一種用于渣油延遲焦化過程的建模和優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于渣油延遲焦化過程的建模和優(yōu)化方法，基于集總理論建模方法，將原料分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)四個(gè)集總，產(chǎn)品分為氣體、液化氣、汽油、柴油、蠟油和焦炭六個(gè)集總，考慮反應(yīng)過程的壓力和溫度穩(wěn)定不變，建立延遲焦化集總動(dòng)力學(xué)模型，并且基于該模型采用差分進(jìn)化算法對(duì)多套延遲焦化裝置的原料配置、操作溫度進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)揮了現(xiàn)有裝置的潛能，提高整體效益，為提高延遲焦化裝置運(yùn)行水平提供指導(dǎo)。
【專利說明】
一種用于渣油延遲焦化過程的建模和優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于渣油延遲焦化過程建模和優(yōu)化方法，該方法可用于工業(yè)延遲 焦化過程模擬仿真和操作優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002] 渣油是原油中最重的餾分，一般初餾點(diǎn)在500°C以上。隨著國內(nèi)原油重質(zhì)化、劣質(zhì) 化情況越來越嚴(yán)重，如何更好地利用現(xiàn)有的渣油加工裝置提升企業(yè)效益成為當(dāng)前煉化企業(yè) 亟需解決的問題。目前渣油加工裝置主要有渣油加氫、溶劑脫瀝青和延遲焦化。其中延遲焦 化具有工藝簡單、操作成本低等特點(diǎn)，是目前渣油處理的主流工藝。
[0003] 延遲焦化采用熱裂解的方法，將渣油、脫油瀝青、污油等重油轉(zhuǎn)化為干氣、液化氣、 汽油、柴油、蠟油和焦炭，增加煉油裝置整體液收，提高綜合效益。圖1是典型的延遲焦化流 程圖，原料油先進(jìn)入分餾塔底部，吸收塔釜再沸器熱量后抽出，送至加熱爐進(jìn)一步加熱至反 應(yīng)溫度，高溫油氣經(jīng)過三通閥進(jìn)入焦炭塔進(jìn)行裂解反應(yīng)，生成輕質(zhì)油和焦炭等，反應(yīng)產(chǎn)物再 返回至分餾塔，從側(cè)線抽出各個(gè)產(chǎn)品。
[0004] 在渣油延遲焦化裝置的實(shí)際工況操作中，技術(shù)人員主要關(guān)注如何根據(jù)原料性質(zhì)確 定合適的操作條件，使裝置的液體收率達(dá)到最大，提高經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于具有多套延遲焦化裝 置的企業(yè)，還需考慮原料如何根據(jù)裝置特性進(jìn)行配置。然而延遲焦化反應(yīng)過程機(jī)理復(fù)雜，操 作變量多且耦合性強(qiáng)，很難對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析，因此一直以來就缺乏較為有效的方法來 為實(shí)際工況確定原料配置以及操作條件。
[0005] 目前，許多學(xué)者基于集總理論對(duì)煉油過程中的反應(yīng)單元開展了部分建模與操作優(yōu) 化的研究，如連續(xù)重整、催化裂化、加氫裂化等。延遲焦化也有集總相關(guān)的理論研究，最具代 表性的為11集總動(dòng)力學(xué)模型。由于該模型對(duì)原料劃分較細(xì)，工業(yè)上往往難以提供相應(yīng)數(shù)據(jù)， 對(duì)模型的實(shí)際應(yīng)用帶來較大的局限性。針對(duì)上述問題，本專利提出一種簡化的延遲焦化建 模方法，并結(jié)合差分進(jìn)化算法，將該模型應(yīng)用于原料和操作條件優(yōu)化，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工況的操 作具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于渣油延遲焦化過程建模和優(yōu)化的方 法，此發(fā)明基于集總理論，針對(duì)工業(yè)延遲焦化裝置建模，結(jié)合差分進(jìn)化算法對(duì)原料和工藝操 作條件進(jìn)行優(yōu)化，用于指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)操作。
[0007] 本發(fā)明的特點(diǎn)如下：
[0008] 1.集總劃分以工業(yè)分析數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)建的集總模型能夠準(zhǔn)確反映工業(yè)延遲焦化 裝置的原料性質(zhì)以及操作溫度變化對(duì)主要產(chǎn)品收率的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化提供良好的模型 基礎(chǔ)。
[0009] 2.具有完善的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)體系，能夠從裂解反應(yīng)機(jī)理上描述不同原料組分對(duì)產(chǎn)品 收率的貢獻(xiàn)，并計(jì)算得到延遲焦化反應(yīng)過程各組分濃度沿停留時(shí)間的分布。
[0010] 3.優(yōu)化采用的差分進(jìn)化算法相較于普通算法，不僅在收斂性上具有優(yōu)越性，而且 求解時(shí)間也比較短。
[0011]根據(jù)上述特點(diǎn)，對(duì)渣油延遲焦化過程進(jìn)行建模和優(yōu)化。首先，基于集總理論，根據(jù) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，建立了完全符合工業(yè)延遲焦化實(shí)際過程的機(jī)理模型，精確描述反應(yīng)器內(nèi) 集總組分分布和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率。其次，基于建立的動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型，采用差分進(jìn)化優(yōu)化算法， 對(duì)多套延遲焦化裝置的原料配置、操作溫度進(jìn)行優(yōu)化，為提高延遲焦化裝置運(yùn)行水平提供 指導(dǎo)。
[0012] 具體技術(shù)方案如下：
[0013] -種用于渣油延遲焦化過程的建模和優(yōu)化方法，包括如下步驟：
[0014] 步驟1:根據(jù)工業(yè)延遲焦化裝置確定特定溫度和壓力下的參數(shù)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)以及 操作參數(shù)，并確定延遲焦化的集總劃分方法；
[0015] 步驟2:確定延遲焦化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)及反應(yīng)速率方程；
[0016] 步驟3:延遲焦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的求解；
[0017]步驟4:基于實(shí)際工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)校正延遲焦化集總動(dòng)力學(xué)參數(shù)；
[0018]步驟5:確定優(yōu)化策略；
[0019] 步驟6:優(yōu)化計(jì)算。
[0020] 所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括反應(yīng)器長度和直徑。
[0021 ]所述操作參數(shù)包括流量和切換時(shí)間。
[0022]所述集總劃分方法為:將原料分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)四個(gè)集總，產(chǎn)品 分為氣體、液化氣、汽油、柴油、蠟油和焦炭六個(gè)集總。
[0023]所述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要包括:反應(yīng)活化能和指前因子。
[0024] 所述反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為反應(yīng)物和產(chǎn)物集總之間的轉(zhuǎn)化路徑，假定產(chǎn)品集總之間互不轉(zhuǎn) 化，共計(jì)二十三個(gè)反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)采用阿倫尼烏斯公式進(jìn)行計(jì)算，各產(chǎn)品反應(yīng)速率方程 如下：
[0025] 氣體：dXG/dt = ksGXS+kAGXA+kRGXR+kBGXB
[0026] 液化氣：da/dt = ksLXs+kALXA+kRLXR+kBLXB
[0027] 汽油：dXN/dt = ksNXS+kANXA+kRNXR+kBNXB
[0028] 柴油：dXD/dt = ksDXS+kADXA+kRDXR+kBDXB
[0029] 錯(cuò)油：dxv/dt = ksvxs+kAvxA+kRvxR+kBVXB
[0030] 焦炭：dxc/dt = kAcxA+kRcxR+kBCXB
[0031] 所述優(yōu)化策略為:針對(duì)焦化原料選擇以及操作溫度的優(yōu)化問題進(jìn)行求解和分析。
[0032] 所述優(yōu)化計(jì)算的過程中，決策變量的范圍來源于工藝設(shè)計(jì)規(guī)定，目標(biāo)函數(shù)為產(chǎn)品 效益最大化。
[0033] 所述優(yōu)化計(jì)算采用差分進(jìn)化算法。
[0034]本發(fā)明的有益效果如下：
[0035] 1.采用集總理論對(duì)延遲焦化裝置進(jìn)行模擬，集總劃分以工業(yè)可獲得的分析信息為 依據(jù)，結(jié)果表明，10集總動(dòng)力學(xué)模型能精確描述實(shí)際反應(yīng)過程，模型輸入條件完全能從工業(yè) 現(xiàn)場獲得；
[0036] 2.針對(duì)渣油延遲焦化反應(yīng)過程變量多，約束多等特點(diǎn)，應(yīng)用差分進(jìn)化算法進(jìn)行優(yōu) 化可快速，準(zhǔn)確獲得全局最優(yōu)點(diǎn)，在優(yōu)化過程中表現(xiàn)了較好的優(yōu)化效果；
[0037] 3.基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合裝置加工量、反應(yīng)溫度等約束，獲得最佳原料配置和 反應(yīng)器操作溫度，指導(dǎo)實(shí)際工況選擇最優(yōu)操作點(diǎn)。
[0038] 4、本方法適應(yīng)性較為廣泛，可用于模擬和優(yōu)化具有不同負(fù)荷及進(jìn)料性質(zhì)要求的延 遲焦化工業(yè)反應(yīng)器。
【附圖說明】
[0039]圖1是工業(yè)延遲焦化流程示意圖；
[0040] 圖2是10集總反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面，用實(shí)施例來進(jìn)一步說明本
【發(fā)明內(nèi)容】
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于實(shí)施 例。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神和保護(hù)范圍的情況下做出的其它的變化和修 改，仍包括在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0042] 基于延遲焦化實(shí)際工況，開發(fā)10集總機(jī)理模型，并基于該模型將差分進(jìn)化優(yōu)化算 法用于渣油延遲焦化原料配置以及操作溫度優(yōu)化過程，根據(jù)實(shí)際工況要求，選擇最優(yōu)操作 點(diǎn)。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 本實(shí)施例包括以下步驟：
[0045] 1、根據(jù)工業(yè)延遲焦化裝置確定特定溫度和壓力下的參數(shù):包括設(shè)計(jì)參數(shù)(反應(yīng)器 長度、直徑）以及操作參數(shù)(流量、切換時(shí)間等），并根據(jù)集總理論，將原料劃分為四個(gè)集總， 產(chǎn)品劃分為6個(gè)集總；
[0046] 2、確定延遲焦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型
[0047]采用集總理論，考慮反應(yīng)過程的壓力和溫度穩(wěn)定不變，建立延遲焦化集總動(dòng)力學(xué) 模型，速率常數(shù)通過阿侖尼烏斯方程進(jìn)行計(jì)算，將反應(yīng)器近似為管式反應(yīng)器，不考慮反應(yīng)器 的徑向擴(kuò)散，產(chǎn)物反應(yīng)速率方程如下：
[0048] 氣體：dXG/dt = ksGXS+kAGXA+kRGXR+kBGXB
[0049] 液化氣：da/dt = ksLXs+kALXA+kRLXR+kBLXB
[0050] 汽油：dXN/dt = ksNXS+kANXA+kRNXR+kBNXB [0051 ]柴油：dXD/dt = ksDXS+kADXA+kRDXR+kBDXB
[0052] 錯(cuò)油：dxv/dt = ksvxs+kAvxA+kRvxR+kBVXB
[0053] 焦炭：dxc/dt = kAcxA+kRcxR+kBCXB
[0054] 3、延遲焦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型求解;根據(jù)延遲焦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合裝置參數(shù)， 對(duì)模型輸出進(jìn)行求解，模擬延遲焦化產(chǎn)品收率；
[0055] 4、基于實(shí)際工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)校正延遲焦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
[0056] 根據(jù)10集總反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，延遲焦化過程涉及23個(gè)反應(yīng)，因此需校核的動(dòng)力學(xué)因子包 含23個(gè)活化能和23個(gè)指前因子。整個(gè)校核過程需要使用10套工業(yè)數(shù)據(jù)，包含進(jìn)料條件、反應(yīng) 溫度和產(chǎn)物收率。本發(fā)明收集了近6個(gè)月內(nèi)不同工況條件下的裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室分析 數(shù)據(jù)，如不同裝置負(fù)荷，操作條件和產(chǎn)品方案等。所選的數(shù)據(jù)中，進(jìn)料性質(zhì)變化范圍較寬(飽 和分：11~22%;芳烴分:41~57%;膠質(zhì)：18~33%;瀝青質(zhì)：5~13%)。
[0057]參數(shù)校核實(shí)際為優(yōu)化過程。通過自動(dòng)調(diào)整46個(gè)動(dòng)力學(xué)因子，使反應(yīng)器出口實(shí)際值 和計(jì)算值間的偏差最小化。自動(dòng)調(diào)整過程中使用差分進(jìn)化算法進(jìn)行計(jì)算。預(yù)測(cè)后的數(shù)據(jù)偏 差如表1所示。模型對(duì)汽油、柴油、蠟油和焦炭的預(yù)測(cè)偏差分別為1.33%，1.65%，1.79%和 1.49%。結(jié)果表明模型能準(zhǔn)確描述實(shí)際工業(yè)過程。
[0058] 表1
[0059]
[0060] 5、確定優(yōu)化策略
[0061 ]國內(nèi)諸多煉廠加工的原油都偏重，大部分原油的API值在21~28之間，因此每個(gè)煉 油廠都基本配備了能力較大的延遲焦化等渣油處理裝置。隨著國內(nèi)煉廠裝置規(guī)模越來越 大，同系列的裝置均配置了多套，因此，每套延遲焦化的原料渣油來源有多處，同樣每個(gè)減 壓塔渣油也可去不同的延遲焦化反應(yīng)器。如何根據(jù)不同的渣油原料性質(zhì)，同時(shí)考慮裝置的 反應(yīng)特性，選擇原料去向，合理配置原料以及調(diào)整相應(yīng)反應(yīng)溫度，是延遲焦化裝置降本增效 的關(guān)鍵。此外，結(jié)合模型進(jìn)行優(yōu)化之前還需對(duì)決策變量的約束條件進(jìn)行選擇，決策變量的篩 選是根據(jù)工業(yè)實(shí)際情況分析得來，其對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響程度較于其他變量更大;約束 條件是根據(jù)反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)條件以及裝置實(shí)際條件限制進(jìn)行確定。
[0062]本實(shí)施例中選擇的優(yōu)化對(duì)象包含三套延遲焦化反應(yīng)器。原料渣油根據(jù)加工的原油 種類不同具有兩種選擇。其中第一種渣油（1#渣油）的飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的質(zhì)量 百分含量分別為15.6%，46.08%，32.69 %和5.63%，對(duì)于第二種，四組份濃度分別為 13.85%，56.55 %，18.62 %和10.98 %。各個(gè)反應(yīng)器的當(dāng)前原料分布以及反應(yīng)器進(jìn)料溫度如 表2所示。
[0063] 表 2
[0064]
[0065] 注:A: B*表示1 #渣油與2#渣油的質(zhì)量流量之比。
[0066] 6、優(yōu)化計(jì)算
[0067] 本實(shí)施例將差分進(jìn)化算法應(yīng)用到渣油延遲焦化過程原料配置和操作溫度優(yōu)化過 程中，其計(jì)算步驟如下：
[0068] 1.針對(duì)本實(shí)施案例的要求，確定優(yōu)化目標(biāo)為:產(chǎn)品效益最大化。
[0069] 2.根據(jù)延遲焦化原料以及裝置工藝條件約束，選定各個(gè)反應(yīng)器進(jìn)料配置(XI :X2， Y1: Y2，Z1: Z2)、各反應(yīng)器溫度為決策變量，其余操作條件為固定變量，各決策變量的范圍依 據(jù)工藝設(shè)計(jì)情況而定，其中1#，2#和3#反應(yīng)器負(fù)荷約束分別為70~100t/h，35~50t/h和70 ~100t/h，反應(yīng)溫度為480攝氏度到510攝氏度。
[0070] 3.在此優(yōu)化過程中，設(shè)定種群規(guī)模為50,最大迭代次數(shù)為400。
[0071]表2中顯示了優(yōu)化后的原料配置和操作參數(shù)。表3中顯示了優(yōu)化前后產(chǎn)品效益對(duì) 比。
[0072] 表 3
[0073]
[0074] 從表2和表3中可以看到，兩種渣油原料混合進(jìn)料有利于提高石腦油和柴油收率， 降低蠟油收率，增加整體產(chǎn)品效益。優(yōu)化原料的同時(shí)，反應(yīng)溫度也需調(diào)整，其中1#反應(yīng)器降 低3度，2#和3#反應(yīng)器分別提高2度和5度。優(yōu)化后產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益提升3820元/h。
[0075] 基于以上步驟建立的模型和優(yōu)化方法可應(yīng)用于工業(yè)延遲焦化反應(yīng)過程模擬仿真 以及操作條件優(yōu)化，提高操作運(yùn)行水平。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于渣油延遲焦化過程的建模和優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1:根據(jù)工業(yè)延遲焦化裝置確定特定溫度和壓力下的參數(shù)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)以及操作 參數(shù)，并確定延遲焦化的集總劃分方法； 步驟2:確定延遲焦化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)及反應(yīng)速率方程； 步驟3:延遲焦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的求解； 步驟4:基于實(shí)際工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)校正延遲焦化集總動(dòng)力學(xué)參數(shù)； 步驟5:確定優(yōu)化策略； 步驟6:優(yōu)化計(jì)算。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括反應(yīng)器長度和直 徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述操作參數(shù)包括流量和切換時(shí) 間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述集總劃分方法為：將原料分為 飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)四個(gè)集總，產(chǎn)品分為氣體、液化氣、汽油、柴油、蠟油和焦炭六 個(gè)集總。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要包括:反 應(yīng)活化能和指前因子。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為反應(yīng)物和產(chǎn)物集總 之間的轉(zhuǎn)化路徑，假定產(chǎn)品集總之間互不轉(zhuǎn)化，共計(jì)二十三個(gè)反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)采用阿倫 尼烏斯公式進(jìn)行計(jì)算，各產(chǎn)品反應(yīng)速率方程如下： 氣體：dxc/dt = ksGXS+kAGXA+kRGXR+kBGXB '液化氣：dXL/dt = ksLXS+kALXA+kRLXR+kBLXB 汽油：dXN/dt = ksNXS+kANXA+kRNXR+kBNXB 柴油：dXD/dt = ksDXS+kADXA+kRDXR+kBDXB 錯(cuò)油：dxv/dt = ksvxs+kAvxA+kRvxR+kBvxB 焦炭：dxc/dt = kACXA+kRCXR+kBCXB 〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述優(yōu)化策略為:針對(duì)焦化原料選 擇以及操作溫度的優(yōu)化問題進(jìn)行求解和分析。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述優(yōu)化計(jì)算的過程中，決策變量 的范圍來源于工藝設(shè)計(jì)規(guī)定，目標(biāo)函數(shù)為產(chǎn)品效益最大化。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模和方法，其特征在于，所述優(yōu)化計(jì)算采用差分進(jìn)化算法。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105975685SQ201610288413
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】錢鋒, 楊明磊, 杜文莉, 鐘偉民
【申請(qǐng)人】華東理工大學(xué)