（化学工程专业论文）汽油调合模型及规划方案研究.pdf

摘要 油品调合是炼油厂生产各种石油产品的生产工序之一。许多企业在长远规 划、生产排产、在线调合等工作过程中，都充分利用汽油调合的先进技术。通过 汽油调合，可以合理利用有限的汽油组分，为企业创造更大的经济效益。 本文通过汽油调合试验提出汽油调合辛烷值模型，并在锦州公司汽油质量升 级规划中加以应用。本文主要内容： 1 从汽油调合的发展与现状、汽油调合模型的建模与优化方面回顾了国内外 该领域的研究和应用的情况。 2 研究了汽油调合模型，对四种模型m o r r i s 改进的交互系数法、z a h e d 经验 方程、t w u c o o n 方法和神经元网络模型进行了比较研究。 3 根据汽油调合实验推导了z a h e d 经验方程的回归系数，建立了汽油调合辛 烷值模型，进行了模型预测计算。 4 分析研究了锦州公司汽油生产现状，比较了锦州公司与国内外汽油质量的 差距。 5 提出了锦州公司2 0 0 4 2 0 0 8 年汽油质量升级规划方案，对规划方案进行了 优化比较，确定了锦州公司汽油质量发展方向。 关键词：汽油调合，模型，优化，汽油质量，辛烷值 as t u d yo fm o d e l sa n dp l a n n i n gs c h _ e m eo n g a s o l i n eb l e n d i n g a b s t r a c t o i lb l e n d i n gi so n eo ft h ep r o c e s s e si nw h i c ha l lk i n d so ft h eo i l - p r o d u c t sa r e p r o d u c e d b yi n t r o d u c i n gm a n ya d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fg a s o l i n eb l e n d i n gi n t ot h e l o n g t e r md e v e l o p m e n tp l a n n i n g ，p r o d u c ts c h e d u l ea n do n l i n ec o n t r o l ，w er e a c h e d t h eg o a lo fm a k i n gf u l lu s eo ft h eb l e n dc o m p o n e n t sa n d o b t a i n i n gr a t h e rc o n s i d e r a b l e e c o n o m i cb e n e f i t e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt ob l e n dg a s o l i n eb yu s i n go i ls a m p l e s ，a n d t h em o d e l so fg a s o l i n eb l e n d i n gh a v eb e e no b t a i n e dt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo ft h e g a s o l i n ei nt h el o n g t e r md e v e l o p m e n tp l a n n i n go fj i n z h o uc o p m a n y t h em a i n c o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f g a s o l i n eb l e n d i n g ，i t sm o d e l i n ga c h i e v e m e n t s a n d o p t i m i z a t i o nm e t h o d se x i s t i n gt i l ln o w , t h er e s e a r c hp r o g r e s sw a so v e r v i e w e d 2 f o u rt y p e so fm o d e l sf o rg a s o l i n eb l e n d i n gi n c l u d i n gm o r r i s p r o m o t e dm o d e l ， z a h e de m p i r i c a lf o r m u l a s ，t w u c o o nm e t h o da n dt h en e u r a ln e t w o r km o d e l ，w e r e s t u d i e da n dc o m p a r e d 3 c o e f f i c i e n to fz a h e de m p i r i c a lf o r m u l a sw a sp r o p o s e d ，m o d e l so fg a s o l i n e b l e n d i n gi nt h i ss t u d yw e r eo b t a i n e d ，a n de v a l u a t i o no f t h eo c t a n en u m b e rw a sc a r r i e d o u t 4 a s t u d yo fg a s o l i n ep r o d u c t i nj i n z h o uc o p m a n yw a sc a r r i e do u t a n d d i f f e r e n c e so ft h eg a s o l i n eq u a l i t yb e t w e e nj i n z h o uc o m p a n ya n do t h e rc o m p a n i e sa t h o m ea n da b r o a dw e r ec o m p a r e d 5 t h ep l a no fp r o m o t i n gg a s o l i n eq u a l i t yf o rj i n z h o uc o m p a n yf r o m2 0 0 4t o 2 0 0 8w a s p r o p o s e d ，t h eo p t i m i z a t i o n m e t h o d sw e r e c o m p a r e d ，a n dt h e n t h e d e v e l o p m e n tp l a n n i n go f g a s o l i n eq u m i t yw a sp r o v i d e d k e yw o r d ：g a s o l i n eb l e n d ，m o d e l ，o p t i m i z a t i o n ，g a s o l i n eq u a l i t y , o c t a n en u m b e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏啤平签字目期：妒牛年7 月服日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇曼冲绎 签字口期：加中年7 月f 辽日 月u吾 随着汽车工业的发展，汽车尾气中污染物的排放量越来越大，造成的大气污 染问题也越来越严重，引起了世界各国的普遍关注。近年来，各国相继实施新的 汽车排放污染物控制标准和汽油标准。1 9 9 0 年美国国会通过了清洁空气法修正 案，强制推行新配方汽油。我国于2 0 0 3 年1 月1 日开始在全国范围内执行车用 汽油新标准，烯烃含量刁i 大于3 5 。为了降低烯烃含量，各炼油厂采用了很多降 低汽油烯烃技术，但在降低汽油烯烃的同时，也损失了汽油的辛烷值。由于汽油 配方的升级换代，使炼油厂为满足新的规格付出高昂的代价，因此利用精确的油 品调合模型，预测和优化汽油调合过程，在满足车用汽油指标的条件下，最大限 度地将各种汽油组分按一定配方进行调合，降低再调合次数，生产出成本最低、 质量合格的高品质汽油，可以产生巨大的经济效益。 本文以中国石油锦州石化分公司汽油调合实验为基础，对文献提供的汽油调 合辛烷值模型进行比较和修正，推导出用于预测汽油调合辛烷值的模型，同时根 据优化技术，提出炼油厂汽油质量规划方案。 第一章文献综述 1 1 油品调合工艺概述 1 1 1 油品调合的目的 第一章文献综述 炼油工业又称石油炼制工业。它是以原油( 包括人造石油) 为基本原料，通 过常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、延迟焦化、加氢裂化、炼厂气加工、产品 精制等一系列石油炼制工艺过程，把原油加工成各种牌号的汽油、煤油、柴油、 润滑油、溶剂油、重油和石蜡、沥青、石油焦，并生产多种石油化工基本原料的 工业部门l jj 。 石油工业是困民经济的基础工业之，它是一个很重要的化工原材料供应的 加工系统，它的发展水平如何，在很大程度上表明了国力和人民生活水平的高低。 我国的炼油工艺技术经过半个世纪的发展，形成了原油蒸馏；热裂化、减粘裂化 和延迟焦化：催化裂化；催化重整：炼气加工；加氢精制、加氧裂化和制氢： 润滑油生产工艺等完整的石油炼制工艺技术，已经达到或接近了当代世界水平， 为国民经济的发展提供所需的石油产品。 人多数石油产品都是经过调合而成的调制品。油品调合通常可分为两种类 型：一是油品组分的调合，是将各种油品基础组分，按比例调合成基础油或成品 油；二是基础油与添加剂的调合。油品调合的作用与同的在于： 1 使油品具有使用要求的各种性质与性能，符合规格标准，并保持产品质虽 的稳定性。 2 提高产品的质量等级，改善油品的使用性能，使工厂获得较大的经济效益， 增加社会的作用效益。 3 使组分合理使用，可以提高有效地产品的收率，增加产量。 油品调合是炼油生产各种石油产品的生产工序之一。随着现代工业和科学 技术的发展，对石油产品提出了更高的要求，也有力地促进了油品调合技术的发 展。 1 12 油品调合机理 各种油品的凋合，除个别的添加剂调合以外，大部分为液一液相系互相溶解 的均相调合，足三种扩散机理的综合作用1 1 】： 分子扩散：由分子的相对运动所引起的物质传递，是在分子尺度的空间内进 2 第章 文献综述 1 1 油品调合工艺概述 1 1 1 油品调合的目的 第一章文献综述 炼油工业又称石油炼制工业。它是以原油( 包括人造石油) 为基本晾料，通 过常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、延迟售化、加氢裂化、炼厂气加工、产品 精制等系列石油炼制工艺过程，把原油加工成各种牌号的汽油、煤油、柴油、 润滑油、溶剂油、重油和石蜡、沥青、石油焦，并生产多种石油化工基本原料的 工业部门 i j 。 石油工业是国民经济的摹础工业之，它是个很蕈要的化工原材料供应的 加工系统，它的发展水平如何，存很大程度r 表明了国力和人民生活水平的高低。 我国的炼油工艺技术经过半个世纪的发展，形成r 原= j l 蒸馏；热裂化、减粘裂化 和延迟焦化；催化裂化；催化重整；炼。气加工；加氢精制、加氢裂化和制氢； 润滑油生产工艺等完整的石油炼制工艺技术，已经达到或接近了当代世界水平， 为国民经济的发展提供所需的石油产品。 大多数石油产品都是经过调合而成的调制品。油品调合通常可分为两种类 型：一是油品组分的调合，是将各种油品基础组分，按比例调合成基础油或成品 油：一是基础油与添加剂的调合。油品调合的作用l = j 目的在于【1j ： l 使油品具有使用要求的各种性质与性能，符合栩格标准，并保持产品质量 的稳定性。 2 提高产品的质量等级，改善油品的使刖性能，使工厂获得较大的经济效益， 增加社会的作用效益。 3 ，使组分合理使用，可以提高有效地产品的收率，增 口产量。 油品调合是炼油厂生产各种石油产品的生产工序之一。随着现代工业和科学 技术的发展，对石油产品提出了更高的要求，也有力地促进了油品调合技术的发 展、， 1 1 2 油品调合机理 各种油品的凋合，除个别的添加剂调合以外，大部分为液一液相系可相溶解 的均相调合，是= 种扩散机珲的综合作用0 1 】： 分子扩散：由分子的相对运动所引起的物质传递，是在分子尺度的空间内进 分了扩散：由分了的相对运动所引起的物质传递，是在分子尺度的空间内进 第一章文献综述 行的。 涡流扩散( 或称湍流扩散) ：当机械能传递给液体物质时，处于高速流体与 低速流体分界面上的流体受到强烈的剪切作用，产生大量旋涡，造成对流扩散， 该过程是在局部范围的涡流尺度空间内进行的。 主体对流扩散：包括一切不属于分子运动或涡流运动而使大范围的全部液体 循环流动所引起的物质传递，该过程是在大尺度空间进行的。 主体对流扩散只能把不同物料成较大“团块”地混合起来，通过大“团块” 界面间的涡流扩散，把不均匀程度迅速降低到旋流本身的大小，再通过分子扩散 使全部油料达到完全均匀的分布状态。对于高粘度的液体，如重质润滑油和重质 燃料油的调合，则与低粘度的液体不同，在调合过程中主要是“剪切作用”，把 待调合的油料撒拉成愈来愈薄的薄层，逐步减小为被一种组分占有的区域尺寸， 最后区域消灭而达到全部调合。 油品调合后的特性表现在与调合组分间的线性和非线性关系上，即表现在组 分间有无加和效应的关系上。某一特征等于其中每个组分按其浓度比例迭加的称 为线性调合，反之称为非线性调合。调合后的数值高于线性估测值叫正偏差，低 于线性估测值的叫负偏差。之所以出现这种偏差，一般都与油品的化学组成有很 大的关系。油品的组成十分复杂，因此一般在调合中大多属于非线性调合。 1 13 油品调合方法 目前常用的调合可分为两大类，即油罐调合和管道调合【lj 。油罐调合可分为 泵循环喷嘴和机械搅拌两种。至r 使用压缩空气调合易使油品氧化变质，还有造 成污染和挥发等缺点，一股已不采用。 ( 一) 泵循环喷嘴油罐调合 先将组分油和添加剂送入罐内，用泵不断地从罐内抽出部分油品通过装在喷 嘴射流混合。高速射流在静止流体中穿过时，一面推动其前方的液体运动，同时 在射流边界卜- 存在的高剪切速率造成大量旋涡把周围液体卷入射流中，这样把动 量传给低速流体，同时使两部分流体很好混合。这一方法适用于调合比例变化的 范同较人、批量较大和中、低粘度油品的调合，设备简单，效率高，管理方便。 喷嘴有单喷嘴和多喷嘴两种，单喷嘴本身是一个流线型锥形体，安装在罐内 靠近罐底的罐壁上，倾斜向卜。多喷嘴一般由5 个或7 个喷嘴组合而成，整套喷 嘴安装在罐底部中心，并垂直向上，四周喷嘴围绕中心喷嘴呈倾斜。 ( 二) 机械搅拌调合 使用机械搅拌【乜是油罐调合的常用方法，适用于批量不大的成品油的调台， 特别是润滑油成品油调合，搅拌器的安装方式主要有侧壁伸入及罐顶中央伸入两 第一章文献综述 大类。 ( 三) 管道调合 管道调合是将各个组分和添加剂按预定比例同时注入总管和管道混合器进 行均匀调合的方法。管道混合器( 常用的是静态混合器) 的作用在于流体逐次流 过混合器内每一混合元件前缘时，即被分割一次并交替变换，最后由分子扩散达 到均匀混合状态。管道调合具有下列优点： 1 可使基础油组分储存罐减少并可取消调合罐，成品可随用随调，这样可 节省成品油的非生产性储存，减少油罐容量。 2 组分油能合理利用，尤其对批量较大的油品，添加剂能准确加入，避免 质量过剩，可以提高一次调合合格率，成品油质量可一次达到指标。 3 减少中间分析，节省人力，取消多次油泵转送和混合搅拌，从而节约时 间，降低能耗。 4 由于全部过程密闭操作，减少油品氧化蒸发，降低损耗。管道调合适用 于大批量的调合。既可在计算机控制下，实现自动操作，也可使用常规自控仪表、 人工给定调合比例的手动操作管道调合，也可用微机监测、监控的半自动调合系 统。这三种管道调合方法我国都有实际使用。由于国产微处理机与在线质量仪表 取得进展，管道自动调合方法正在日趋改进和完善。 1 2 汽油调合发展与现状 1 21 世界各国清洁汽油的发展与现状 随着汽车工业的发展，车用燃料的消耗量与日俱增。汽车尾气中污染物( 碳 氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等) 的排放量越来越大，造 成的大气污染问题也越来越严重，引起了世界各国的普遍关注。 汽油是汽车的丰要燃料( 占6 5 ) ，因此减少汽油燃料汽车尾气中污染物排 放量成为最首要的问题【2 】。近2 0 年来，虽然在改进发动机中油品燃烧过程、汽 车尾气净化等方面都取得了较大的进展，但仍不能满足环境保护的要求。上世纪 9 0 年代以来，发达国家提出了从源头解决汽车尾气污染问题的根本措施，即炼 油厂采用新工艺、新技术生产清洁汽油燃料，为汽车提供低硫、低烯烃、低苯、 高辛烷值汽油，目前已经取得莺要进展，其中有的新技术已经工业应用，有的即 将工业应用，能够比较圆满地解决汽车尾气造成的大气污染问题。近年来，各国 相继实施新的汽车排放污染物控制标准和汽油标准。 美国环保局的基础汽油规格：当前世界各国都非常重视提高汽油的质量， 美国走在世界前列。1 9 9 0 年通过了清洁空气法修正案，要求空气中c o 含量超 第一章文献综述 过9 m g l 的4 0 个地区必须使用氧质量分数不小于2 的新配方汽油，以使汽油 燃烧得更彻底，减少c o 的排放。环保局提出了使用新配方汽油( r f g ) 的要求， r f g 规定的指标为：氧含量不小于2 ，芳烃含量不大于2 5 ，苯含量不大于 1 o ，蒸气压f 南列匕1 为5 0k p a 5 6k p a ，硫含量、烯烃含量不超过1 9 9 0 年平均值。 1 9 9 8 年起，美国环保局采用复杂模型，进一步降低汽车排放污染。复杂模型的 基础汽油规格见表1 1 1 2 1 。 表11美国环保局的基础汽油规格限制值 t a b l e l 一1e p as p e c i f i c a t i o n so fb a s i cg a s o l i n ec o m p o n e n t s 项目 数据 苯v 芳烃v 烯烃v 氧m m 硫p p m o 2 o o 5 0 o 2 5 o 4 0 0 5 0 0 美国及欧洲汽油规格：自二十世纪九十年代以来，西方发达国家如美国和 欧洲各国为了改善汽油质量、保护环境，相继对汽油的规格作出了近期和远期要 求。其中对汽油中硫含量、苯含量、芳烃含量、烯烃含量的规格要求见表卜2 。 表12 各国车用汽油规格 t a b l e l 一2g l o b a ls p e c i f i c a t i o n so fa u t o m o b i l eg a s o l i n e 竺!鬻杰鲎翌墨鲨 美国1 9 9 0 年平均 3 3 8 1 6 2 8 6 1 0 80060 美国加州c a r b 第1 i 4 0 1 0 2 5 2048 阶段1 9 9 6 年 美国第1 i 阶段2 0 0 0 年 1 4 0 1 7 0 1 0 2 5 6 1 01 6 3 5 欧盟2 0 0 0 年 1 5 0 104218 2 7 欧盟2 0 0 5 年 5 0 103518 2 3 欧洲议会2 0 0 0 年 1 5 0 1 0 3 5 1 4 2 7 欧洲议会2 0 0 5 年 3 0 l03014 2 7 注：南方城市4 62 北方城市5 1 8 世界燃料规范中提出的各级汽油标准：1 9 9 7 年第三届世界燃料会议卜， 美国汽车制造商协会( a a m a ) 、欧洲汽车制造商协会( a c e a ) 和日本汽车制造商 协会( j a m a ) 联合发表了世界燃料规范，提出世界范围的汽油和柴油标准“。 其中汽油分三个等级，主要指标见表卜3 。从表卜3 可见，该标准对硫含量、苯 器咖锄 笺二童塞堕堡堕 含量、芳烃含量、烯烃含量和氧含量进行了严格限制。其中i i 、i u 级汽油标准比 欧洲汽油标准2 2 8 1 9 9 3 还严格。 表卜3 世界燃料规范汽油标准( 部分指标) i i 级 9 58 2 52 0 0 i 级 9 8 8 2 53 0 2 74 02 5 2 01 9 5 2 7 3 511 01 9 5 我国车用汽油的国家标准：国家质量技术监督局于1 9 9 9 年1 2 月2 8 日批准 发布了g b1 7 9 3 0 1 9 9 9 车用无铅汽油国家新标准【3 】( 见表1 4 ) ，并且规定 该标准于2 0 0 0 年1 月1 日起实施。 表卜4g b1 7 9 3 0 1 9 9 9 车用无铅汽油国家新标准 t 扎l e l 一4t h es t a t en e wc r i t e r i o no nu n l e a d e da u t o m o b i l eg a s o l i n eg b1 7 9 3 0 1 9 9 9 6 翌撕 豢一 紫一繁一篙一菪一 誉一煮 第一章文献综述 目前我国每年车用汽油的产量已超过3 2m t ，其中9 0 号以上的汽油比例为 8 7 2 9 叫。 我国汽油的特点：我国原油偏重，轻质馏分较少，例如，大庆原油和胜利 原油的直馏石脑油含量不到1 0 。为了生产足够的燃料，满足汽车工业发展的需 要，必须采用深度加工工艺技术，因此，催化裂化成为我国发动机燃料生产的主 要工艺。1 9 9 8 年催化裂化装置生产能力达到8 6m t ，占二次加工能力的7 0 ，催 化裂化汽油成为我国成品汽油的主要调合组分。我国车用汽油调合组分中，催化 裂化汽油组分占8 0 以上，而催化重整汽油组分和烷基化汽油组分则很少【2 】。目 前我国汽油最突出的问题是烯烃含量和硫含量较高。为了降低烯烃含量，各炼油 厂采用了很多降汽油烯烃技术，在降低汽油烯烃的同时，也损失了汽油的辛烷值。 1 2 2 乙醇汽油的开发和利用 2 1 世纪世界各国都将以保护环境，维护生态平衡，防止和治理污染，作为 充分有效地开发利用自然资源发展本国经济的前提。同时各国为了能源安全，摆 脱对国外原油进口的依赖，满足r 益严格的控制污染的环保法规，纷纷开展以自 然可再生资源生产：车用替代燃料的研究。开发利用可再生资源生产清洁汽车燃料 是世界的一个热点。乙醇，作为一种清洁燃料以及汽油高辛烷值、含氧化合物组 分，加入到汽油中调和成含乙醇汽油已在国外成熟应用【4 】。 乙醇混合燃料以e 加一个数字表示，如e i o ，e 代表乙醇( e t h a n 0 1 ) ，数字 代表乙醇在混合燃料中的比例( 体积分数) 。用于混合燃料中的乙醇是改性( 不 适合饮用) 的。乙醇含氯量占3 5 ( 质量分数) ，其热值仅有汽油热值的5 9 。 乙醇本身是含氧燃料，又其化学结构为简单的原子键结构，且能提供连续而 平稳的火焰燃烧，使燃料燃烧更完全，对降低c o 及h c 排放有很大帮助。汽车尾 气中c 0 含量可以降2 ( ) 一2 5 。此外，汽油中含有少量的硫，汽车排放废气经催 化转化器后，会产生h ：s 气体，若使用乙醇或乙醇混合汽油，即能免除或减少此 现象。使用乙醇汽油的汽车尾气中n o ：可能会稍许增加】一2 ，醛类物质也会提 高，但它比普通汽油车尾气中其它有害物质对空气的污染要小。对环境影响的净 结果是，减少了能够形成地面臭氧的污染物质的排放，减少了有害温室气体的排 放，其中c o 排放减少3 0 ，进入大气的c 0 ：净减少6 一1 0 ，挥发性有机化合物 的排放降低，s o 。和颗粒物的排放及不利影响减少。 国外乙醇汽油燃料的应用：巴西是世界上最大的乙醇生产国，t 9 9 7 年乙 醇产量约1 1 0 0 万吨，其主要生产原料是甘蔗。美国是世界上第二大乙醇生产国， 1 9 9 9 年乙醇产量约4 7 8 万吨，其产地主要集中在美国的中西部玉米产地，主要 原料为玉米。除此之外，法国、瑞典、加拿火、墨西哥等国也在生产、使用乙醇 第一章文献综述 汽油。 美国在1 8 7 6 年时就开始设计使用乙醇的引擎，随后在1 9 0 8 年又有福特厂的 m o d e l t 引擎，使用乙醇或乙醇混合汽油为燃料 4 j 。2 0 世纪3 0 年代，乙醇在美国 第一次和汽油混合用作汽车燃料，1 9 9 3 年美国汽车制造商协会首次开展了对乙 醇汽油的研究。乙醇大规模用于车用燃料是在2 0 世纪7 0 年代第二次世界石油危 机后，美国曾先后推广使用含1 0 、8 5 、1 0 0 等不同比例乙醇的车用燃料，其 后，乙醇工业及乙醇汽车工业在美国得到迅猛发展。2 0 世纪9 0 年代，清洁空气 法的实施，要求使用新配方汽油( r f g ) ，汽油中要添加含氧量2 7 ( 质量分 数) 的含氧化合物，减少c 0 和挥发性有机化合物的排放，改善城市空气污染的 困扰。这是推动美国乙醇工业发展主要动力。 美国采用乙醇汽油燃料是为了减少对国外石油进口的依赖，同时为农业提 供市场机会，促进农村经济的发展；有利于环境保护( 减少c 0 和c o 。的排放，减 少形成臭氧的气体前身物) ，替代汽油中危险的和对环境有害的组分，如苯；关 心与矿物燃料有关的勘探、提取以及进口原油的油罐运输过程中的环境危害问 题。美国自1 9 7 8 年以来一直有政府补贴和优惠的税率来辅助乙醇的生产和使用， 才使得乙醇能够有竞争力来取代部分汽油。当然其中的原因除了美国政府对石油 危机的意识及对环境污染的改善外，还有一个更重要的因素，是为了改善农业经 济。除此之外根据一项调查显示，在1 9 9 7 年，因乙醇的生产，总共可提供1 9 5 2 万个工作机会，并可使联邦政府多收入约3 6 亿美金。 巴西是世界上使用乙醇来代替汽油最多的国家，乙醇生产原料全部来自于甘 蔗 4 】。以乙醇汽油或纯乙醇作为汽车燃料，改进空气污染的成果非常显著。巴西 是第一个完全使用乙醇作燃料的国家。目前，巴西近半的汽车使用纯乙醇燃料。 巴西政府推动的“乙醇燃料计划”始于1 9 7 5 年，难值第一次石油危机。当初的 动机并非为了环保，而是因为石油价格飞涨。巴西政府决定采取计划来代替柴油、 汽油及其他油品的使用，因而发展乙醇当作燃料来取代汽油。在巴西，由于政府 的倡导，国内广泛使用乙醇，加上国际石油市场的垄断，加速了乙醇的推广。乙 醇对巴西的贡献，一为燃料的自给自足，摆脱对同外原油进口的依赖；其次为减 少空气污染；另外是创造了极多的就业机会。 我国乙醇汽油燃料的应用：为了尽量摆脱我国对石油进口的依赖，实现资 源的可持续利用、经济的可持续发展，利用生物可再生资源，发展乙醇燃料3 ：、j k 是一条可行的途径。在乙醇汽油的推广过程中，应注意解决分层、发动机部件腐 蚀及橡胶件溶胀损坏等相关技术问题及管理问题。美国目f ； 大量推广的是l o 以 下乙醇的汽油。我国由于炼油装置的结构和美国有很大的不同，汽油组分和美国 第一章文献综述 相比也很不相同，推广使用什么比例的乙醇汽油，应该结合国情进行认真的研究 后确定。我国推广乙醇汽油需要借鉴美国的经验，结合国内汽车及汽油生产、储 运、销售设施特点，建立一套严格的燃料乙醇生产调和、储运及销售质量管理规 范及配套措旋，建立相应的储运、销售、售后服务系统，并制定相关的操作规范。 1 2 3 车用汽油的调合发展与现状 对于车用汽油，在两个或几个组分调合后，它们的燃烧中间产物可能产生相 互作用并可能改变原来的燃烧反应历程【”。中间产物既可能作为活化剂使预燃反 应加速，也可能作为抑制剂使预燃反应变慢，结果车用汽油的调合辛烷值不再和 其中所含组分的辛烷值成线性关系。在汽油调合中，各调合组分间存在着调合效 应，一般用调合辛烷值表示。调合辛烷值r b 是基础调合组分的辛烷值及调合组 分调入量的函数，可以用下式表示：r b = f ( a i ，x i ) ( 1 1 ) 式中r h 一调合辛烷值： a i 一调合组分的辛烷值； x 一调合组分的调入量，。 调合组分的辛烷值大于净组分的辛烷值时为正调合效应，反之，为负调合 效应。这种在燃烧过程中相互作用的效应，般和其敏感性( r o n - - m o n ) 有 关，烷烃和环烷烃的敏感性基本上为零，在调合时没有明显的相互作用，基本上 是线性调合，而烯烃和芳烃则相反，表现为非线性调合。因而直馏汽油、催化裂 化汽油、重整汽油和烷基化汽油，它们之间互相调合的组分改变，它们的调合辛 烷值亦随之改变，即调合效应随之改变。 由于车用汽油标准不断升级换代，使炼油厂为满足新的规格付出高昂的代 价，因此通过油品调合的手段，在满足车用汽油指标的条件下，最大限度地将各 种汽油组分按一定配方进行调合，生产出成本最低、质量合格的高品质汽油，成 为各炼油企业持续改进的重要工作。 现代的汽油调合过程不仅调合组分增多( 通常含多种油品：直馏汽油、催化 裂化汽油、重整汽油、m t b e 、烷基化油、乙醇和些汽油添加剂等) ，而且调 合手段的发展趋势是实现计算机控制下的高效率管道调合1 6 1 。将调合组分的有关 数据如产量或储存量、价格和物理性质等起存入计算机内，根据市场需要的汽 油品质和数量，进行计算机控制下的自动调合【7 1 1 8 1 9 1 。汽油调合过程和其它炼油 化工过程一样，希望其设计和操作都处于最优，以取得最大的经济效益。 第一章文献综述 1 3 汽油调合过程模拟的意义 目前我国每年车用汽油的产量虽然已经超过3 2 m t ，但是随着我国汽车工业 的快速发展，汽油的供需矛盾开始逐渐暴露在世人面前。2 0 0 3 年，我国先后在 珠江三角洲、长江三角洲及京津地区出现了油荒，第一次向我们敲响了警钟，中 国不但成为一个石油净进口国，而且即使每年国家进口大量石油，各炼油厂开工 率很高的情况下，还是出现了油品供不应求的局面。当然出现一时的油荒有多方 面的原因，但仍然促使国内炼油厂开展新一轮的扩能，中国石油、中国石化的炼 油基地开始扩建，兰州、大连、茂名、镇海已经达到千万吨炼厂规模。 2 0 0 3 年1 月1 目我国车用无铅汽油新标准g b l 7 9 3 0 1 9 9 9 在全国范围内执行， 新标准巾烯烃含量不大于3 5 的新要求产生了辛烷值和烯烃含量之间的矛盾。我 国车用汽油调合组分中催化裂化汽油占8 5 ，催化重整组分少，烷基化汽油组分 更少，催化裂化汽油中烯烃含量较高，特别是重油催化裂化装置，汽油中烯烃含 量甚至高达6 0 。许多炼厂应用降烯烃催化剂，可以使催化裂化汽油中烯烃含量 降到4 0 【1 ，但降烯烃的同时也使汽油辛烷值降低，所以要解决辛烷值和烯烃 含量之间的矛盾，成为目前许多炼油厂的首要任务。通过汽油调合，可以合理利 用有限的汽油组分，为企业创造更大的经济效益。许多企业在规划、排产、离线 调优、在线调合监测等工作过程中，都充分利用汽油调合的先进技术【1 ” 1 2 1 。 1 4 汽油调合过程模拟的发展与现状 汽油调合是一种典型的非线性过程，参加调合的各原料汽油之间存在复杂的 调合作用。这使得对成品汽油辛烷值的预测变得十分困难，但也使得我们能够利 用油品问的调合作用，提高汽油质量，降低调合成本。 1 4 1 汽油调合过程的辛烷值预测模型 早在上世纪5 0 年代，美国的儿家石油公司就对汽油的调合过程给予足够的 重视，一种能准确预测多组分汽油辛烷值的物化模型的研究就更显重要，至今该 项研究仍方兴未艾。1 9 5 5 年s e h o e n 和m r s t i k ”】提出了二组分图解方法，将汽油 调合看成一系列的二元调合过程，并按它们的辛烷值比和烯烃的体积含量确定调 合辛烷值的修正值。s t e w a r d ”1 于1 9 5 9 年发展了这种方法，开发了多组分调合 模型。s t e w a r d 的方法同样需要辛烷值比例和烯烃含量。1 9 5 5 年n e l s o nl 1 5 】提出了 线性组合模型。1 9 5 8 年s c o t t 等人【16 】在总结烃类辛烷值数据规律基础上获得了非 线性模型，b r o w n 等人 17 】在1 9 6 2 年对此进行了修正。 1 9 5 9 年，e t h y l 公司的h e a l y 等人1 18 】开发出的双关联方法，是一个估算多元 第一章文献综述 汽油辛烷值方程。e t h y l 公司给出了两套调合方程的两组系数，一套包含1 3 5 种 调合，另外一套包含7 5 种调合【坤】。该方程除了计算复杂外，还要求预先知道各 调合组分的研究法和马达法辛烷值以及芳烃和烯烃的组成数据，但是双关联方法 占据了很长的统治地位。 1 9 7 5 年，d u p o n t 公司的m o r r i s 等人 2 0 1 开发了非线性交互系数调合模型。 1 9 8 1 年，r u s i n 等人【2 1 】提出了一种复杂的变换方法来预测调合辛烷值，这种 方法需要各调合组分的辛烷值、调合比例和各组分的烷烃、烯烃、芳烃的组成。 1 9 9 3 年，z a h e d 等人【”疑出了一种五个独立变量的模型来预测辛烷值。 1 9 9 6 年，c h t w u 和j e c o o n 2 3 提出一种改进的基于作用系数的校正方法 来预测研究法( r o n ) 和马达法( m o n ) 辛烷值。 国内也有些科研机构致力于汽油调合的研究，彭朴和陆婉珍 “】在1 9 8 2 年探 讨了辛烷值与烃族组成之间的关系。利用汽油r o n 与m o n 的数据线性回归后 得到估算r o n 的方程，并由此推算出汽油的实际抗爆性。这种关系适用性较好， 但作为汽油的最优调合尚认为精度不够。 1 9 8 4 年，沈杉松等【2 5 】研究了m t b e 对汽油辛烷值的影响，为我国早期应用 m t b e 提供了技术指导。 1 9 8 7 年，张星 2 6 1 通过对汽油辛烷值调合特性的研究，提出了调合汽油辛烷 值预测公式，在此基础上提出了用线性规划法优化汽油调合的数学模型。吴钦佩 的汽油调合比的快速计算法 2 ”，虽然有简单、快速的优点。该方法是在汽油调合 试验的基础卜建立的，当组分辛烷值变化时，要及时修正方程的系数，所以难以 实现调合过程持续在最优状况下操作。 1 9 9 7 年，陈新志提出了基于局部组成概念的辛烷值模型f 2 ”。为了处理上的 方便，将各种汽油调合组分视为虚拟的纯组分( 实际上是复杂的混合物) ，采用 可变误差的多面体法求解具有约束过程的多元函数的极小值。该项模型能较好地 关联二元调合汽油的辛烷值，并能由二元数据推算多元数据。 1 9 9 9 年，陈捷等提出了汽油调合神经网络模型 29 1 ，并且建立了广义调合对 象的非线性动态模型，设计了神经内模优化控制器。从仿真的结果看，神经网络 模型具有收敛速度快、所需样本少等特点。 1 42 汽油调合过程优化方法 在我国，油品调合使用的优化方法主要是线性规划法( l p 法) ，佟德顺等在 1 9 8 2 年用线性规划方法研究汽油渊合问题i ”】。以最大利润为目标函数求解产品 结构和组分配比问题，指导调合生产作j 眦 随着线性规划技术在炼油化工领域应用的不断深入，非线性问题开始逐渐显 第一章文献综述 示其重要地位，特别是在油品调合过程中，许多油品调合性质都是非线性的，如 汽油的辛烷值，柴油的凝点等。在r i p p 生产计划优化软件中应用了非线性方法 和分步递归法【3 “。 1 9 9 4 年，任军等利用美国某公司商用目标规划软件计算了某炼油厂的汽油 生产计划1 3 2 】。由于目标规划中划分目标优先级并有权系数大小，故炼油厂可根据 自身生产能力和市场需求等条件，通过调整目标优先级和权系数，求出不同的调 合方案以适用于大规模、多品种的复杂油品的优化调合。 1 9 9 7 年，刘先涛运用s t e m ( s t e pm e t h o d ) 方法进一步讨论汽油产品调合 中存在的问题【”】。与目标规划法一样，s t e m 方法也适用于无限个方案的情况， 但它又与目标规划方法不同。首先，s t e m 方法的决策准则是属于满意类的。在 决策过程中，决策者逐步宣布他的偏好系统。通过对话形式，分析人员把分析结 果告诉决策者，并征求其意见。如果决策者对所选的方案不满意，则按决策者的 意见修改和重新计算。然后再征求意见，再修改。如此往复进行，直到决策者满 意为止。其次，在s t e m 方法的决策准则中，各目标之间没有字典式的优先关 系，一个目标的损失可以用其它目标上适量的收获得到补偿。 1 9 9 9 年，陈捷等基于该神经网络模型建立的内模优化控制器 ”i ，具有良好 的控制品质，实现了对汽油调合过程的闭环实时优化控制，为工业过程控制提出 了一种先进控制方法。 1 5 本文的研究内容 本文以中国石油锦州石化分公司汽油调合实验为基础，对文献提供的汽油调 合辛烷值模型进行修正和应用，崩来预测炼油厂规划方案中汽油调合辛烷值，根 据炼油厂实际情况和新技术的成熟程度，提出炼油厂汽油质量升级规划方案。 1 2 第一章汽油调合模型比较 第二章汽油调合模型比较 2 1 汽油辛烷值调合模型 2 1 1 数学模型建立过程 建立炼油过程的数学模型，是深入分析和掌握生产过程中各因素内在关系 的有力手段，也是正确设计和实施先进控制与优化的依据1 5 】。过程数学模型就是 对研究对象进行抽象，把与过程有关的变量关系，归纳成反映对象性能和机制的 数学方程组，它们通常是一组代数方程、常微分方程和偏微分方程。数学模型不 可能完全反映实际生产过程，在建立数学模型之前，必须先提出一些假设条件， 这样不至于使数学模型过于复杂。复杂的数学模型不但求解困难，而且不一定就 能反映生产过程。 由于分析的角度不同，可将数学模型分为不同的类型。按是否考虑变量与 时间有关，可将数学模型分为稳态和动态两种。稳态模型用于生产装置设计、分 析和离线优化；而动念模型则用于先进控制与在线实时优化。 按过程机理建立的模型为机理模型，反之为“黑箱模型”，也称输入输出模 型。 模型中变量及其导数都是一次的，并且该变量的系数是常数值，该模型称 为线性模型，不满足这些条件的模型称为非线性模型。 汽油调合过程的机理比较复杂，各组分之间存在调合效应，因而难以建立 精确的调合模型，使调合指标满足汽油规格，特别是辛烷值指标预测和计算十分 困难。 2 1 2 汽油调合辛烷值模型 ( 1 ) m o r r i s 改进的交互系数法【2 0 采用如下公式来描述汽油调合过程的非线性关系： r b = x i a ，+ 鼍_ ( 2 一1 ) i = 1 i = 1 j = l 其中r b 调合辛烷值，a i 和x i 分别为调合组分i 的辛烷值和体积分数，b i 则是调 合组分i 和j 之间的调合效应系数。 公式( 2 1 ) 使用了一种简单的校正方法，能有效的修正调合辛烷值。此公式用 第二章汽油凋合模型比较 于描述调合特性有一些不利之处i “】。首先b 完全是一个经验常数它的值决定 于凋合组分i 和j 的特性。调合效应系数b ，i 不仅与调合组分的类型有关，还与它 们的辛烷值范围和辛烷值的差有关。b 。的值的变化范围很大，还必需按调合组分 含量变化而变化。由公式( 2 1 ) 得到的参数适应范围窄，难以推广到一般化情况。 第二个缺点是，当有新的调合组分加入时，为描述新组分与现有调合组分之 间的调合作用必需要增加新的调合系数，因此需要做附加的实验来确定这些参 数。对于有n 种调合组分的调合系统，共有n ( n 一1 ) 2 个作用参数。假如有3 种新 的调合组分加入到已有6 种调合组分的调合系统，作用系数的数量将从1 5 个增 加到3 6 个。这意味着至少要做2 1 次试验来确定这些参数，这些试验的工作量和 试验费用是相当大的。 ( 2 ) z a h e d 多变量经验方程 r 6 = a o + a i ( e r ( 2 - 2 ) 担1 其中r b 为研究法调合辛烷值，v 。、r j 为组分i 的体积分数和研究法辛烷值， 舢、a 。、n 为经验回归系数，n 为组分数。这种模型的变量可以通过回归得到， 因而能很好的用于重复调合的情况下，但其他情况使用还是很困难。从这个模型 获得的结果只能用于工况类似的情况，用它来预测其它条件下的调合是不现实 的。 ( 3 ) t w u c o o n 方法1 2 3 1 r = x i x j a 口 ( 2 3 ) i = 1 j = l a i j = ( a i + a j ) ( 1 一k u ) + ( 1 【f j h i ) x i 2 2 ( 2 4 ) 其中，r b 为调合辛烷值，x i 与x j 分别为i 、j 组分的体积分数，a i 和a j 分别为 调合组分i 、j 的辛烷值，k i j 为i 、j 组分的作用系数。调整的k i j 值可以方便的改 变组分i 、组分j 间的调合作用的形式： k i = k i = 0 ，组分i 与组分j 之间表现为线性调合； l 【i 0 ，组分i 与组分j 为负调合作用； 直接用试验法求取k i ，会遇到与m o r r i s 方法同样的困难，只适合调合组分种 类和数量不变的情况。可以用调合组分的辛烷值和其中烯烃、芳烃、饱和烃的体 积含量来间接计算k 。的值，并最终将调合作用归结为这三种烃类之间的作用。 预测调合汽油的辛烷值是使用对称的二元调合系数( k i f _ k i j ) 还是用非对称 的( k i k j i ) 需要根据实际情况和经验来确定。对于某些调合过程，为精确描述