信息技术应用于生产装置的流程模拟

孙阳

[摘 要]随着世界经济的高速发展，世界各国对原油，特别是轻质油品的需求呈现持续上升的状态。由于当前世界原油储量中，重质且含硫原油越来越多，但直接使用质量低劣的石油产品会造成十分严重的环境污染，因此，如何增加重油（蜡油等）加工深度成为各炼油厂的主要创新技术之一。同时，生产装置都具有大型化、复杂化的特点，企业在生产过程中，不能随意改变操作条件，这就体现了采用信息技术模拟生产装置的必要性。本文以加氢裂化装置为例，研究如何利用当前的信息技术模拟该装置流程，以用于日常调节装置生产工艺情况，还可应用于员工编写装置开停车方案、研究油品控制方案及工艺优化等。

[关键词]信息技术；模拟；工艺优化；节能降耗

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.04.016

[中图分类号]F270.7；TQ019 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）04-00-02

1 研究背景

人类社会的持续发展和进步，使石油成为推动人类发展的能源之一，更是在不断地冲击着国内外的资源市场。正是由于现代产业对石油的关注度增大，导致石油具有超越普通商品的特殊性。据美国能源部预测，今后的20年能够增加石油供应的主要是OPEC（石油输出国组织）成员国，大致可能从2010的22.05亿吨增长到2020年的30.97亿吨。通过查阅文献可知，我国对燃料油、中间馏分油（柴油和喷气燃料）、汽油消费总量的需求量还会增大，但柴油的增长速度会低于对汽油的需求。

综上所述，未来汽、柴油的需求量会继续加大，因此，如何根据市场形势调整企业工艺流程方案，是未来的重要工作之一。对重油进行深度加工的过程中，加氢裂化装置的原理是将原料在高温、高压且临氢的条件下，使用双功能催化剂进行加氢、脱硫、脱氮等反应的一种催化转化过程。通过加氢裂化过程，可以生成品种多、质量相对较好的产品，像轻石脑油、尾油等优质的石油化工原料，也可以是加氢裂化的产品。除此之外，加氢裂化还具有液体产品收率高、生产灵活性高等特点，这种优势更是任何炼油工艺无法取代的。因此，本文以加氢裂化装置为例，引用流程模拟的信息技术，对该装置进行工艺流程模拟，从而指导装置的生产，优化装置生产工艺。

2 流程模拟技术

2.1 流程模拟技术介绍

流程模拟主要是一种工艺设计的软件，在设计中需要计算机的辅助，这类型软件可以通过输入一系列有关工艺流程的信息，得出相应的产物数据，主要是用于工艺的过程设计及开发计算。这种模拟，以工艺的机理模型为基础，采用数学等方法，进行工艺计算及能量分析。

应用流程模拟，可以大量节省为了找到最佳工艺条件而消耗的时间及人力资源，一旦将工艺过程模拟出来后，可以从整个装置的角度认识、分析生产中的各类型问题，对于装置的优化、流程的变更都具有重要作用。

2.2 流程模拟软件的进展

流程模拟是20世纪50年代末期开始发展起来的，经过一系列的变革，目前国内外主要的模拟软件有美国公司研发的PRO/II、Aspen Plus和Hysys，英国KBC的Petro-SIM，青岛化工学院研发的国内唯一一套完整的模拟软件ECSS系统等。流程模拟充分体现了计算机与化工的融合。

通过对比分析，各流程模拟软件相关特点，见表1。

2.3 本文的研究内容

本文以150万吨/年加氢裂化装置为案例，应用化工流程模拟软件Petro-SIM，对加氢裂化装置建立模拟模型。通过模拟模型，找出最佳的生产方案。在此基础上，还可以将模拟结果应用在开车方案的研究、工艺过程的变更、装置的改造等方面，从而最大限度地降低工业流程变更所需要的实验费用，还可以用于员工的日常装置培训。

3 流程模拟过程

3.1 加氢裂化工艺流程的特点

装置特点：反应部分采用炉前混氢流程。采用热高分流程，主要是为了降低能耗，节省换热面积。分馏设置脱气塔，采用分馏进料加热炉和常压塔出柴油方案。

3.2 流程模拟过程

3.2.1 模拟中物性方法的选择

加氢裂化工艺的原料和产品一般主要为烷烃、环烷烃、芳烃和少量杂环的硫化物和氮化物，因此，可以视为非极性或弱极性物质，且该装置压力变化较大、富含氢气，故采用Grayson物性方法。具体的物性方法选择可以通过查阅化工热力学手册和互联网相关文献得出。

3.2.2 模拟中虚拟组分的生成

加氢裂化装置可加工一种或多种的原料油，然而各原料油馏分的宽窄不等，组成也不同，不能笼统地用简单的形式进行描述。因此，在20世纪30年代，Katz和Brown提出了“虚拟组分”的概念，将石油馏分的组成表示为一个蒸馏曲线，可以被看作是有限数目经过精确切割的窄馏分混合物，并将每一个窄馏分作为一个纯组分处理。

在本文模拟中，利用Petro-SIM將加氢裂化原料切割为106个虚拟组分，其中气体组分从H2到C5，大于C5的馏程组分采用虚拟组分。

3.2.3 模拟中热力学模型的选择

流程模拟中单元操作模型都需要热力学性质的计算，影响因素主要有逸度系数、相平衡常数、熵、扩散系数以及表现张力等。

本次模拟的热力学模型根据文献所查热力学模型决策树选用Peng Robinson。

3.2.4 流程模拟结果

模型的建立过程如下。

第一，数据准备。流程模拟需要装置PFD流程图，装置标定报告，装置的操作参数，催化剂装填表，装置设计的SOR、EOR。

第二，建立物料平衡，计算装置的原料、产品。

第三，建立模型。选取Petro-SIM中的加氢裂化模块，其中包括反应器、加热炉、汽提塔、分馏塔等子模块。模型收敛后，需要检查模型和校正模型，在建模过程中一般会遇到一系列的问题，例如：物料平衡有问题，数据输入错误，单位输入错误，物料性质不符合常规，反应器参数、催化剂参数、循环氢流量等出现错误，这都可能导致模型不收敛，因此需要耐心地检查，直到将错误排除。

物料平衡一般会存在误差，模型会通过建立氢平衡、硫平衡和氮平衡，验证和调整物料平衡，使物料平衡更准确。具体分馏系统模拟模型如图1所示。

4 模拟优化结果

过去国家为了满足市场需求，国内的大部分炼厂都在追求高的汽柴比，随着当前国际市场的变化，目前成品油的需求市场主要有汽车带动，因此不再需要多产柴油组分，且此市场在短期内不会有大幅度的变化。

为了增产石脑油和航煤，减少柴油产量，实际操作中可以降低分馏塔柴油抽出温度，减少柴油抽出量，增大塔底尾油循环量实现。模型中可以通过降低分馏塔柴油和循环油的切割点，增大塔底尾油循环量实现。模型中，柴油和尾油的切割点从382 ℃降到350 ℃，尾油循环量从76 吨/小时增加到110吨/小时。根据模型模拟的情况，以加氢裂化装置某一工况和降低柴油和尾油切割点方案的收率进行对比，并进行年化效益计算，可以算出航煤收率增加6.83%，石脑油增加1.81%，柴油收率降低约9.38%，真正降低了全公司的柴汽比，有益于当前企业的运行。

5 结 语

通过信息技术模拟生产装置，可以准确地预测企业装置的运行情况，有效地根据市场形势对工艺流程进行部分调整，真正地将信息领域应用在石油炼制的工艺生产中，这也是未来“互联网+”的发展趋势之一。

主要参考文献

[1]汤湘华.世界石油供需分析与展望[J].当代石油石化，2002（7）.

[2]马艳秋，刘立军，卜岩，等.炼油加氢装置生产能力现状与分析[J].炼油技术与工程，2012（6）.