分子建模技术在芳烃联合装置生产计划优化中的应用研究

＊王 鹏

（石化盈科信息技术有限责任公司 北京 100020）

石油化工生产链条长、业务广、产品多样，原油种类多、加工路线复杂，市场千变万化。围绕炼化企业一体化优化主线，供应链优化解决方案在价值链维度上，实现采购、生产、销售供应链全过程的价值增值；在优化深度上，实现计划、调度、装置、控制四个层面上的协同优化，实现生产经营全过程效益最大化，提高综合性竞争优势。生产计划层面包括生产计划管理、原料采购优化、生产计划优化、生产计划跟踪；优化企业的采购、生产和销售等环节，提高资源配置和市场响应速度，增加整体效益。

基于Aspen PIMS软件及企业提供的装置、物料信息，搭建计划优化模型、分析优化结果，为企业生产计划优化和提升效益提供有力支撑。针对某企业全加氢流程以及以销定产的特点，在其芳烃联合装置建立精准结构模型，实现全厂效益最大化。主要包括两部分，即连续重整装置建立不同操作苛刻度方案，根据石脑油加氢及二次装置石脑油族组成，关联化学反应机理，实现性质组成的传递、生产方案的优化；芳烃联合装置分单元建模方案，模拟不同化学反应、物理分离过程，建立反应器、汽提塔等设备级模型，引入分离效率概念，实现精准模拟、灵活优化。

本文所采用的计划优化软件经过不断的迭代升级，其最新版本在非线性求解器、原油切割管理工具（AM）方面得到了较大的提升，可以满足企业在计算速度、模型精度等方面的更高要求，进行多场景不确定性分析，提供非线性方程生成工具等，解决了局部优解问题，实现全局优化求解。

1.建模部分

(1)软件版本

基于该企业购买的Aspen PIMS软件。

(2)装置介绍

炼化一体化装置规模是2000万吨/年，芳烃联合装置是225万吨PX/年×2，主要专利技术由法国Axens提供，建成投产时是全球最大的芳烃装置。芳烃联合装置的主要原料为重整生成油，主要产品为对二甲苯、苯和高辛烷值汽油组份，芳烃装置产品总量占全厂产品总量34.8%，其中对二甲苯产量占全厂产品总量22.5%，主要供于下游PTA装置作为原料。

(3)单元拆分

①拆分思路

根据实现组分传递的建模思路，将组分性质不一致且对传递有影响的物料流向在物理和化学单元的不同特点拆分为11个单元，即：

A.石脑油加氢；B.催化重整；C.重整油分离；D.甲苯汽油塔；E.芳烃抽提（含抽提蒸馏塔和溶剂回收塔）；F.二甲苯分馏；G.PX吸附分离（含吸附塔、抽出液塔、抽余液塔和成品塔）；H.碳八芳烃异构化（含反应器、脱庚烷塔、循环塔）；I.重芳烃塔；J.甲苯歧化与烷基转移（含反应器、汽提塔）；K.BT塔（含白土塔、苯塔、甲苯塔）。

②石脑油加氢单元

工艺描述：装置设计加工能力400万吨/年，按先加氢后分馏工艺设计，采用法国AXENS技术，以外购石脑油、直馏石脑油和H-oil石脑油为原料，为重整装置提供生产精制石脑油的原料。反应系统主要有两种基本反应：加氢精制和加氢饱和。产品指标：精制石脑油硫含量小于0.5ppm（wt）和氮含量小于0.5ppm（wt），金属含量：Pb、Cu、Si、Ni，Cr最大含量5ppb（wt）。

建模思路：石脑油加氢装置重点是将拔头油与重整料精确分割，为实现这一目的将直馏石脑油与二次石脑油分开处理。对于直馏石脑油，利用蒸馏CUT9类型，在原油切割时按切割温度直接将拔头油与重整料分开。对于二次石脑油，设定C4-C6组成性质，按照分离效率将各组成在拔头油与重整料间分割。轻烃回收石脑油：常减压石脑油的一部分去轻烃回收（去轻烃回收与进石脑油加氢的比例为196:96），进预加氢前直馏石脑油与轻烃回收石脑油汇合，量及性质恢复为切割数据，故引用assay数据即可。

③催化重整单元

工艺描述：装置采用AXENS超低压重整专利技术，以两套柴油加裂、两套蜡油加裂的重石脑油和石脑油加氢的精制石脑油为原料，生产高辛烷值且富含芳烃的重整生成油，同时副产氢气，并生产少量C5馏分、LPG馏分及干气。

建模思路：按Data Base（DB）结构建立装置模型，影响因素考虑进料环烷烃及芳烃含量影响（体积含量）。

④重整油分离单元

工艺描述：重整生成油送至芳烃装置生产二甲苯、苯等产品；氢气送至VPSA提纯后并入管网；C5馏分送至异构化装置进行正异构分离；LPG馏分送至轻烃回收装置进行液化气分离；干气送至燃料气管网或做乙烯原料。

建模思路：利用重整产物递归的组成，将重整生成物分离，并通过分离系数体现组分在侧线中的重叠。

⑤甲苯汽油塔单元

工艺描述：甲苯即可用于汽油调合，也是歧化单元主要反应原料。根据全厂产品结构，在轻重整油与芳烃抽提间设置甲苯汽油塔，抽出一股甲苯含量约为92%的物料，用于汽油调合，平衡汽油及PX生产。

建模思路：汽油塔从重整C6C7抽走一股调合汽油料，塔顶物料与重整C6C7汇合进芳烃抽提。将问题简化为汽油塔仅抽走一股调合物料，成为一个“三通”。重整C6C7=重整C7（92%甲苯+8%非芳）+芳烃抽提料，同时在三个物料间建立苯、甲苯、非芳的性质平衡。

⑥芳烃抽提单元

工艺描述：利用循环溶剂将轻重整油中的非芳烃和芳烃实现分离，为歧化装置提供合格的芳烃进料。进料：抽提进料（EXP），来自甲苯汽油塔，主要为C6C7（苯占40%，甲苯占2%，非芳占58%）。产品：芳烃抽余油（RAF）、混合苯甲苯芳烃（ARR）。混合苯甲苯芳烃（苯占30%，甲苯占70%）去歧化BT单元。

建模思路：把上游甲苯汽油塔产品的组分含量，通过给定的流向系数，分配到芳烃抽提的产品中去，最后计算混合苯甲苯芳烃的组分含量。

⑦二甲苯分馏单元

工艺描述：将重重整油、歧化C8+和异构化C8+中的C8芳烃与C9+芳烃分离。进料：重重整油（R8+）、歧化C8+芳烃（D8+）、异构化C8芳烃（XYL）。产品：C8混合芳烃（C8A）、二甲苯塔底液（C9+），C8A去吸附分离，C9+去重芳烃塔。

建模思路：把上游重整油分离产品、歧化C8+及异构化C8+产品的组分含量，通过给定的流向系数，分配到二甲苯分馏的产品中去，最后计算C8混合芳烃和二甲苯塔底液的组分含量。

⑧PX吸附分离单元

工艺描述：Eluxyl工艺基于下述的物理吸附原理应用于对二甲苯吸附：A.当C8A进料流过选择性分子筛时，相对于乙苯和其它二甲苯，对二甲苯被高度吸附。B.当对二乙基苯（解吸剂）流过吸附C8A的选择性分子筛时，解吸剂脱附除去邻二甲苯、间二甲苯和乙苯，而对二甲苯被慢慢解吸，并且可通过精馏从解吸剂中分离。C.解吸剂的选择是根据吸附系统和精馏系统两部分之间经济最优化原则来决定的。D.吸附系统的操作条件（温度、压力）是根据吸附反应热力学平衡和动力学来决定的，操作压力的要求是为了保证吸附塔全液相操作。

建模思路：PX吸附分离进料是二甲苯分馏塔塔顶混合C8A一股物料，分出粗甲苯、PX成品和贫PX液等三股物料。根据物理分离原理，对物料性质（即组成含量）和不出装置边界的粗甲苯与贫PX液进行性质递归。

⑨碳八芳烃异构化单元

工艺描述：异构化单元在PX联合装置中起着增产二甲苯的作用，该装置接收来自联合装置吸附分离单元的贫对二甲苯的混合C8芳烃进料以及从回收塔塔底一部分C8环烷烃，在高温高压临氢条件下发生异构化反应，有效地将贫对二甲苯的混合C8芳烃进料转化为接近热力学平衡状态的C8芳烃混合物。

建模思路：碳八芳烃异构化SOPA进料有吸附分离抽余液与外购碳八芳烃以及重整氢3股物料，首先根据物料性质递归需求建汇流表。

⑩重芳烃塔单元

工艺描述：将二甲苯分馏塔底液中的C10+组分分离出来，从塔底出，可用于调柴油。剩余组分C9C10分别从塔顶和塔侧出两股，但性质不同，塔顶直接去歧化，塔侧部分去歧化部分调汽油。进料：二甲苯分馏塔底液。产品：塔顶C9C10、塔侧C9C10、C10+芳烃。

建模思路：把上游二甲苯分馏产品的组分含量，通过给定的流向系数，分配到重芳烃塔的产品中去，最后计算塔顶C9C10、塔侧C9C10和塔底重芳烃的组分含量。

⑪甲苯歧化与烷基转移反应单元

工艺描述：模型中，歧化单元指反应系统，共2套，单套加工能力330万吨/年，采用中国石化上海石化研究院的S-TDT TM甲苯歧化与烷基转移技术，所用催化剂HLD-001具有高空速、低氢油比、重芳烃处理能力强、转化率高的特点，可通过调整进料中甲苯/C9A的比例来调节产物中二甲苯与苯的比例，并将C10A扩展为生产二甲苯的原料，允许C10A含量最高达15%（w）。歧化反应系统的原料，一是来自甲苯塔塔顶采出的甲苯，二是来自重芳烃塔塔顶和侧线采出的C9+A。补充氢来自循环氢管网，在循环氢压缩机出口与循环氢汇合后，与原料混合进入反应器。

建模思路：歧化单元主要工艺操作条件包括进料组成、反应温度、反应压力、氢油比、空速。原料中甲苯和C9+A的配比是影响产品结构最重要的因素，原料中甲苯/C9+A的比值越大，产品中产二甲苯/苯的比值就越小。基于这种反应特征，模型结构建立产品收率与进料中甲苯含量的关系。反应温度对反应化学平衡的影响不大，会影响催化剂活性，反应温度过低和过高都不利于目的反应的发生，生产中选择合适的反应温度。模型结构中考虑一种正常生产工况。反应压力和氢油比在理论上对反应影响不大，较高的压力和氢油比有利于抑制积碳，提高催化剂的稳定性。模型中不考虑针对不同压力、氢油比的多方案，耗氢按相对固定比例处理。空速会影响原料在反应器的停留时间，进而影响转化率和选择性，生产中会根据空速的变化调整反应温度，控制适当的转化率和选择性。模型不考虑针对不同空速的多方案。

⑫BT塔单元

工艺描述：模型中，BT塔包括白土处理、苯塔分离、甲苯塔分离，共2套，单套加工能力385万吨/年。BT塔物料来源有三股，一股是汽提塔塔釜液，另外两股分别是来自芳烃抽提单元的苯－甲苯混合芳烃和来自吸附分离单元成品塔的粗甲苯。三股物料混合后，经换热、加热器加热后进入白土塔处理，脱除烯烃，使物料溴指数达到要求。经白土处理的混合芳烃换热后进入苯塔进行分离，苯产品从上部第5层塔盘侧线采出，冷却后送往产品罐，苯塔塔底液送往甲苯塔进一步分离。在甲苯塔，甲苯从塔顶采出，经蒸汽发生器、换热冷却后作为歧化的原料，甲苯塔底液的C8+A送往二甲苯精馏单元。

建模思路：BT单元是物理分离过程，产品收率与产品组成与原料组成、分馏塔的分离效果紧密相关，模型中要体现出这两方面的因素。

2.结果与讨论

(1)建模亮点

相比于传统建模方法，分子建模具有以下优点：

①石脑油加氢产物不再设定固定收率，通过CUT9切割及C4-C6组成分离，实现拔头油与重整料的准确分离。

②递归计算重整产物组成明细（氢气、干气、C3s、C4s、异构C5馏分、正构C5馏分、苯、甲苯、混合C8芳烃、C9芳烃、C10重芳烃、非芳），用于芳烃联合装置的组成传递和计算。

③重整油分离单元通过组成传递，实现按组成及分离效率分割产品。

④芳烃抽提、二甲苯分馏、PX吸附分离、碳八芳烃异构化和重芳烃塔单元利用组分含量的分配和传递，实现生产模拟。碳八芳烃异构化单元数据处理和模型搭建时，将碳八芳烃异构化热力学平衡及反应机理纳入模型，如果C8A四个同分异构体的转化率或产率数据缺失，可简化处理。

⑤甲苯歧化与烷基转移反应单元模型结构充分体现了歧化反应的特征，优化功能灵活，既可根据需要控制原料中甲苯/C9+A的配比，精准预测产品结构，也可根据市场中苯、对二甲苯、汽油价格差异的变化，以效益最大化为目标，优化选择原料中甲苯/C9+A的配比。

⑥BT塔单元模型结构体现组分传递和塔的分离效果，反映出原料组成变化对产品收率、产品组成的影响，预测结果准确、可靠。

(2)优化应用

通过精细化分子建模技术，模型的优化应用在原油采购优化、外购原料优化、装置负荷优化、物料流向优化、产品产量和结构优化、产品调合优化、装置检修优化和生产计划优化等常规应用方面不仅更加准确，而且通过模型运算开关控制优化内容更加灵活，这对企业生产经营部门的模型应用水平提高和生产计划编制都有了很多的指导意义。

3.结论

分子建模技术对装置工艺及反应机理的要求非常高，更加适用于化工装置的建模优化。建模思路和难度主要体现在单元拆分和数据处理方面，需要在模型搭建过程中采用“试错”的模式进行边建模边修正。模型复杂性给使用者提出了更高的要求，但其运算灵活性和准确度高的特点给企业生产带来的效益超越了传统模型。