多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法在催化裂化裝置中的應(yīng)用

陳開(kāi)彬

（廣東華鑒安全評(píng)價(jià)有限公司）

催化裂化在石油煉制中是重要的二次石油加工過(guò)程， 主要是將石油中的重質(zhì)油裂解成汽油、柴油等輕質(zhì)油，同時(shí)副產(chǎn)品為焦炭、油漿和干氣［1，2］。隨著石油重質(zhì)化程度的加重和劣質(zhì)化程度的加深，出現(xiàn)了許多催化裂化新工藝，由于丙烯的需求量也在不斷增加，對(duì)生產(chǎn)丙烯的催化裂化裝置的研究也越來(lái)越深入［3］。

目前，國(guó)內(nèi)有很多技術(shù)人員對(duì)催化裂化裝置的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究，也取得了一些優(yōu)質(zhì)的效果， 但是大多數(shù)都只是對(duì)局部進(jìn)行了改造，優(yōu)化的也只是單參數(shù)，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化［4］。 因此，筆者針對(duì)原有的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種催化裂化裝置的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，主要將從催化裝置中主分餾塔的塔頂聚集來(lái)的富氣和劣質(zhì)的粗汽油分離成液化氣、干氣和相對(duì)比較穩(wěn)定的汽油，從而實(shí)現(xiàn)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。

1 催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1 催化裂化裝置參數(shù)的選取

催化裂化反應(yīng)屬于一種非擴(kuò)散控制型的化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中，催化裂化的速度主要取決于吸附的速度和反應(yīng)的速度，除此之外影響催化裂化反應(yīng)的因素還有催化裂化裝置結(jié)構(gòu)、催化裂化的反應(yīng)時(shí)間、壓力、溫度以及原料的性質(zhì)和催化劑的性質(zhì)等，其中原料的性質(zhì)、催化裂化裝置結(jié)構(gòu)及催化裂化的壓力等是不可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整的操作條件，因此，要選取對(duì)催化裂化有明顯影響且還可以調(diào)整的催化裂化裝置參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化［5］。

催化劑活性。 當(dāng)參加催化裂化的原料性質(zhì)和其他操作條件都保持不變時(shí)，對(duì)催化裂化裝置的轉(zhuǎn)化率起到?jīng)Q定性作用的主要是催化劑的活性［6］。 催化裂化裝置的轉(zhuǎn)化率隨著催化劑活性的升高而增大，催化裂化裝置的轉(zhuǎn)化率升高會(huì)使汽油的選擇性隨之下降，催化裂化裝置的總液體收率也會(huì)下降，氣體和焦炭的產(chǎn)出率會(huì)增加；如果催化劑的活性下降，催化裂化裝置的轉(zhuǎn)化率也會(huì)下降， 這時(shí)就會(huì)抑制柴油發(fā)生二次裂化反應(yīng)，提高柴油的產(chǎn)出率，但與此同時(shí)也降低了汽油的產(chǎn)出率，因此，提高催化裂化裝置總液體收率的關(guān)鍵就是選擇最合適的催化劑活性。 在整個(gè)催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化過(guò)程中，要保證原料的性質(zhì)穩(wěn)定，表1 列舉出了催化裂化裝置各項(xiàng)指標(biāo)的平均值，基于這一情況，表2 總結(jié)了不同催化劑活性與各催化裂化產(chǎn)品收率的關(guān)系［7］。

表1 催化裂化裝置各項(xiàng)指標(biāo)的平均值

表2 不同催化劑活性與各催化裂化產(chǎn)品收率的關(guān)系 %

催化裂化反應(yīng)溫度。 催化裂化反應(yīng)溫度是控制催化裂化裝置反應(yīng)深度、產(chǎn)品性質(zhì)和反應(yīng)原料轉(zhuǎn)化率的可調(diào)節(jié)參數(shù)之一。 在實(shí)際催化裂化過(guò)程中，提高催化裂化反應(yīng)溫度，催化裂化反應(yīng)速度會(huì)隨之增大，且催化裂化的反應(yīng)速度與反應(yīng)溫度成正比關(guān)系。 如果參加反應(yīng)的原料和催化劑活性都保持不變， 反應(yīng)速度會(huì)隨著溫度的升高而加快，使得氣體的產(chǎn)出率大幅增加，導(dǎo)致汽油的產(chǎn)出率和反應(yīng)溫度急劇下降。 在保證催化裂化裝置原料加工量穩(wěn)定且催化劑活性保持在60%～63%之間的情況下，分析不同催化裂化反應(yīng)溫度下產(chǎn)品收率與催化裂化裝置總液體收率（表3），可以得出：催化裂化反應(yīng)溫度在500～505℃之間時(shí)，催化裂化裝置的總液體收率最高［8］。

表3 不同反應(yīng)溫度下產(chǎn)品收率與催化裂化裝置總液體收率

催化裂化裝置的劑油比。 劑油比是影響催化裂化裝置轉(zhuǎn)化率的重要因素，也會(huì)影響產(chǎn)品的分布［9］。如果催化裂化反應(yīng)的溫度、時(shí)間和催化劑活性都相同，催化裂化反應(yīng)的速度會(huì)隨著劑油比的增大而增大，使促進(jìn)反應(yīng)的催化劑與反應(yīng)原料更加充分接觸，縮小了待生催化劑和再生催化劑的炭差值，可以有效提升原料的轉(zhuǎn)化率。 但是當(dāng)劑油比升高到一定數(shù)值時(shí)，原料的轉(zhuǎn)化率也會(huì)隨之加快，干氣和焦炭的產(chǎn)率隨之增多，導(dǎo)致汽油、柴油等輕質(zhì)油的產(chǎn)率大幅降低。 表4 是催化劑活性在60%～63%之間、 催化裂化反應(yīng)溫度在500～505℃之間得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 可以看出，當(dāng)催化裂化裝置的劑油比控制在7 時(shí)，整個(gè)催化裂化裝置的總液體收率是最高的。

表4 不同劑油比下各產(chǎn)品收率和總液體收率

催化裂化裝置內(nèi)原料預(yù)熱溫度。 原料預(yù)熱溫度是直接影響催化裂化反應(yīng)溫度、產(chǎn)品分布和霧化效果的因素。 如果催化裂化反應(yīng)的溫度相同，裝置內(nèi)原料的預(yù)熱溫度越高，再生溫度也會(huì)隨之升高，反而轉(zhuǎn)化率和生焦率都會(huì)降低，就會(huì)導(dǎo)致汽油的收率明顯下滑，但是輕柴油的收率不會(huì)有特別明顯的變化。 如果催化裂化裝置的原料預(yù)熱溫度過(guò)低就會(huì)使油品表面的張力明顯上升，提高油的黏度，不會(huì)輕易產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，生焦量會(huì)增大， 這樣就會(huì)導(dǎo)致催化裂化裝置的產(chǎn)品分布變差。 經(jīng)過(guò)綜合分析得知：當(dāng)原料的預(yù)熱溫度控制在200～250℃之間時(shí)會(huì)達(dá)到最佳霧化效果， 而符合工藝要求的原料預(yù)熱溫度是200～210℃， 如果溫度提升5℃， 就會(huì)使干氣的產(chǎn)量提高0.5%，導(dǎo)致輕油質(zhì)的收率會(huì)發(fā)生明顯降低，但是總液體收率會(huì)繼續(xù)保持平衡。 考慮到效益問(wèn)題，最合適的原料預(yù)熱溫度應(yīng)該控制在200～210℃之間。

1.2 構(gòu)建多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型

對(duì)催化裂化裝置的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的目的是使催化裂化裝置的整體效益達(dá)到最大?；谝陨蠀?shù)的選取，在裝置進(jìn)料和反應(yīng)流程一定的條件下，催化裂化裝置的整體效益主要分為產(chǎn)品效益和能耗成本兩部分，這主要是由關(guān)鍵操作參數(shù)來(lái)決定的，產(chǎn)品效益是由裝置中干氣中跑損的液化氣的含量來(lái)決定的，而能耗成本主要是由物料冷卻費(fèi)用、各個(gè)泵體費(fèi)用、解吸塔費(fèi)用、穩(wěn)定塔再沸器費(fèi)用和富氣壓縮機(jī)費(fèi)用組成［10］。 催化裂化裝置的干氣中夾帶液化氣組成成分的經(jīng)濟(jì)效益損失用G（N）表示，物料冷卻費(fèi)用、各個(gè)泵體費(fèi)用、解吸塔費(fèi)用、穩(wěn)定塔再沸器費(fèi)用和富氣壓縮機(jī) 費(fèi)用分別用 G（F）、G（P）、G（T）、G（Q）和G（W）來(lái)表示，催化裂化裝置的整體效益的其他部分都可以看成常數(shù)。 干氣中夾帶液化氣組成成分的效益損失以及各類(lèi)能耗費(fèi)用之和最小就可以體現(xiàn)為催化裂化裝置的產(chǎn)出效益最大。 多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型如下：

其中，minG（M）表示干氣中夾帶液化氣組成成分效益損失與各類(lèi)能耗費(fèi)用之和的最小值；s.t.C（M）為能耗費(fèi)用；a1、a2、a3和 b1、b2、b3分別表示催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)出口壓力p、 解吸塔循環(huán)冷卻后溫度T、 補(bǔ)充吸收劑流量F 的操作下限和上限。

1.3 催化裂化裝置多參數(shù)優(yōu)化求解策略

先根據(jù)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型，輸入催化裂化裝置獨(dú)立操作各個(gè)參數(shù)的初始值， 利用流程模型、計(jì)算模型等計(jì)算協(xié)同優(yōu)化狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)，然后利用尋找最優(yōu)解方法在所有參數(shù)中找到一組新的催化裂化關(guān)鍵操作參數(shù)值，再利用流程模型、計(jì)算模型等計(jì)算協(xié)同優(yōu)化狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)，如果前后兩次計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)的差值小于精度要求， 就可以認(rèn)為此次計(jì)算為收斂模式，否則就要返回，然后再一次求取催化裂化裝置的關(guān)鍵操作參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)。

催化裂化裝置的關(guān)鍵操作參數(shù)是通過(guò)一維搜索和廣義既約梯度得到的［11］。 根據(jù)拋物線G（X）在 Xi點(diǎn)附近的信息，構(gòu)造一個(gè)與 G（X）比較類(lèi)似的拋物線F（Y），在特殊條件下，將兩條拋物線的極小點(diǎn)重合。 由于新的拋物線比原拋物線簡(jiǎn)單，可輕易求出新拋物線的極小點(diǎn)，因此將新拋物線的極小點(diǎn)作為一個(gè)全新的起點(diǎn)是可行的，這樣可在圖像中搜索出最優(yōu)解［12］。

將原拋物線進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以得到：

要想通過(guò)上式得到最優(yōu)解， 就要先將▽Xi計(jì)算出來(lái)，搜索最優(yōu)解的過(guò)程就是改變Y 的大小來(lái)找出極小點(diǎn)的過(guò)程。 因此，拋物線中的G 只是Y的函數(shù)，即表示為 G（Y）［13］。 而▽Xi是通過(guò)廣義既約梯度法得到的，因?yàn)閽佄锞€中非獨(dú)立變量與多參數(shù)中獨(dú)立操作變量屬于函數(shù)關(guān)系，因此將G（X）進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

廣義既約梯度法就是將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成為含有獨(dú)立變量的函數(shù)，換句話說(shuō)就是函數(shù)中的自變量只有獨(dú)立變量，因此想要在獨(dú)立變量?jī)?nèi)搜索函數(shù)的極值，可以求出目標(biāo)函數(shù)對(duì)獨(dú)立變量的梯度。

1.4 催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化

根據(jù)催化裂化裝置多參數(shù)優(yōu)化求解策略，確定催化裂化裝置的關(guān)鍵操作參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)，基于催化裂化裝置參數(shù)的選取，構(gòu)建多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。

其中在構(gòu)建多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，分析催化裂化裝置多參數(shù)優(yōu)化求解策略可以實(shí)現(xiàn)催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，其催化裂化裝置多參數(shù)優(yōu)化求解策略流程如圖1 所示［14］。

圖1 催化裂化裝置多參數(shù)優(yōu)化求解策略流程

在詳細(xì)分析優(yōu)化求解策略后，以選取的裝置參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。

2 實(shí)例驗(yàn)證

上述分析只在理論上說(shuō)明了協(xié)同優(yōu)化方法的有效性，為明確驗(yàn)證本文方法的可靠性，將本文方法與催化裂化裝置單參數(shù)優(yōu)化方法做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩種方法下的石油產(chǎn)出能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

催化裂化裝置石油產(chǎn)出能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選擇如下：

催化劑活性 60.3%

反應(yīng)溫度 500～510℃

劑油比 7

原料預(yù)熱溫度 200~210℃

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用催化裂化裝置的反應(yīng)溫度作為實(shí)驗(yàn)的自變量，利用兩種優(yōu)化方法進(jìn)行催化裂化裝置石油產(chǎn)出能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為了保證本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有鮮明的對(duì)比性，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前選擇同一套催化裂化裝置并且原料的產(chǎn)出也一致，保證實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟如下：

a.準(zhǔn)備對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境，檢查催化裂化裝置是否可以穩(wěn)定運(yùn)行；

b.給催化裂化裝置施加不同大小的反應(yīng)溫度，在不采用任何優(yōu)化方法的情況下運(yùn)行，保證催化裂化裝置的安全穩(wěn)定；

c.保持催化劑活性在57%～64%之間、 劑油比為 6～8 之間、預(yù)熱溫度在 200～210℃范圍內(nèi)，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)；

d.為了提高本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度，引入石油產(chǎn)出效率作為本次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比指標(biāo)；

e.反應(yīng)溫度每隔5℃取一點(diǎn)， 進(jìn)行石油產(chǎn)出效率的計(jì)算；

f.在未執(zhí)行任何優(yōu)化方法時(shí)記錄石油產(chǎn)出效率；

g.分別采用催化裂化裝置單參數(shù)優(yōu)化方法和催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，記錄催化裂化裝置的石油產(chǎn)出效率，并繪制催化裂化裝置石油產(chǎn)出效率曲線。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)采用不同優(yōu)化方法得到的催化裂化裝置石油產(chǎn)出效率可知（圖2），兩種優(yōu)化方法下的催化裂化裝置石油產(chǎn)出能力有很大差別，筆者設(shè)計(jì)的催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法下的催化裂化裝置的石油產(chǎn)出效率較高，隨著反應(yīng)溫度的升高平均石油產(chǎn)出效率為89.63%，而催化裂化裝置單參數(shù)優(yōu)化方法下的催化裂化裝置的石油產(chǎn)出能力明顯較低，因此可以得出筆者設(shè)計(jì)的催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法可以完成催化裂化裝置的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化工作，提升催化裂化裝置的石油產(chǎn)出效率。

圖2 催化裂化裝置石油產(chǎn)出效率曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，基于催化裂化裝置參數(shù)的選取，構(gòu)建多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型，依托催化裂化裝置多參數(shù)優(yōu)化求解策略的分析，實(shí)現(xiàn)催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化裂化裝置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法相比于催化裂化裝置單參數(shù)優(yōu)化方法，對(duì)催化裂化裝置的石油產(chǎn)出具有較高的產(chǎn)出能力。 希望本文的研究能夠?yàn)榇呋鸦b置多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法的應(yīng)用提供理論依據(jù)。