分子建模技術在芳烴聯(lián)合裝置生產(chǎn)計劃優(yōu)化中的應用研究

＊王 鵬

（石化盈科信息技術有限責任公司 北京 100020）

石油化工生產(chǎn)鏈條長、業(yè)務廣、產(chǎn)品多樣，原油種類多、加工路線復雜，市場千變萬化。圍繞煉化企業(yè)一體化優(yōu)化主線，供應鏈優(yōu)化解決方案在價值鏈維度上，實現(xiàn)采購、生產(chǎn)、銷售供應鏈全過程的價值增值；在優(yōu)化深度上，實現(xiàn)計劃、調度、裝置、控制四個層面上的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營全過程效益最大化，提高綜合性競爭優(yōu)勢。生產(chǎn)計劃層面包括生產(chǎn)計劃管理、原料采購優(yōu)化、生產(chǎn)計劃優(yōu)化、生產(chǎn)計劃跟蹤；優(yōu)化企業(yè)的采購、生產(chǎn)和銷售等環(huán)節(jié)，提高資源配置和市場響應速度，增加整體效益。

基于Aspen PIMS軟件及企業(yè)提供的裝置、物料信息，搭建計劃優(yōu)化模型、分析優(yōu)化結果，為企業(yè)生產(chǎn)計劃優(yōu)化和提升效益提供有力支撐。針對某企業(yè)全加氫流程以及以銷定產(chǎn)的特點，在其芳烴聯(lián)合裝置建立精準結構模型，實現(xiàn)全廠效益最大化。主要包括兩部分，即連續(xù)重整裝置建立不同操作苛刻度方案，根據(jù)石腦油加氫及二次裝置石腦油族組成，關聯(lián)化學反應機理，實現(xiàn)性質組成的傳遞、生產(chǎn)方案的優(yōu)化；芳烴聯(lián)合裝置分單元建模方案，模擬不同化學反應、物理分離過程，建立反應器、汽提塔等設備級模型，引入分離效率概念，實現(xiàn)精準模擬、靈活優(yōu)化。

本文所采用的計劃優(yōu)化軟件經(jīng)過不斷的迭代升級，其最新版本在非線性求解器、原油切割管理工具（AM）方面得到了較大的提升，可以滿足企業(yè)在計算速度、模型精度等方面的更高要求，進行多場景不確定性分析，提供非線性方程生成工具等，解決了局部優(yōu)解問題，實現(xiàn)全局優(yōu)化求解。

1.建模部分

(1)軟件版本

基于該企業(yè)購買的Aspen PIMS軟件。

(2)裝置介紹

煉化一體化裝置規(guī)模是2000萬噸/年，芳烴聯(lián)合裝置是225萬噸PX/年×2，主要專利技術由法國Axens提供，建成投產(chǎn)時是全球最大的芳烴裝置。芳烴聯(lián)合裝置的主要原料為重整生成油，主要產(chǎn)品為對二甲苯、苯和高辛烷值汽油組份，芳烴裝置產(chǎn)品總量占全廠產(chǎn)品總量34.8%，其中對二甲苯產(chǎn)量占全廠產(chǎn)品總量22.5%，主要供于下游PTA裝置作為原料。

(3)單元拆分

①拆分思路

根據(jù)實現(xiàn)組分傳遞的建模思路，將組分性質不一致且對傳遞有影響的物料流向在物理和化學單元的不同特點拆分為11個單元，即：

A.石腦油加氫；B.催化重整；C.重整油分離；D.甲苯汽油塔；E.芳烴抽提（含抽提蒸餾塔和溶劑回收塔）；F.二甲苯分餾；G.PX吸附分離（含吸附塔、抽出液塔、抽余液塔和成品塔）；H.碳八芳烴異構化（含反應器、脫庚烷塔、循環(huán)塔）；I.重芳烴塔；J.甲苯歧化與烷基轉移（含反應器、汽提塔）；K.BT塔（含白土塔、苯塔、甲苯塔）。

②石腦油加氫單元

工藝描述：裝置設計加工能力400萬噸/年，按先加氫后分餾工藝設計，采用法國AXENS技術，以外購石腦油、直餾石腦油和H-oil石腦油為原料，為重整裝置提供生產(chǎn)精制石腦油的原料。反應系統(tǒng)主要有兩種基本反應：加氫精制和加氫飽和。產(chǎn)品指標：精制石腦油硫含量小于0.5ppm（wt）和氮含量小于0.5ppm（wt），金屬含量：Pb、Cu、Si、Ni，Cr最大含量5ppb（wt）。

建模思路：石腦油加氫裝置重點是將拔頭油與重整料精確分割，為實現(xiàn)這一目的將直餾石腦油與二次石腦油分開處理。對于直餾石腦油，利用蒸餾CUT9類型，在原油切割時按切割溫度直接將拔頭油與重整料分開。對于二次石腦油，設定C4-C6組成性質，按照分離效率將各組成在拔頭油與重整料間分割。輕烴回收石腦油：常減壓石腦油的一部分去輕烴回收（去輕烴回收與進石腦油加氫的比例為196:96），進預加氫前直餾石腦油與輕烴回收石腦油匯合，量及性質恢復為切割數(shù)據(jù)，故引用assay數(shù)據(jù)即可。

③催化重整單元

工藝描述：裝置采用AXENS超低壓重整專利技術，以兩套柴油加裂、兩套蠟油加裂的重石腦油和石腦油加氫的精制石腦油為原料，生產(chǎn)高辛烷值且富含芳烴的重整生成油，同時副產(chǎn)氫氣，并生產(chǎn)少量C5餾分、LPG餾分及干氣。

建模思路：按Data Base（DB）結構建立裝置模型，影響因素考慮進料環(huán)烷烴及芳烴含量影響（體積含量）。

④重整油分離單元

工藝描述：重整生成油送至芳烴裝置生產(chǎn)二甲苯、苯等產(chǎn)品；氫氣送至VPSA提純后并入管網(wǎng)；C5餾分送至異構化裝置進行正異構分離；LPG餾分送至輕烴回收裝置進行液化氣分離；干氣送至燃料氣管網(wǎng)或做乙烯原料。

建模思路：利用重整產(chǎn)物遞歸的組成，將重整生成物分離，并通過分離系數(shù)體現(xiàn)組分在側線中的重疊。

⑤甲苯汽油塔單元

工藝描述：甲苯即可用于汽油調合，也是歧化單元主要反應原料。根據(jù)全廠產(chǎn)品結構，在輕重整油與芳烴抽提間設置甲苯汽油塔，抽出一股甲苯含量約為92%的物料，用于汽油調合，平衡汽油及PX生產(chǎn)。

建模思路：汽油塔從重整C6C7抽走一股調合汽油料，塔頂物料與重整C6C7匯合進芳烴抽提。將問題簡化為汽油塔僅抽走一股調合物料，成為一個“三通”。重整C6C7=重整C7（92%甲苯+8%非芳）+芳烴抽提料，同時在三個物料間建立苯、甲苯、非芳的性質平衡。

⑥芳烴抽提單元

工藝描述：利用循環(huán)溶劑將輕重整油中的非芳烴和芳烴實現(xiàn)分離，為歧化裝置提供合格的芳烴進料。進料：抽提進料（EXP），來自甲苯汽油塔，主要為C6C7（苯占40%，甲苯占2%，非芳占58%）。產(chǎn)品：芳烴抽余油（RAF）、混合苯甲苯芳烴（ARR）?；旌媳郊妆椒紵N（苯占30%，甲苯占70%）去歧化BT單元。

建模思路：把上游甲苯汽油塔產(chǎn)品的組分含量，通過給定的流向系數(shù)，分配到芳烴抽提的產(chǎn)品中去，最后計算混合苯甲苯芳烴的組分含量。

⑦二甲苯分餾單元

工藝描述：將重重整油、歧化C8+和異構化C8+中的C8芳烴與C9+芳烴分離。進料：重重整油（R8+）、歧化C8+芳烴（D8+）、異構化C8芳烴（XYL）。產(chǎn)品：C8混合芳烴（C8A）、二甲苯塔底液（C9+），C8A去吸附分離，C9+去重芳烴塔。

建模思路：把上游重整油分離產(chǎn)品、歧化C8+及異構化C8+產(chǎn)品的組分含量，通過給定的流向系數(shù)，分配到二甲苯分餾的產(chǎn)品中去，最后計算C8混合芳烴和二甲苯塔底液的組分含量。

⑧PX吸附分離單元

工藝描述：Eluxyl工藝基于下述的物理吸附原理應用于對二甲苯吸附：A.當C8A進料流過選擇性分子篩時，相對于乙苯和其它二甲苯，對二甲苯被高度吸附。B.當對二乙基苯（解吸劑）流過吸附C8A的選擇性分子篩時，解吸劑脫附除去鄰二甲苯、間二甲苯和乙苯，而對二甲苯被慢慢解吸，并且可通過精餾從解吸劑中分離。C.解吸劑的選擇是根據(jù)吸附系統(tǒng)和精餾系統(tǒng)兩部分之間經(jīng)濟最優(yōu)化原則來決定的。D.吸附系統(tǒng)的操作條件（溫度、壓力）是根據(jù)吸附反應熱力學平衡和動力學來決定的，操作壓力的要求是為了保證吸附塔全液相操作。

建模思路：PX吸附分離進料是二甲苯分餾塔塔頂混合C8A一股物料，分出粗甲苯、PX成品和貧PX液等三股物料。根據(jù)物理分離原理，對物料性質（即組成含量）和不出裝置邊界的粗甲苯與貧PX液進行性質遞歸。

⑨碳八芳烴異構化單元

工藝描述：異構化單元在PX聯(lián)合裝置中起著增產(chǎn)二甲苯的作用，該裝置接收來自聯(lián)合裝置吸附分離單元的貧對二甲苯的混合C8芳烴進料以及從回收塔塔底一部分C8環(huán)烷烴，在高溫高壓臨氫條件下發(fā)生異構化反應，有效地將貧對二甲苯的混合C8芳烴進料轉化為接近熱力學平衡狀態(tài)的C8芳烴混合物。

建模思路：碳八芳烴異構化SOPA進料有吸附分離抽余液與外購碳八芳烴以及重整氫3股物料，首先根據(jù)物料性質遞歸需求建匯流表。

⑩重芳烴塔單元

工藝描述：將二甲苯分餾塔底液中的C10+組分分離出來，從塔底出，可用于調柴油。剩余組分C9C10分別從塔頂和塔側出兩股，但性質不同，塔頂直接去歧化，塔側部分去歧化部分調汽油。進料：二甲苯分餾塔底液。產(chǎn)品：塔頂C9C10、塔側C9C10、C10+芳烴。

建模思路：把上游二甲苯分餾產(chǎn)品的組分含量，通過給定的流向系數(shù)，分配到重芳烴塔的產(chǎn)品中去，最后計算塔頂C9C10、塔側C9C10和塔底重芳烴的組分含量。

?甲苯歧化與烷基轉移反應單元

工藝描述：模型中，歧化單元指反應系統(tǒng)，共2套，單套加工能力330萬噸/年，采用中國石化上海石化研究院的S-TDT TM甲苯歧化與烷基轉移技術，所用催化劑HLD-001具有高空速、低氫油比、重芳烴處理能力強、轉化率高的特點，可通過調整進料中甲苯/C9A的比例來調節(jié)產(chǎn)物中二甲苯與苯的比例，并將C10A擴展為生產(chǎn)二甲苯的原料，允許C10A含量最高達15%（w）。歧化反應系統(tǒng)的原料，一是來自甲苯塔塔頂采出的甲苯，二是來自重芳烴塔塔頂和側線采出的C9+A。補充氫來自循環(huán)氫管網(wǎng)，在循環(huán)氫壓縮機出口與循環(huán)氫匯合后，與原料混合進入反應器。

建模思路：歧化單元主要工藝操作條件包括進料組成、反應溫度、反應壓力、氫油比、空速。原料中甲苯和C9+A的配比是影響產(chǎn)品結構最重要的因素，原料中甲苯/C9+A的比值越大，產(chǎn)品中產(chǎn)二甲苯/苯的比值就越小?；谶@種反應特征，模型結構建立產(chǎn)品收率與進料中甲苯含量的關系。反應溫度對反應化學平衡的影響不大，會影響催化劑活性，反應溫度過低和過高都不利于目的反應的發(fā)生，生產(chǎn)中選擇合適的反應溫度。模型結構中考慮一種正常生產(chǎn)工況。反應壓力和氫油比在理論上對反應影響不大，較高的壓力和氫油比有利于抑制積碳，提高催化劑的穩(wěn)定性。模型中不考慮針對不同壓力、氫油比的多方案，耗氫按相對固定比例處理。空速會影響原料在反應器的停留時間，進而影響轉化率和選擇性，生產(chǎn)中會根據(jù)空速的變化調整反應溫度，控制適當?shù)霓D化率和選擇性。模型不考慮針對不同空速的多方案。

?BT塔單元

工藝描述：模型中，BT塔包括白土處理、苯塔分離、甲苯塔分離，共2套，單套加工能力385萬噸/年。BT塔物料來源有三股，一股是汽提塔塔釜液，另外兩股分別是來自芳烴抽提單元的苯－甲苯混合芳烴和來自吸附分離單元成品塔的粗甲苯。三股物料混合后，經(jīng)換熱、加熱器加熱后進入白土塔處理，脫除烯烴，使物料溴指數(shù)達到要求。經(jīng)白土處理的混合芳烴換熱后進入苯塔進行分離，苯產(chǎn)品從上部第5層塔盤側線采出，冷卻后送往產(chǎn)品罐，苯塔塔底液送往甲苯塔進一步分離。在甲苯塔，甲苯從塔頂采出，經(jīng)蒸汽發(fā)生器、換熱冷卻后作為歧化的原料，甲苯塔底液的C8+A送往二甲苯精餾單元。

建模思路：BT單元是物理分離過程，產(chǎn)品收率與產(chǎn)品組成與原料組成、分餾塔的分離效果緊密相關，模型中要體現(xiàn)出這兩方面的因素。

2.結果與討論

(1)建模亮點

相比于傳統(tǒng)建模方法，分子建模具有以下優(yōu)點：

①石腦油加氫產(chǎn)物不再設定固定收率，通過CUT9切割及C4-C6組成分離，實現(xiàn)拔頭油與重整料的準確分離。

②遞歸計算重整產(chǎn)物組成明細（氫氣、干氣、C3s、C4s、異構C5餾分、正構C5餾分、苯、甲苯、混合C8芳烴、C9芳烴、C10重芳烴、非芳），用于芳烴聯(lián)合裝置的組成傳遞和計算。

③重整油分離單元通過組成傳遞，實現(xiàn)按組成及分離效率分割產(chǎn)品。

④芳烴抽提、二甲苯分餾、PX吸附分離、碳八芳烴異構化和重芳烴塔單元利用組分含量的分配和傳遞，實現(xiàn)生產(chǎn)模擬。碳八芳烴異構化單元數(shù)據(jù)處理和模型搭建時，將碳八芳烴異構化熱力學平衡及反應機理納入模型，如果C8A四個同分異構體的轉化率或產(chǎn)率數(shù)據(jù)缺失，可簡化處理。

⑤甲苯歧化與烷基轉移反應單元模型結構充分體現(xiàn)了歧化反應的特征，優(yōu)化功能靈活，既可根據(jù)需要控制原料中甲苯/C9+A的配比，精準預測產(chǎn)品結構，也可根據(jù)市場中苯、對二甲苯、汽油價格差異的變化，以效益最大化為目標，優(yōu)化選擇原料中甲苯/C9+A的配比。

⑥BT塔單元模型結構體現(xiàn)組分傳遞和塔的分離效果，反映出原料組成變化對產(chǎn)品收率、產(chǎn)品組成的影響，預測結果準確、可靠。

(2)優(yōu)化應用

通過精細化分子建模技術，模型的優(yōu)化應用在原油采購優(yōu)化、外購原料優(yōu)化、裝置負荷優(yōu)化、物料流向優(yōu)化、產(chǎn)品產(chǎn)量和結構優(yōu)化、產(chǎn)品調合優(yōu)化、裝置檢修優(yōu)化和生產(chǎn)計劃優(yōu)化等常規(guī)應用方面不僅更加準確，而且通過模型運算開關控制優(yōu)化內容更加靈活，這對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營部門的模型應用水平提高和生產(chǎn)計劃編制都有了很多的指導意義。

3.結論

分子建模技術對裝置工藝及反應機理的要求非常高，更加適用于化工裝置的建模優(yōu)化。建模思路和難度主要體現(xiàn)在單元拆分和數(shù)據(jù)處理方面，需要在模型搭建過程中采用“試錯”的模式進行邊建模邊修正。模型復雜性給使用者提出了更高的要求，但其運算靈活性和準確度高的特點給企業(yè)生產(chǎn)帶來的效益超越了傳統(tǒng)模型。