烷基化裝置原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

唐未慶

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271)

烷基化過程為化學(xué)反應(yīng)過程，其原料的有效組分是各種C4液化氣中所含的異丁烷和C4烯烴,這些液化氣是上游裝置的副產(chǎn)品，不同來源的液化氣性質(zhì)差異非常大，同渠道不同時(shí)間段原料的性質(zhì)也常出現(xiàn)較大差異。烷基化負(fù)荷及其原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，涉及參數(shù)包括各種C4原料可供資源量、各原料的成本(或可比價(jià)格)、各原料的性質(zhì)(包括異丁烷及C4烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)等)、裝置進(jìn)料烷烯比、產(chǎn)品價(jià)格、烷基化油產(chǎn)量/需求量(包括自用及出廠)、燃動(dòng)能耗消耗等各種參數(shù)。因參數(shù)眾多，在用Excel電子表格等傳統(tǒng)方法進(jìn)行測算時(shí)，只能先進(jìn)行有限個(gè)不同原料組合方案的計(jì)算，然后比較并找出這些方案中原料烷烯比“接近”控制值、效益也相對較大的方案。用Excel計(jì)算烷基化原料結(jié)構(gòu)，不僅計(jì)算工作量大，誤差也大。PIMS(即Process Industry Modeling System，流程工業(yè)模型系統(tǒng))常用于煉化一體化企業(yè)的整體優(yōu)化，國內(nèi)外已大量使用。由于編制PIMS模型及運(yùn)用模型專業(yè)性較強(qiáng)，導(dǎo)致PIMS模型應(yīng)用受到限制。在此結(jié)合某企業(yè)烷基化裝置原料優(yōu)化工作需要，編制烷基化裝置專用PIMS優(yōu)化模型，可對烷基化負(fù)荷及原料結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

1 烷基化裝置及原料基本情況

1.1 烷基化裝置情況

某企業(yè)烷基化裝置的設(shè)計(jì)能力為300 kt/a烷基化油，烷基化裝置包括原料分離精制、烷基化及酸處理等生產(chǎn)單元。其中原料精制單元通過選擇性加氫及精餾，對其中的有害雜質(zhì)進(jìn)行加氫精制并分離出部分輕組分；烷基化單元?jiǎng)t采用杜邦STRATCO硫酸法烷基化技術(shù)，使原料中的異丁烷與正丁烯、順/反丁烯、異丁烯等C4烯烴發(fā)生烷基化反應(yīng)，生成以C8烷烴為主要組分的烷基化油。原料中所含的C2/C3、正丁烷等無效反應(yīng)組分,最終以燃料氣、飽和液化氣等形式排出烷基化裝置。

1.2 烷基化反應(yīng)對原料性質(zhì)的要求

有效組分即原料中的異丁烷和C4烯烴組分，通過烷基化反應(yīng)生產(chǎn)烷基化油。有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，對烷基化油(主產(chǎn)品)收率貢獻(xiàn)也越高，反之越低。

烷烯比即異丁烷與C4烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值，也是原料性質(zhì)的重要指標(biāo)。裝置進(jìn)料中的異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，即烷烯比提高，有利于提高烷基化油的辛烷值。烷基化反應(yīng)理論烷烯比1.0[1]?；谠撈髽I(yè)烷基化裝置的特點(diǎn)及原料品種多等情況，原料之間組合配比操作難度大，裝置實(shí)際生產(chǎn)需要的烷烯比為1.2～1.3,一般按1.26進(jìn)行測算。原料烷烯比超過1∶1時(shí),多余的異丁烷隨正丁烷進(jìn)入飽和液化氣。烷基化裝置烷烯比需求不同，原料結(jié)構(gòu)不同。

1.3 主要原料性質(zhì)

該企業(yè)自產(chǎn)的C4原料包括1#氣分C4(初始來源于催化裝置)、2#氣分C4(初始來源于焦化裝置)，但自產(chǎn)C4的性質(zhì)和數(shù)量均不能滿足烷基化裝置生產(chǎn)需要，需要外購C4原料作為補(bǔ)充。外購C4原料包括CZ C4、YS C4、ZS C4及外購異丁烷等。各種外購C4原料性質(zhì)差異非常大，詳見表1。表1中C4原料組成初始數(shù)據(jù)為體積分?jǐn)?shù)，已經(jīng)按優(yōu)化計(jì)算工作需要折算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 測算采用的各種C4原料基礎(chǔ)性質(zhì)

(1)有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序。有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與烷基化油收率、原料邊際貢獻(xiàn)相對大小直接相關(guān)。上述各原料的有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低順序是：1#氣分C4≈外購異丁烷>YS C4>CZ C4>ZS C4>2#氣分C4。由于各原料性質(zhì)是不斷變化的(個(gè)別原料性質(zhì)變化還較大)，實(shí)際工作中需要根據(jù)屆時(shí)原料性質(zhì)報(bào)告及時(shí)更新計(jì)算用的性質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及烷烯比。由表1可見，各種烷基化原料的烷烯比相差很大，按大小排序順序是：外購異丁烷>CZ C4≈1#氣分C4>YS C4≈2#氣分C4>ZS C4。由于各種原料性質(zhì)的變化，這個(gè)順序是不固定的。表1中兩種特殊原料是ZS C4和外購異丁烷，ZS C4烷烯比一般只有0.17左右(異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、C4烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高)；外購異丁烷原料的異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%～90%，烷烯比很高。這兩種外購原料性質(zhì)偏離裝置需求較大。

當(dāng)然不同的原料性質(zhì)不同，技術(shù)上都需要其他原料來調(diào)合配比；另外，不同的原料價(jià)格/進(jìn)廠成本也不相同，對裝置經(jīng)濟(jì)效益貢獻(xiàn)也不同。優(yōu)化工作既要考慮技術(shù)因素也要考慮經(jīng)濟(jì)因素，只有“統(tǒng)籌考慮、綜合測算”，才能達(dá)到裝置效益最大化的目的，這也正是編制PIMS模型用于烷基化原料優(yōu)化的目的。

2 PIMS模型的編制及運(yùn)行

2.1 烷基化PIMS模型結(jié)構(gòu)

PIMS模型可將企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各種參數(shù)集成測算。文章中的PIMS模型同樣包括原料買表(Buy)、產(chǎn)品賣表(Sell)、裝置表(Submodels)及其他附表。PIMS模型將所有參數(shù)集合在一起，利用線性規(guī)劃理論進(jìn)行測算。

將各種C4原料可供資原料量上下限、各種原料成本(或可比價(jià)格)，編入買表(buy表)；將裝置所產(chǎn)產(chǎn)品(烷基化油、飽和液化氣及燃料氣)銷售價(jià)格、產(chǎn)品尤其是烷基化油產(chǎn)品需求量上下限值(包括自用及出廠)，編入賣表(sell表)；將各種C4原料的異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、C4烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)、正丁烷及其他非有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按裝置進(jìn)料烷烯比，以及不同原料的燃動(dòng)能耗等各種參數(shù)編入Submodels模型，分單元建模。由于部分原料不同時(shí)期的原料性質(zhì)變化都較大，對部分原料按其烷烯比高、中、低等不同情況分別編入PIMS模型?？傔M(jìn)料烷烯比1.26控制，可以根據(jù)需要修改本指標(biāo)。

對于各測算常用變量，包括原料資源、市場價(jià)格、烷基化油產(chǎn)量/需求量等編入Case表進(jìn)行測算[2]。

2.2 PIMS模型測算基礎(chǔ)條件

原料成本已扣除增值稅，包括運(yùn)輸費(fèi)、裝卸費(fèi)等，其中自產(chǎn)1#氣分C4、2#氣分C4等有成本優(yōu)勢，是優(yōu)先使用的資源，詳見表2。

表2 各種C4原料資源量及其成本

另外，烷基化油的需求包括企業(yè)調(diào)合汽油自用、定點(diǎn)外售等兩種途徑。烷基化油產(chǎn)量是關(guān)鍵參數(shù)，也是決定C4原料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一。烷基化產(chǎn)品價(jià)格如表3所示。

表3 產(chǎn)品產(chǎn)量范圍及產(chǎn)品價(jià)格

表3中產(chǎn)品產(chǎn)量與需求直接相關(guān)，烷基化油產(chǎn)量下限14 614 t、上限26 571 t，表示烷基化油最低產(chǎn)量需求是14 614 t(包括企業(yè)汽油調(diào)合使用和外售需求量)，產(chǎn)量上限26 571 t表示超過此量再多產(chǎn)的烷基化油無去向(無需求)，這些都是每次測算的變量(測算以月為單位)。

3 PIMS模型分析結(jié)果

3.1 原料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

按6種原料考慮，包括自產(chǎn)1#氣分C4、2#氣分C4、CZ C4、YS C4、ZS C4及外購異丁烷等，利用PIMS模型對不同烷基化油產(chǎn)量(裝置負(fù)荷率)下的原料結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 不同負(fù)荷率時(shí)原料及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

通過PIMS模型運(yùn)行及對計(jì)算結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)不同裝置負(fù)荷率即烷基化油不同產(chǎn)量時(shí)，原料結(jié)構(gòu)不同。分析認(rèn)為這是由于裝置負(fù)荷提高時(shí)，必須要通過兩種或兩種以上原料“配比”，才能滿足裝置進(jìn)料“烷烯比”要求。

(2)自產(chǎn)原料是首選，應(yīng)根據(jù)需要外購原料。自產(chǎn)原料有價(jià)格優(yōu)勢，且1#氣分C4還是有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的原料，因此自產(chǎn)原料是優(yōu)先使用的原料。因自產(chǎn)原料量不足，需外購原料作為必要補(bǔ)充。

(3)外購異丁烷和ZS C4性質(zhì)特殊，影響大。其中外購異丁烷原料的異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%～90%，烷烯比一般在100～300；而ZS C4原料烷烯比只有0.17左右。這兩種原料的“烷烯比”與裝置生產(chǎn)需要的“烷烯比”差距較大，要重點(diǎn)關(guān)注。對于ZS C4原料，只有在烷基化油產(chǎn)量即需求量大、需要烷基化裝置高負(fù)荷運(yùn)行(如超過65%負(fù)荷率)時(shí)，才需要采購ZS C4。

(4)隨著裝置負(fù)荷率提升，裝置效益并沒有同步提升。這表示在此種價(jià)格條件下，用外購原料生產(chǎn)烷基化油沒有邊際貢獻(xiàn)。如表4中70%負(fù)荷運(yùn)行相對65%負(fù)荷運(yùn)行，增加的原料是外購ZS C4，這是與外購異丁烷料進(jìn)行配比的，這種配比受價(jià)格影響無經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 部分C4原料與異丁烷配比

烷基化原料結(jié)構(gòu)最重要影響因素是原料的烷烯比，它與各原料數(shù)量配比直接相關(guān)。在滿足進(jìn)料烷烯比1.26情況下，按表1原料性質(zhì)，幾種C4原料與外購異丁烷的配比結(jié)果見表5。

表5 部分C4原料與外購異丁烷數(shù)量配比

在表1原料性質(zhì)前提下，各種C4原料需要匹配的外購異丁烷量是不一樣的。其中2#氣分C4每1 000 t原料只需匹配52 t外購異丁烷，而ZS C4每1 000 t原料需要匹配的外購異丁烷量卻高達(dá)682 t。

1#氣分C4與2#氣分C4的烷烯比差異較大，有效組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異也較大，但需要匹配的外購異丁烷量接近。分析認(rèn)為，不同原料對匹配外購異丁烷配比需求量，與其單位原料中富裕C4烯烴量直接有關(guān)，而不是與其烷烯比直接相關(guān)。

3.3 原料性質(zhì)變化對原料配比的影響

由于上游裝置各種各樣的原因，導(dǎo)致各C4料性質(zhì)是變化的，也直接影響了烷基化裝置原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化。YS C4原料性質(zhì)變化如表6所示，其他C4原料性質(zhì)變化也或大或小。

表6 YS C4原料的性質(zhì)變化

YS C4在不同時(shí)間段原料烷烯比的變化，造成其與外購異丁烷的數(shù)量配比也相應(yīng)變化，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 YS C4烷烯比變化時(shí)原料配比及產(chǎn)出

其中高烷烯比即該原料烷烯比1.31工況時(shí)，其烷烯比已經(jīng)超過裝置需求的1.26，此時(shí)不再需要外購異丁烷進(jìn)行配比，甚至該原料還可以貢獻(xiàn)異丁烷給其他原料。

4 結(jié)論

(1)烷基化裝置原料優(yōu)化涉及到的參數(shù)眾多，計(jì)算過程復(fù)雜，與傳統(tǒng)Excel計(jì)算方式相比，編制的PIMS專用模型用于烷基化裝置優(yōu)化是值得和可行的，避免了傳統(tǒng)方法試算準(zhǔn)確性差的問題，提高了工作效率，有助于提高烷基化裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)烷基化裝置原料優(yōu)化涉及的參數(shù)變化相對較大。實(shí)際工作中需要及時(shí)根據(jù)原料性質(zhì)、原料資源、市場價(jià)格、烷基化油需求量及其價(jià)格等因素，及時(shí)更新參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化測算。具體優(yōu)化結(jié)果與測算條件直接相關(guān)，特定條件下的計(jì)算結(jié)果僅做參考。

(3)原料烷烯比低、異丁烷資源不足等因素是制約提高裝置負(fù)荷率的關(guān)鍵。建議采取包括提高自產(chǎn)C4原料烷烯比、多采購高異丁烷含量原料、裝置操作精細(xì)化等在內(nèi)的各種措施，提高裝置負(fù)荷率和經(jīng)濟(jì)效益。