一稳定苴赫盎最谛；v 一盈蓥搿盎嚣 图1 5 末反再生式重整流程 f i g 1 5t h ep r o c e s so f f i x e d b e dc a t a l y t i cr e f o r m 其实，固定床末反再生式重整过程与固定床半再生式重整过程没有什么本质 的不同，它只是在半再生式重整过程的最后一个反应器中配置再生系统。因而， 末反应器催化剂可以随时由工作系统切除，单独进行再生，而不必将全装置停工。 ( 3 ) 重叠式移动床连续重整流程 这种方法是连续的从反应器中排出失活的催化剂，在另一个容器一再生器中 连续进行再生后重新回到轴向重叠放置的顶部的第一反应器中，流程见图1 6 所 示。 使用现代双金属催化剂的移动床重叠式连续重整，可在低压下运转，并保持 极高的活性，能生产矢量稳定的高辛烷值汽油或芳烃。 与半再生工艺流程相比，末反再生式和循环再生式催化剂的平均活性有了一 定的提高，而连续再生使催化剂活性，实际上可维持定的活性，能经常地生产 具有一定性质的重整汽油或重整芳烃。但是，重叠式连续再生重整过程由于低压 运转，要求系统内压力损失变小，这就需要使用新发展的加热炉和将一、二、三 四反应器叠合一起的塔式反应器。重叠式连续再生重整过程复杂，要求自动化控 制，现代计算机模拟操作系统可免去许多繁琐的人工操作。所有这些，要求装置 具有良好的维护和管理，特别需要具有良好耐磨性能的催化剂。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 一m 犯j 】d 热炉一2 一m 毪豆碰8 ，再生艮斑a - i 一弭一加壕炉一群。e 鼍掩矗嚣 n 一撵整分离器it 一弭生舟肖器，8 一毓强饥口一氮 麟姆啦t o 一乜随堪，、卜一电气陈衄帆 i 一嚣h 曲- - l i t 罄删俞扭im 一缸气l r 一琏化石袖气；v 一牲辑气一珥生凰鼍- n 一扭定皿肇砖：一鞋出唯“一口鼍 图16 重叠式移动床连续重整流程 f i g 16t h ep r o c e s so fo v e r l a p p e dm o v i n gb e dc o n t i u n o u sc a t a l y t i cr e f o r m ( 4 ) 并列式移动床连续重整工艺流程 流程与重叠式移动床不同，这种流程的反应器不是上下重叠，而是彼此并列， 各反应器排列的位置与传统半再生式相似。但是它的催化剂处于流动状态，并没 有专门的催化剂再生系统，流程如图l7 所示。 i 一缓冲料i2 一兀七嚣，4 箍曼勰“尊：n 一硬盘器 1 饿升船 扣一分珥* t 一舞撮诳琏烧 l n 一埝是搭fl i 一枉气压墙机 7 一缳气u 一氟气；原村# h 一童甍删肃氲iv 悬气； u 嵌纯石馋气一毪宣鞭撩袖；h 稀生獬屯鼍。辩盘废一 图17 并列式移动床连续重整流程 f i g 17t h ep r o c e s so fp a r a t a c t i cm o v i n gb e dc o n t i u n o u sc a t a l y t i cr e f o r m 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 原料油进入反应系统后的流动亦与半再生式重整流程完全样，其他部分 可参见重叠式移动床连续重整过程。 1 1 4 催化重整工艺进展 从各个历史时期的统计中，均可看出在全球各地区和各个时期，半再生式 重整装置加工能力均占1 2 以上，其地位是不可动摇的。按美m p h i l l i p s , - 油公司 2 0 0 0 年底统计，当年世界催化重整的总加工能力为4 7 0 m t a ，其中半再生式重 整装置的加工能力占5 7 7 ，连续再生式重整装置加工能力占2 9 7 ，循环 再生式重整装置加工能力占1 1 6 ，其余占1 0 【。 蛰j 2 0 0 1 年底，我国催化重整装置共有5 7 套，其加工能力为1 82 0 m t ja ， 其中半再生装置为4 1 套，加工能力为80 1 m t a ，连续再生式重整装置1 6 套， 加工能力为1 0 1 9 m r a 。连续再生式重整加工能力要比半再生式重整的加工能力 高2 1 3 9 。 ( 1 ) 催化重整工艺的发展空间1 4 】 2 1 世纪是实施可持续发展战略的时期，炼油工业面临环境保护法规的压力 和市场发展趋势的挑战，当今最重要的任务就是生产符合环境保护要求的清洁的 或绿色的燃料，把油品对人类健康的危害降到最低。作为催化重整装置而言，催 化重整生成油目前乃至今后相当长一段时| 白j 仍是世界各国炼厂生产清洁汽油最 重要的3 种调合组分之一。此外，生产高辛烷值的无苯低芳烃汽油组分，石油 化工原料芳烃以及生产低硫和超低硫汽油和柴油皆需要氢气，这些都需要发展催 化重整工艺。 世纪世界清洁汽油需求量还将继续增加 目前世界上四轮车保有量约6 6 亿辆( 其中汽油车约占7 0 ) ，摩托车保有 量约1 亿辆，每年耗汽油和柴油约10 0 0 m r 以上。美国是目前世界上生产和消 费汽油最多的国家，目前美国年消耗新配方汽油1 0 7 5 m r 。因此，至少在2 1 世 纪的前十几年内，运输车辆的主要燃料仍是清洁汽油和柴油。虽然到2 0 1 0 年， 柴油、航空煤油年需求量比汽油需求量大，但据预测，到2 0 1 0 年，汽油需求量 的年平均增长速率为2 1 ，而亚洲和拉美的年平均增长率为4 ，届时汽油 和液化气需求量的比例将从目前的3 6 增长到4 0 。 世纪初世界石化工业将进入复苏时期 2 1 世纪炼油工业的发展方向是实现炼油石油化工一体化生产，在生产运 输燃料( 汽油、航空煤油、柴油) 的同时生产石油化工原料。众所周知，全世界 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的b t x 芳烃中，有7 0 左右来自炼油厂的催化重整装黄。石油化工业中的芳烃 的发展，则相当大程度上依赖着催化重整的发展。2 0 1 0 年前，石油化i _ , l k 将走 出“石油化工利润周期”的低谷，从萎缩阶段又走向一个新的发展。由于2 l 世 纪石油化工业的发展，特别是聚酯产品的需求增长需要大量的芳烃。2 0 0 0 2 0 0 5 年，世界芳烃需求量的年平均增长率为5 ，亚太地区略高于世界年平均增长 率，为7 9 。据p c i 预测，2 0 0 2 - 2 0 0 5 年，对二甲苯的消费量绝对增加值 将达到7 0 m t ，估计2 0 0 3 - 2 0 0 5 年，对二甲苯装置的开工率将提高到9 0 以上， 世界范围内将出现供不应求的局面。 此外，随着未来清洁汽油对苯和芳烃的控制要求，石油化工生产对芳烃的 需求和汽油中芳烃的过剩正好可以进行互补。据u o p 公司og e n i s 等估计，到 2 0 0 5 年，欧洲汽油需求量为1 3 5 m r a 。在实施汽油新标准后，欧洲的炼油商将 被迫在汽油生产中降低0 8 m t a 的苯和45 m t a 的芳烃，其中约4 0 是甲苯， 5 0 是混合二甲苯。 清洁燃料的生产需要大量的氢气 加氢工艺是生产优质燃料必不可少的核心技术之一，近年来逐渐为人们所 接受，发展很快，尤其是对清洁汽油和柴油生产的需求，从催化裂化原料预处理， 到汽油选择性加氢和柴油深度加氢等等工艺。此外，加工高硫、高金属、重质原 油和生产石油化工产品均需要加氢工艺，氢气的需求量将大幅度上升，而催化重 整装置的副产氢气正好满足这一需求，催化重整装置的每吨进料将可提供2 5 0 5 0 0 n m 3 副产氢气( 因工艺条件、原料组成、催化剂性能不同而各不相同) 。如果 选择渣油加氢，氢气需求量将大幅度增加，氢耗量为5 6 n m 3 t 原料f 3 j 。 ( 2 ) 催化重整工艺发展的其他因素 实施可持续发展战略需优化利用石油资源 2 1 世纪石油化工工业的发展，特别是三大合成材料工业的发展，依靠石脑 油为原料的比例越来越大。预计到2 0 0 5 年，亚太地区石脑油原料将达到8 1 1 ，西欧为7 3 2 ，世界平均达到5 5 ，以后还将会逐年上升。因此，2 l 世 纪炼油工业的发展方向是实现炼油石油化工一体化生产，在生产运输燃料( 汽 油、航空煤油、柴油) 的同时，还要生产石油化工原料。 体化氢气供应的拓展 优质中间馏分油需求的增长推动了渣油转化能力的增长，对炼厂氢气的需 求量增长，炼厂越来越需要现场制氢或就近购买氢气以弥补其厂内氢气供应( 主 要来自催化重整) 的不足。管输氢气就应运而生。此外，随着各国电力相继解除 管制，打破电力供应行业高度一体化的垂直结构，形成竞争的发电市场。把发电 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 和s m r 结合的一体化供氢，这种新兴的氢气电力一体化和氢气电力蒸汽 一体化的开拓也为依赖催化重整装置供氢产生影响。其次，从经济上看，气化制 氢可与天然气蒸汽制氢和管输氢气相竞争。尤其是目前的炼厂残渣( 焦炭、减粘 渣油、沥青、炼厂固体残渣物) 气化制氢不仅可生产电力、蒸汽，而且为下游化 工装置生产合成气。该工艺具有广阔的发展前景。 f 3 ) 适应催化重整装置改造工程出现的新技术 新增生产能力中改造占5 2 3 7 ，半再生式装嚣占6 3 7 7 。据美国o g j 2 0 0 1 年世界各地建设项目统计，世界( 除中国外) 催化重整装置新增生产能力为 1 4 7 4 m r a ，其中通过装置改造而增加能力为77 2 m r a ，占新增生产能力的 5 2 3 7 。在全部设计建设的项目中，新建连续催化剂再生式装置共有6 套， 分布在埃及、伊朗、巴布亚新几内亚、俄罗斯、乌克兰和土耳其，总加工能力为 5 3 4 m r a ，全部采用美国u o p 的专利技术。2 1 世纪汽油需求量将继续增加， 汽油调合组分中不能没有催化重整油。而提高重整油辛烷值的方法之是用连续 再生式催化重整代替半再生式催化重整，但由于投资太大，近期内难以实现这个 目标，半再生式催化重整的地位仍难以动摇【5 6 】。 半再生式重整催化剂r 2 8 6 r 2 8 6 是美国u o p 公司开发的应用于固定床催化重整的高收率低密度载体 的新型催化剂。由于在新载体上金属和酸活性平衡的优化可实现高收率，它与 r 2 5 6 催化剂相比，在运转周期不变的情况下，收率提高1 。其次，由于密度 降低1 5 ，降低了载体的总质量，因而显著降低所需金属。按u o p 公司预计， 除了允许进料中的硫和水分波动，大部分应用中将r 2 8 6 替代r 2 5 6 。采用该催 化剂的第一个工业装置于2 0 0 1 年3 月投产。 m a x c a t 降结焦技术的应用 美国p h i l l i p s 公司开发的m a x c a t t m l 降结焦技术，可以满足炼厂提高半再 生式催化重整装置性能的需要。按p h i l l i p s 公司的生产经验，采用该降结焦技术， 可使半再生装置的结焦量达到最小，新增技术可以在相当低的投资下提供更大的 灵活性。大多数炼厂应用该技术仅需2 00 0 0 美元即可，但获得的收益是使装置 降低操作压力、氢油比，提高辛烷值和增加运转周期，从而提高经济效益。m a x c a t t m 降结焦添加剂目前已在美国5 座炼油厂的6 套催化重整装置上使用。其中 b o r g e r 炼厂生产汽油和芳烃的催化重整装置均用了这种添加剂，生产汽油组分 的催化重整装置使用后，加工量提高2 0 ，催化重整产物辛烷值平均提高l 8 个单位。生产芳烃的催化重整装置使用后，在连续运转5 0 0 天内，催化剂结焦 量降低5 0 以上。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 ( 4 ) 我国催化重整工艺技术的发展趋势【7 j 我国催化重整工艺技术将有较快发展，连续重整工艺技术将会得到广泛应 用，装置的处理量日趋增加，操作压力将进一步降低，自动化水平将进步提高 8 , 9 1 。 目前我国汽油以催化裂化汽油组分为主，烯烃和硫含量较高，1 9 9 9 年第一 季度我国9 0 号车用无铅汽油的平均烯烃含量为4 3 2 ，最高可达5 8 2 。 重整汽油辛烷值高，而烯烃含量很少( 最多也只有1 2 ) ，硫含量接近于零， 掺入汽油中可大幅度降低汽油中的烯烃和硫含量，提高辛烷值。虽然重整汽油中 苯和芳烃含量较高，也是清洁燃料限制的组分，但我国汽油中重整汽油组分极小， 远远低于美国和欧洲，汽油中的苯和芳烃的含量都很低，离限制还有很大余地， 而且必要时还可以通过提高重整原料初馏点、采用苯馏分加氢、将重整生成油中 的苯抽提出去的方法降低苯含量。另外随着符合生产清洁燃料要求的加氢装置的 建设，氢气需求将进一步增大，重整副产的大量氢气正好适应了这一需要j 。 因此预计我国催化重整工艺将会得到快速发展。 随着工艺技术的发展和对汽油产品各项技术指标的不断提高，具有较高产品 收率和经济效益的连续重整工艺技术逐渐成为当今重整工艺技术发展的主要方 向。在主要工业化国家，连续重整不论从套数、加工量，还是从占总重整加工量 的比例，均呈上升趋势。全世界连续重整工艺的加工能力所占比例( 对催化重整 总加工能力) 已由1 9 9 2 年的1 3 7 增加到1 9 9 7 年的2 5 5 。今后我国新建装 置的再生过程采用连续再生方式将是一个发展趋势。 自动化水平进一步提高可为优化控制、集中操作、保证安全、减少人员和加 强技术管理创造有利的条件。采用在线优化： 0 a p c ( 先进控制工艺) 将使炼厂随 时通过最有利的路径将操作移向指定目标，充分发挥d c s 系统的优点，在投资 不大的情况下，始终获得最佳效益。国外著名先进控制公司s e t p o i n t 给出的 催化重整过程先进控制经济效益为o3 14 5 t 进料【i “，广州石油化工总厂1 9 9 6 年采用了s e t p o t 公司的a p c 软件，在装置负荷为7 0 左右时，重整汽油收 率增加o 3 2 ，r o n 提高0 2 个单位，纯氢产率增加o0 6 ，同时提高了产品质 量和装置运行的安全性，每年可获得可计算的经济效益1 7 9 2 1x1 0 6 元l 】3 j 。提高 自动化水平将会提高我国催化重整装置的经济效益。 1 2 先进控制 随着科学技术的飞速发展及其在工业生产中广泛和深入的应用，近几十年工 业生产的发展体现着两个明显的特征，一是生产规模越来越大，二是生产技术水 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 平越来越高，这既表现为生产工艺技术水平的不断提高，又表现在生产控制的自 动化水平的不断提高，这种发展趋势在化学工业中体现得尤为明显。可以说，化 学工业在相当大的程度上代表着一个国家工业技术的发展水平。 化学工业是国民经济的支柱产业，又是资金密集、能源密集和技术密集的产 业。化学工业是能耗大户，长期以来，我国化学工业技术水平较低，导致能耗物 耗高，限制了化学工业的发展。要改变这种局面，根本的出路就是走科技进步的 道路，采用先进实用的技术改造传统产业。 鉴于化学工业工艺复杂、高温、高压，许多物料易燃、易爆、有毒等特性， 特别需要有可靠有效的检测与控制手段来保证安全生产和优质高产。在这方面， 控制理论与自动化仪表结合而实现的化工自动化起着决定性作用，化工生产的全 过程，离不开自动化检测与控制技术。众所周知，一套自动化仪表系统运行的好 坏，往往能够决定整个生产装置的正常运行与否，而自动化检测与控制水平的提 高又会给生产的稳定运行和产品质量的最佳控制创造条件并提供有效保证，物料 的准确计量更是企业以最低消耗取得最大经济效益不可缺少的手段。因此，实现 化学工业的科技进步，需要特别重视化工自动化技术的应用开发和推广。化工自 动化技术融于化学工业各个领域，它的应用不仅为化工生产建设提供先进技术和 增加后劲，而且可以改变化工技术、设备和管理方面的落后面貌。化工自动化已 成为化工企业提高效益和市场竞争能力的有效手段。 过程控制从最早的手工控制发展至今大约可划分为三个层次，第一层次为传 统控制，第二层次为先进控制，第三层次为优化控制。 1 21 先进控制及其特点“4 4 ”3 先进控带 j ( a p c ) 是那些不同于常规单回路控制，并具有比常规p i d 控制效 果更好的控制策略的统称，这些控制策略是先进性的，但它们目前在工业过程中 还很少被使用。由于先进控制的内涵丰富，同时带有较强的时代特征，因此至今 对先进控制还没有严格的、统一的定义。尽管如此，先进控制的任务却是明确的， 那就是用于处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程的控 制。先进控制最具有代表性的技术是“多变量预估控制”，它与常规控制有两点 不同之处：第一，它是对被控对象( 如反应器等) 进行多变量控制而不是单回路 控制，而且被控变量也由传统的温度、压力、流量、液位四大参数转变为产品质 量指标和设备负荷，大大提高了整个装置的平稳性，为卡边操作、挖掘生产潜力、 提高生产效益创造了条件；第二，化工生产，尤其是石油化工生产过程复杂， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 建立精确数学模型非常困难，而应用预估控制技术则降低了对数学模型精度的要 求。 先进控制具有以下主要特点： 1 ) 与传统的p i d 控制不同，先进控制是一种 基于模型的控制策略，如模型预测控制和推断控制等。智能控制f 成为先进控制 的一个重要发展方向； 2 ) 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题， 如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建 立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产 过程动态特性和操作要求：3 ) 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平 台。近一二十年来，计算机的飞速发展及各种功能强大的应用软件的不断推出为 这个平台提供了可能。 目前，全世界应用先进控制已有数千项，先进控制软件快速增长，年增长率 达到3 0 。先进控制的应用取得了良好的经济效益，其典型偿还率为1 0 美元l 美元【1 6 1 。 1 22 先进控制的主要内容 ( 1 ) 过程辨识技术 过程辨识技术即确立一些变量以及它们之间的相互关系来表征一个实际过 程。换句话说，通过建立一个动态的数学模型来表征一个实际过程，这个数学模 型具有多个输入和输出变量，这些变量之间存在一定的相互联系，受某些条件的 约束控制。对于一个复杂工业过程，需要借助强有力的辨识软件，根据模拟实验 数据或者获取的实际工业数据，在剔除一些错误或虚假数据的基础上，对有效数 据进行有机组织，最终在实际工业生产环境下进行现场装置试验，建立一个多输 入多输出的动态数学模型。 ( 2 ) 过程变量数据的采集、处理和软测量技术 过程变量的采集是指与生产过程有关的过程变量的具体数值的实际测定和 汇总。利用大量的实测信息是先进控制的优势所在，由于这些数据是实际生产现 场测量得到的，保证了这些数据的有效性和可靠性。由于来自工业现场的过程信 息通常带有噪声，数据的采集应作滤波处理，还应进行错误或虚假数据的检测和 识别，从众多数据中剔除错误或虚假数据，以确保数据的有效性和可靠性。软测 量技术是指基于可测信息和模型，实时计算不可测量变量的数值，这是先进控制 中不可缺少的内容。实际生产中有些变量是不能直接测量得到的，例如饱和蒸汽 压、反应热、某些精馏塔两端质量指标等，这类变量的数值在先进控制中只能借 助软测量技术得到。 连续重整装置先进控制及实时优化系统技术开发 ( 3 ) 先进控制策略 先进控制采用合理的控制目标和控制结构，可更好地适应工业生产过程的需 要。先进控制所采取的主要策略有： 个别重要过程变量控制性能的改善，主要采用单变量模型预测控制与原 控制回路构成所谓的“透明控制”方式： 解决约束多变量过程的协调控制问题，主要采用带协调层的多变量预测 控制策略： 先进控制涉及的主要控制策略有：传统的串级、比值、前馈控制等，当 前的推断控制、基于模型的多变量预测控制、自适应控制、协调控制、质量卡边 控制、统计过程控制等以及正在兴起与开发中的智能控制，包括专家系统、模糊 控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制等； 在线检测和处理系统：包括过程的在线故障检测、预报、诊断和处理等。 1 2 3 先进控制的发展现状”7 ”1 从4 0 年代开始，采用p i d 控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已成 为过程控制的核心系统，目前p i d 控制仍广泛应用，即使在大量采用d c s 控制 的最现代化的装置中，这类回路仍占总回路数的8 0 9 0 。然而，单回路控制 并不能适用于所有的过程和不同的要求。从5 0 年代开始，逐渐发展了串级，比 值、前馈、均匀和s m i t h 预测控制等较复杂的系统。但是，在工业过程中，仍 有一些问题采用上述控制无法奏效，这些过程往往具有强耦合性、不确定性、非 线性、信息不完全性和大纯滞后性等特征，并存在着苛刻的约束条件。5 0 年代 以来发展了以状态空间为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输 出反馈、解耦控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法。然而当现代 控制理论真正应用于工业过程时却遇到了很大困难，存在两个主要原因，一是控 制策略本身不完善，二是现代控制理论数学基础所需的大量计算限制了其应用。 近几十年来，计算机和计算技术的迅猛发展为过程控制带来了新的生机，8 0 年 代出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包，通过模型识别、优化算法、控 制结构分析、参数整定以及有关稳定性和鲁棒性等一系列工作，基于模型控制的 理论体系已基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最具有前途的先进控 制策略。近年来，人工智能技术有了长足的进步，并在许多科学与工程领域中取 得了较广泛应用。 随着化学工业目益朝着集成化、大型化方向发展，系统的复杂性不断增加， 表现为过程具有强祸合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后性等特 大连理1 火学专业! 学位硕十学位论文 征，并存在着苛刻的约束条件，控制目标多元化，变量数目增多且相关性增强， 在这种情况下，传统的控制策略己不能完全满足要求，必须应用先进控制。近年 来，先进控制在工业上的应用已经越来越多。从工业应用的角度看，先进控制应 用成功与否的关键在于设计者对被控过程的准确把握与否，能否正确应用各种控 制策略。 1 3 实时优化 先进控制与常规控制相比虽然带来了显著的效益，但是人们并不仅仅满足于 这一点。因为先进控制解决的只是在给定的设定值下装置的平稳操作问题。至于 各个设定值是否为最佳工艺条件，是否能够带来最大的经济效益，就不属于先进 控制的管辖范围了。一般来讲，工业装置的设计都是根据一定的原料和公用工程 条件进行的，而实际生产中又经常遇到原料和公用工程条件与原设计条件不符的 情况。这样原设计规定的工艺条件就需要进行调整，以满足新的工况要求，否则 就会引起能耗的上升或产品质量、回收率的下降；此外，工业装置随着生产时间 的增加，必然会发生催化剂老化、换热器结垢