調(diào)合汽油恩式蒸餾數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型

張玉瑞，陳微微，杜 銘，周曉龍

(華東理工大學(xué)石油加工研究所，上海 200237)

調(diào)合汽油恩式蒸餾數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型

張玉瑞，陳微微，杜 銘，周曉龍

(華東理工大學(xué)石油加工研究所，上海 200237)

通過(guò)對(duì)某煉油廠的單一油品和調(diào)合油品進(jìn)行蒸餾試驗(yàn)，利用文獻(xiàn)報(bào)道的單一油品餾程模型和體積線性加和的方法預(yù)測(cè)多種油品調(diào)合汽油的恩式蒸餾數(shù)據(jù)；利用LM方法求解上述單一油品模型的參數(shù)，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析；利用黃金分割法求解調(diào)合油品的恩式蒸餾數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比調(diào)合后油品的模型數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證模型的可預(yù)測(cè)性。結(jié)果表明，模型具有較好的擬合程度，參數(shù)具有較高的可信度；恩式蒸餾試驗(yàn)餾程模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的差值基本在±3 ℃區(qū)間內(nèi)。因此，可以認(rèn)為利用該方法預(yù)測(cè)調(diào)合油品的蒸餾數(shù)據(jù)具有可行性。

汽油調(diào)合 餾程模型 LM 黃金分割

汽油調(diào)合是煉油廠汽油生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)，也是最重要、利潤(rùn)最大化的關(guān)鍵步驟[1-2]。汽油調(diào)合過(guò)程正在從傳統(tǒng)的手動(dòng)罐裝調(diào)合向自動(dòng)在線調(diào)合過(guò)渡，汽油調(diào)合自動(dòng)控制過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需要借助準(zhǔn)確的品質(zhì)預(yù)測(cè)模型。成品汽油有不同的品質(zhì)要求，包括辛烷值、蒸氣壓、餾程等。辛烷值預(yù)測(cè)模型方面有許多研究成果，而調(diào)合汽油的恩氏蒸餾模型相關(guān)的研究鮮有報(bào)道。石油餾分恩氏蒸餾曲線是石油加工工藝計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)，石油餾分的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線和平衡汽化曲線也可以通過(guò)其恩氏蒸餾曲線換算而來(lái)[3-5]。Dhulesia[6]提出了催化裂化餾分油恩氏蒸餾曲線的數(shù)學(xué)模型(內(nèi)插)用于蒸餾操作的自動(dòng)控制，使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。由于上述模型在計(jì)算恩氏蒸餾100%餾出溫度(終餾點(diǎn))時(shí)不能滿足計(jì)算要求，仇汝臣[7]對(duì)上述模型進(jìn)行了修正，得到較好的預(yù)測(cè)效果。羅雄麟[8]從蒸餾曲線的本質(zhì)出發(fā)對(duì)文獻(xiàn)[7]模型進(jìn)行了新的改進(jìn)。文獻(xiàn)[9]中首先計(jì)算恩氏蒸餾(ASTM D86)50%餾出溫度，再計(jì)算相鄰切割點(diǎn)的溫度差，最后計(jì)算其它各點(diǎn)的ASTM D86 溫度。濮云輝[10]利用三次方程回歸全餾程的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)，模型參數(shù)較多。另外，文獻(xiàn)中有借助紅外光譜、拉曼光譜等手段分析成分來(lái)關(guān)聯(lián)餾程數(shù)據(jù)，但成本較高。上述預(yù)測(cè)模型都是對(duì)單一油品進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，主要用于補(bǔ)全油品蒸餾數(shù)據(jù)缺失點(diǎn)或通過(guò)餾程數(shù)據(jù)的前半段預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的后半段。而對(duì)于根據(jù)調(diào)合組分的餾程數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)調(diào)合成品油的餾程鮮有報(bào)道。蔡智[11]報(bào)道了調(diào)合油品在某一溫度下的蒸餾數(shù)據(jù)具有線性加成性。本研究采用LM方法，依據(jù)仇汝臣[7]提出的改進(jìn)模型進(jìn)行參數(shù)求解；采用黃金分割法，依據(jù)線性模型進(jìn)行調(diào)合油品恩式蒸餾試驗(yàn)餾程的預(yù)測(cè)，以上過(guò)程均在Matlab環(huán)境下完成，過(guò)程中不需要借助高成本的分析手段，只通過(guò)恩式蒸餾儀，成本較低。

1 模型建立

1.1 調(diào)合組分模型參數(shù)求解

調(diào)合油品的組分油恩式蒸餾數(shù)據(jù)可以通過(guò)式(1)～式(5)[7]進(jìn)行模型計(jì)算。

V=(1-ez*+V*×ez)×100

(1)

V*=(V-Va)(Vb-Va)

(2)

t*=(t-ta)(tb-ta)

(3)

z*=-(t*α)β

(4)

z=-(1α)β

(5)

式中：V為餾出體積分?jǐn)?shù)，0≤V≤100；下標(biāo)a表示初餾點(diǎn)，b表示終餾點(diǎn)；t為餾出溫度，℃；t*為恩式蒸餾溫度無(wú)因次量；v*為恩式蒸餾體積分?jǐn)?shù)的無(wú)因次量；z*為t*，α，β的函數(shù)；z為α、β的函數(shù)；α、β為模型的參數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用LM方法回歸模型中的參數(shù)，將式(1)轉(zhuǎn)換為式(6)，根據(jù)式(6)計(jì)算某一特定溫度下的蒸餾體積分?jǐn)?shù)。

V=100×(1-ez*)(1-ez)

(6)

1.2 調(diào)合油品的蒸餾數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

根據(jù)蔡智的報(bào)道[11]，調(diào)合油品在某一溫度下的蒸餾數(shù)據(jù)具有加和性，以包含3個(gè)調(diào)合組分的成品油為例可用式(7)表示：

X1×V1+X2×V2+X3×V3=V

(7)

式中：X1，X2，X3為調(diào)合組分的體積比率，V1，V2，V3為t溫度下的恩式蒸餾餾出體積分?jǐn)?shù)，V為目標(biāo)體積分?jǐn)?shù)。

如果式(7)成立，則目標(biāo)體積分?jǐn)?shù)V的餾出溫度為t。根據(jù)此理論利用黃金分割法不斷調(diào)整溫度t，使式(7)成立，從而求解特定餾出體積分?jǐn)?shù)下的溫度。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用原料油有S Zorb汽油、熱裂解油、重整油、抽余油，均取自某煉油廠。

實(shí)驗(yàn)方案：①對(duì)上述4種組分油進(jìn)行恩式蒸餾試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取模型中的參數(shù)α、β，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析；②對(duì)4種組分油之間進(jìn)行不同比例的調(diào)配，測(cè)試調(diào)合油品的恩式蒸餾數(shù)據(jù)；③根據(jù)式(6)和式(7)利用黃金分割法計(jì)算組分油調(diào)配后油品的恩式蒸餾餾程數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

石油產(chǎn)品蒸餾試驗(yàn)儀，SYD-6536，上海地質(zhì)儀器廠制造；蒸餾燒瓶、溫度計(jì)、125 mL專用蒸餾燒瓶，上海浦航石油儀器技術(shù)研究院產(chǎn)品。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型驗(yàn)證

3.1 模型參數(shù)求解

根據(jù)式(1)～式(5)，按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸求解模型參數(shù)，4種組分油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值(簡(jiǎn)稱模型值)對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看出，4種組分油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值的差值基本在±3 ℃內(nèi)，且偏差較大的點(diǎn)不在關(guān)鍵點(diǎn)處，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的相關(guān)性分析驗(yàn)證模型的擬合程度。

S Zorb汽油、熱裂解油、重整油、抽余油恩式蒸餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的模型參數(shù)[α、β]分別為[2，0.95]，[2，0.84]，[0.627 3，3.748 1]，[0.35，1.96]；對(duì)各參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，模型的殘差平方和R2分別為0.996，0.991，0.993，0.920。通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，表明各個(gè)回歸參數(shù)具有可信度，模型的擬合程度較好，此模型可以滿足組分油的預(yù)測(cè)要求。

表1 4種組分油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比

3.2 模型的預(yù)測(cè)

通過(guò)模型參數(shù)回歸求得油品對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)，通過(guò)比較組分油調(diào)配后的油品恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值和模型值可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。對(duì)4種組分油進(jìn)行了二元、三元、四元調(diào)配來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

進(jìn)行組分油二元調(diào)配，對(duì)4種組分油進(jìn)行調(diào)合，調(diào)合配方分別為V(S Zorb汽油)∶V(重整油)=1∶1；V(S Zorb汽油)∶V(熱裂解油)=1∶1；V(S Zorb汽油)∶V(抽余油)=7∶3；V(重整油)∶V(熱裂解油)=1∶1，編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。二元調(diào)合油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出：①模型對(duì)于初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)沒(méi)有預(yù)測(cè)能力，可以根據(jù)組分油的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單估計(jì)；②除個(gè)別點(diǎn)外，大部分實(shí)驗(yàn)值與模型值的差值在±3 ℃內(nèi)，說(shuō)明利用此方法預(yù)測(cè)二元調(diào)合油的恩式蒸餾數(shù)據(jù)具有可行性。

表2 二元調(diào)合油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比

進(jìn)行組分油三元調(diào)配，對(duì)4種組分油進(jìn)行調(diào)合，調(diào)合配方分別為V(S Zorb汽油)∶V(重整油)∶V(熱裂解油)=4∶3∶3；V(S Zorb汽油)∶V(重整油)∶V(熱裂解油)=5∶2∶3；V(S Zorb汽油)∶V(熱裂解油)∶V(抽余油)=4∶4∶2；V(熱裂解油)∶V(重整油)∶V(抽余油)=4∶4∶2，編號(hào)分別為5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)。三元調(diào)合油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比見(jiàn)表3。從表3可以看出，除個(gè)別點(diǎn)外，大部分實(shí)驗(yàn)值與模型值的差值在±3 ℃內(nèi)，說(shuō)明利用此方法預(yù)測(cè)三元調(diào)合油的恩式蒸餾數(shù)據(jù)具有可行性。

表3 三元調(diào)合油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比

進(jìn)行組分油四元調(diào)配，對(duì)4種組分油進(jìn)行調(diào)合，調(diào)合配方分別為V(S Zorb汽油)∶V(重整油)∶V(熱裂解油)∶V(抽余油)=3∶3∶3∶1；V(S Zorb汽油)∶V(重整油)∶V(熱裂解油)∶V(抽余油)=4∶2∶3∶1，編號(hào)分別為9號(hào)、10號(hào)。四元調(diào)合油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比見(jiàn)表4。從表4可以看出，除10%餾出溫度的實(shí)驗(yàn)值與模型值相差較大外，大部分實(shí)驗(yàn)值與模型值的差值在±3 ℃內(nèi)，說(shuō)明利用此方法預(yù)測(cè)四元調(diào)合油的恩式蒸餾數(shù)據(jù)具有可行性。

表4 四元調(diào)合油恩式蒸餾試驗(yàn)餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值對(duì)比

對(duì)比調(diào)合油品的實(shí)驗(yàn)值和模型值可以看出，采用此模型可以較準(zhǔn)確地計(jì)算汽油調(diào)合油的餾程，然而此模型不具備計(jì)算初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)的能力。初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)所使用的調(diào)合組分的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單估算。初餾點(diǎn)的溫度與所使用的最低初餾點(diǎn)的組分油有關(guān)，終餾點(diǎn)的溫度與最高終餾點(diǎn)的組分油有關(guān)。例如：重整油的終餾點(diǎn)在4種組分油中最高，達(dá)到219.1 ℃。在上述使用重整油的調(diào)合油品中，終餾點(diǎn)基本都在200～205 ℃之間，因?yàn)槊拷M調(diào)合油的回收率不同，所以終餾點(diǎn)有差異，但都在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。初餾點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)合組分初餾點(diǎn)進(jìn)行估算，組分的初餾點(diǎn)相差越小，彼此相互影響較小。例如：S Zorb汽油和熱裂解油進(jìn)行調(diào)合，S Zorb汽油初餾點(diǎn)為33.2 ℃，熱裂解油的初餾點(diǎn)為33.5 ℃，相差較小，調(diào)合后調(diào)合油的初餾點(diǎn)為34.5 ℃；重整油的初餾點(diǎn)為43.7 ℃，S Zorb汽油和重整油初餾點(diǎn)相差較大，調(diào)合后調(diào)合油的初餾點(diǎn)為37.7 ℃；抽余油的初餾點(diǎn)為58.5 ℃，S Zorb汽油與抽余油調(diào)合后調(diào)合油的初餾點(diǎn)為40.7 ℃，對(duì)于三元、四元調(diào)合具有相似的規(guī)律。因此，可以通過(guò)調(diào)合組分的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)簡(jiǎn)單估算調(diào)合油的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)單一油品、二元、三元、四元油品調(diào)合油進(jìn)行恩式蒸餾試驗(yàn)，除個(gè)別點(diǎn)外，大部分餾程實(shí)驗(yàn)值與模型值的差值在±3 ℃內(nèi)，說(shuō)明利用此方法預(yù)測(cè)單一油品、兩元油品調(diào)合油、三元油品調(diào)合油以及四元油品調(diào)合油的恩式蒸餾數(shù)據(jù)具有可行性。

(2) 汽油調(diào)合初餾點(diǎn)與終餾點(diǎn)的預(yù)測(cè)非常困難，此模型雖不能預(yù)測(cè)調(diào)合油品蒸餾的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)，但可以通過(guò)調(diào)合組分的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)以及調(diào)合比例簡(jiǎn)單估算最終調(diào)合油品的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)，滿足工程上汽油調(diào)合餾程計(jì)算的要求。

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PREDICTION MODEL FOR ENGLER DISTILLATION DATA OF BLENDED GASOLINE

Zhang Yurui， Chen Weiwei， Du Ming， Zhou Xiaolong

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237)

The Engler distillation data (ASTM distillation) of single gasoline in some refinery were used to predict the ASTM distillation results of blended gasoline by single gasoline distillation model and components linear model. The parameters of the single gasoline model were solved by LM method and their correlations were analyzed. The ASTM distillation data of the blended gasoline were obtained by using golden section method and compared with the experimental data to verify the reliability of the predictive method. Most of the data errors are within ±3 ℃， indicating the feasibility of this method for prediction of ASTM distillation of blended gasoline.

gasoline blending； distillation model； LM； golden section

2015-11-12； 修改稿收到日期： 2016-03-01。

張玉瑞，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠驼{(diào)合模型的建立。

周曉龍，E-mail：xiaolong@ecust.edu.cn。