應用BCM軟件優(yōu)化工業(yè)裂解爐的操作

杜志國，王國清，李 蔚，張利軍，張永剛

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

工業(yè)技術(shù)

應用BCM軟件優(yōu)化工業(yè)裂解爐的操作

杜志國，王國清，李 蔚，張利軍，張永剛

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

以石腦油為裂解原料，應用BCM軟件分析了工業(yè)裂解爐的操作條件（進料量、稀釋蒸汽與原料的質(zhì)量比（稀釋比）、爐管出口溫度（COT））對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響，討論了操作條件在工業(yè)裂解爐操作優(yōu)化中的作用。研究結(jié)果表明，在同一臺裂解爐上裂解相同的原料，在工業(yè)裂解爐正常操作范圍內(nèi)，進料量和稀釋比對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較小，COT對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較大，COT是影響裂解產(chǎn)物收率分布的關(guān)鍵因素。對于工業(yè)裂解爐的優(yōu)化操作，在保證每臺裂解爐各大組爐管進料量和稀釋比均勻分布的前提下，選擇合適的COT是提高乙烯、丙烯和丁二烯收率的關(guān)鍵。

工業(yè)裂解爐；乙烯；丙烯；丁二烯；操作優(yōu)化；BCM軟件

我國石油資源較少，50%以上的石油依賴進口。近年來，隨著石油價格的攀升，煉油企業(yè)為了削減生產(chǎn)成本，煉制的石油產(chǎn)地分布廣泛，造成煉油裝置生產(chǎn)的裂解原料的物性變化頻繁。因為我國乙烯裝置的原料主要來自于煉油裝置，所以這為工業(yè)裂解爐的操作優(yōu)化帶來了很大的困難。工業(yè)裂解爐的操作優(yōu)化主要集中在裂解原料優(yōu)化［1-3］、建模優(yōu)化［4-7］和先進控制［8］，而對操作條件對裂解爐的影響以及如何實現(xiàn)操作條件的優(yōu)化未進行詳細研究。在工業(yè)裂解爐操作條件中，影響裂解產(chǎn)物收率分布的因素主要為進料量、稀釋蒸汽與原料的質(zhì)量比（稀釋比）、爐管出口溫度（COT）和爐管出口壓力（COP）。COP通常由壓縮機入口壓力控制，在乙烯裝置正常生產(chǎn)操作中變化較小，它對裂解產(chǎn)物收率分布的影響通常可忽略。

中國石化北京化工研究院于20世紀60年代開始從事蒸汽裂解技術(shù)的開發(fā)和研究，以該研究院開發(fā)的蒸汽裂解技術(shù)為核心建設(shè)的CBL裂解爐廣泛應用于中國石化的乙烯裝置。BCM軟件是該研究院最新研發(fā)的一款用于工業(yè)裂解爐裂解產(chǎn)物收率模擬計算的軟件，具有可以模擬計算裂解產(chǎn)物收率以及進行裂解爐裂解產(chǎn)物收率最大化操作優(yōu)化的功能。

本工作采用BCM軟件分析了工業(yè)裂解爐的操作條件（進料量、稀釋比和COT）對裂解產(chǎn)物收率的影響，提出了實現(xiàn)工業(yè)裂解爐操作優(yōu)化的方法。

1 操作條件對裂解產(chǎn)物收率的影響

蒸汽裂解產(chǎn)物組分達上百種，以乙烯、丙烯和丁二烯（合稱三烯）3種組分為主，三烯收率達45%～60%。本工作選擇CBL-Ⅲ型裂解爐，爐管構(gòu)型為32組2-1型爐管，年產(chǎn)乙烯60 kt。CBL-Ⅲ型裂解爐的設(shè)計原料為石腦油或加氫尾油，本工作以石腦油為裂解原料，石腦油投油量為26 t/h，稀釋比為0.500，COT為838 ℃。石腦油的物性見表1。

表1 石腦油的物性Table 1 Properties of naphtha

1.1 進料量對收率的影響

工業(yè)裂解爐的運行負荷，即進料量為設(shè)計值的70%～110%，采用BCM軟件模擬計算進料量對裂解產(chǎn)物收率的影響，計算結(jié)果見圖1。

圖1 進料量對裂解產(chǎn)物收率的影響Fig.1 Effects of feed rate on the yields of cracking products.Operation conditions：coil outlet temperature(COT) 838 ℃，mass ratio of stream to oil(S/O) 0.500. Two olefins：ethylene and propylene；three olefins：ethylene，propylene and butadiene.Ethylene；Propylene；Butadiene；Two olefins；◆ Three olefins

從圖1可知，進料量從20 t/h增至28 t/h時，乙烯、丙烯、丁二烯、雙烯和三烯收率呈現(xiàn)以下規(guī)律：1）乙烯收率持續(xù)下降，由28.150%降至28.070%，差值為0.080%；2）丙烯收率持續(xù)增加，由14.395%增至14.556%，差值為0.161%；3）丁二烯收率持續(xù)下降，由4.349%降至4.320%，差值為0.029%；4）雙烯收率持續(xù)增加，由42.547%增至42.628%，差值為0.081%；5）三烯收率持續(xù)增加，由46.896%增至46.947%，差值為0.051%。

在工業(yè)裂解爐生產(chǎn)操作過程中，在稀釋比和COT不變的條件下，停留時間取決于進料量，進料量越大，停留時間越短，丙烯選擇性會略有增加，丙烯收率的增幅大于乙烯和丁二烯收率的減幅，因此雙烯和三烯收率略有增加。但從收率差值看，進料量對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響均較小。從圖1還可看出，隨進料量的增加，三烯收率的增幅逐漸減小并趨于某一恒定值。

1.2 稀釋比對收率的影響

在工業(yè)裂解爐生產(chǎn)操作中，以石腦油為原料進行蒸汽裂解的稀釋比的變化范圍通常為0.400～0.650。應用BCM軟件模擬計算不同稀釋比下裂解產(chǎn)物的收率，計算結(jié)果見圖2。從圖2可看出，在進料量和COT不變的條件下，稀釋比從0.400增至0.650，乙烯、丙烯、丁二烯、雙烯和三烯收率呈現(xiàn)以下規(guī)律：1）乙烯收率先增大后減小，在稀釋比為0.500時出現(xiàn)極大值，乙烯收率最大值為28.094%，最小值為28.041%，差值為0.053%；2）丙烯收率先減小后增大，在稀釋比為0.500時出現(xiàn)極小值，丙烯收率最大值為14.621%，最小值為14.525%，差值為0.096%；3）丁二烯收率先增大后減小，在稀釋比為0.450時出現(xiàn)極大值，丁二烯收率最大值為4.334%，最小值為4.287%，差值為0.047%；4）雙烯收率在稀釋比為0.450和0.600時出現(xiàn)了局部極大值，雙烯收率最大值為42.667%，最小值為42.605%，差值為0.062%；5）三烯收率在稀釋比為0.450和0.600時出現(xiàn)了局部極大值，三烯最大值為46.966%，最小值為46.931%，差值為0.035%。

圖2 稀釋比對裂解產(chǎn)物收率的影響Fig.2 Effects of S/O on the yields of the cracking products. Operation conditions：feed rate 26 t/h，COT 838 ℃.Ethylene；Propylene；Butadiene；Two olefins；◆ Three olefins

在工業(yè)裂解爐生產(chǎn)操作過程中，在進料量和COT不變的條件下，改變稀釋比，既影響停留時間又影響烴分壓，而停留時間和烴分壓對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響作用不同：稀釋比增大，烴分壓降低，乙烯和丁二烯的選擇性略有增加，丙烯選擇性則略有降低。對于乙烯和丙烯，在稀釋比小于0.500時，烴分壓的影響要大于停留時間的影響；而稀釋比大于0.500時，烴分壓的影響小于停留時間的影響。對于丁二烯，該稀釋比分界點為0.450。從收率差值看，稀釋比對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較小。

1.3 COT對收率的影響

采用BCM軟件模擬計算不同COT下裂解產(chǎn)物的收率，計算結(jié)果見圖3。

圖3 COT對裂解產(chǎn)物收率的影響Fig.3 Effect of COT on the yields of the cracking products. Operation conditions：feed rate 26 t/h，S/O 0.500.Ethylene；Propylene；Butadiene；Two olefins；Three olefins

從圖3可看出，在進料量和稀釋比不變的條件下，COT從780 ℃升至860 ℃，乙烯、丙烯、丁二烯、雙烯和三烯收率呈現(xiàn)以下規(guī)律：1）乙烯收率持續(xù)增大，最大為28.401%，最小為27.113%，差值為1.288%；2）丙烯收率先增大后減小，COT為810 ℃時丙烯收率最大，為14.744%，而丙烯收率最小為14.212%，差值為0.532%；3）丁二烯收率先增大后減小，COT為825 ℃時丁二烯收率最大，為4.347%，丁二烯收率最小為4.227%，差值為0.120%；4）雙烯收率先增大后減小，COT為847 ℃時雙烯收率最大，為42.652%，最小為41.801%，差值為0.851%；5）三烯收率先增大后減小，COT為841 ℃時三烯收率最大，為46.952%，最小為46.029%，差值為0.923%。

在工業(yè)裂解爐生產(chǎn)操作過程中，在進料量和稀釋比保持不變的條件下，除乙烯收率隨COT的升高而增大，丙烯、丁二烯、雙烯和三烯收率都出現(xiàn)一個極大值。從收率差值看，COT對乙烯、丙烯、丁二烯、雙烯和三烯收率的影響大于進料量和稀釋比。因此，對于工業(yè)裂解爐的操作優(yōu)化，選擇合適的COT是提高乙烯、丙烯、丁二烯、雙烯和三烯收率的關(guān)鍵。

2 工業(yè)裂解爐的優(yōu)化操作

一臺工業(yè)裂解爐通常由若干組爐管構(gòu)成，每組爐管由若干根爐管構(gòu)成。對于工業(yè)裂解爐的生產(chǎn)操作，從理論上講，要求均勻操作，即每根爐管的運行工況（進料量、稀釋比和COT）保持相同。而在實際生產(chǎn)過程中，由于受裝置及成本等限制，每臺工業(yè)裂解爐通常按照爐管的組數(shù)分配進料，每個大組的操作條件可能存在著一定的偏差。應用BCM軟件研究了每大組爐管的進料量和稀釋比對雙烯和三烯收率最大值對應的COT的影響。

2.1 進料量對雙烯和三烯收率優(yōu)化的影響

圖4 進料量對雙烯和三烯收率最大值對應的COT的影響Fig.4 Effects of feedstock rate on COT when the yields of the two olefins and three olefins were maximal. Operation condition：S/O 0.500.

應用BCM軟件模擬計算不同進料量對雙烯和三烯收率最大值對應的COT的影響，計算結(jié)果見圖4。從圖4可看出，雙烯和三烯收率最大值對應的COT隨進料量的增大而升高。進料量的增大使停留時間縮短，為了保持雙烯或三烯收率達到最大值，COT也隨之升高。計算結(jié)果表明，在工業(yè)裂解爐操作優(yōu)化過程中，盡量保持各大組進料量均勻，當各大組的進料量偏差小于5%時，雙烯和三烯收率最大值對應的COT的偏差會保持在1～2℃以內(nèi)，有利于工業(yè)裂解爐的長周期運行；而各大組進料量偏差越大，雙烯和三烯收率最大值對應的COT的偏差越大，導致工業(yè)裂解爐各大組爐管處于不同運行工況中，不利于工業(yè)裂解爐的長周期運行。

2.2 稀釋比對雙烯和三烯收率優(yōu)化的影響

應用BCM軟件模擬計算不同稀釋比對雙烯和三烯收率最大值對應的COT的影響，計算結(jié)果見圖5。

圖5 稀釋比對雙烯和三烯收率最大值對應的COT的影響Fig.5 Effect of S/O on COT when the yields of the two olefins and three olefins were maximal. Operation condition：feed rate 26 t/h.

由圖5可見，在進料量不變的條件下，雙烯和三烯收率最大值對應的COT隨稀釋比的增大而升高，稀釋比的增大使停留時間縮短和烴分壓減小，為保持裂解爐的雙烯和三烯收率達到最大值，COT也隨之升高，這充分體現(xiàn)了烴類蒸汽裂解“高溫、短停留時間、低分壓”的特點。在工業(yè)裂解爐的操作優(yōu)化過程中，在進料量均勻的條件下，盡量使各大組的蒸汽量均勻（即稀釋比均勻），這樣會使COT得到均勻控制，有利于工業(yè)裂解爐的長周期運行。

3 結(jié)果與討論

3.1 進料量的影響

在工業(yè)裂解爐的生產(chǎn)操作過程中，若進料量過大，工業(yè)裂解爐熱負荷過大，輻射段爐管外壁溫度較高使結(jié)焦速率加快，運行周期大幅縮短；若進料量低于設(shè)計值的70%，輻射段爐管中的物料會因停留時間過長而發(fā)生過度裂解現(xiàn)象，輻射段爐管內(nèi)結(jié)焦嚴重，也會導致裂解爐運行周期大幅縮短。進料量在很大程度上決定裂解爐停留時間的長短。盡管進料量對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較小，但它影響裂解爐的乙烯、丙烯和丁二烯的產(chǎn)量，從而直接影響乙烯裝置的經(jīng)濟效益。在工業(yè)裂解爐的操作優(yōu)化過程中，首先要根據(jù)乙烯裝置的實際狀況和市場對裂解產(chǎn)品的需求，選擇合適的進料量，并保持工業(yè)裂解爐各大組爐管進料量均勻分布。

3.2 稀釋比的影響

在工業(yè)裂解爐的生產(chǎn)操作過程中，稀釋比影響輻射段爐管的烴分壓和停留時間。在其他操作條件保持不變的情況下，增大稀釋比，輻射段爐管內(nèi)的烴分壓減小，停留時間縮短。此外，在蒸汽裂解條件下，輻射段爐管內(nèi)的蒸汽與焦炭發(fā)生水煤氣反應生成一氧化碳，稀釋比的增大有利于延長運行周期，但會產(chǎn)生更多的一氧化碳。雖然稀釋比對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較小，但稀釋比的增大勢必會消耗更多的熱量。因此，稀釋比是影響工業(yè)裂解爐運行周期和能耗的重要因素之一。在工業(yè)裂解爐操作優(yōu)化過程中，在進料量均勻的前提下，使稀釋蒸汽量保持均勻（即稀釋比保持均勻），會使優(yōu)化的COT保持均勻，有利于工業(yè)裂解爐的長周期運行。此外，在工業(yè)裂解爐正常生產(chǎn)操作過程中，應避免采用過大的稀釋比，乙烯、丙烯和丁二烯的收率不會因此而得到顯著提高，反而使裂解爐能耗和裂解產(chǎn)物中一氧化碳的含量提高，從而增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3.3 COT的影響

在工業(yè)裂解爐的生產(chǎn)操作過程中，COT是影響乙烯、丙烯和丁二烯收率的關(guān)鍵因素，也是影響工業(yè)裂解爐生產(chǎn)能力、運行周期和能耗的重要因素之一。在工業(yè)裂解爐的操作優(yōu)化過程中，在保持進料量、稀釋比均勻的前提下，選擇最佳的COT是關(guān)鍵所在。

4 結(jié)論

1）在稀釋比和COT不變的條件下，進料量對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較小，但它是工業(yè)裂解爐生產(chǎn)能力和運行周期的重要影響因素之一。

2）在進料量和COT不變的條件下，稀釋比對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較小，但它是工業(yè)裂解爐運行周期和能耗的重要影響因素之一。

3）在進料量和稀釋比不變的條件下，COT對乙烯、丙烯和丁二烯收率的影響較大，COT是工業(yè)裂解爐的產(chǎn)物收率、產(chǎn)量、運行周期和能耗的重要影響因素之一。

4）在工業(yè)裂解爐的生產(chǎn)操作優(yōu)化過程中，在保證裂解爐各大組爐管的進料量和稀釋比分布均勻的前提下，選擇合適的COT是提高乙烯、丙烯和丁二烯收率的關(guān)鍵。

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（編輯 王 萍）

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一種芳香族端氨基聚醚的合成方法

該專利涉及一種芳香族端氨基聚醚的合成方法。具體方法如下：二官能度聚醚多元醇在鈦酸四異丙酯催化劑存在下，溫度為240～260 ℃時，與對氨基苯甲酸甲酯進行酯交換反應。二官能度聚醚多元醇與對氨基苯甲酸甲酯的摩爾比為100∶（175～320），催化劑用量為原料總量的0.4‰（w）。該方法合成的端氨基聚醚具有相對分子質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、操作過程簡單的特點；反應轉(zhuǎn)化率較高，能達到60%以上。（ 中國石油化工股份有限公司）/CN 103342809 A，2013 - 10 - 09

Operation Optimization of Industrial Cracking Furnace Using BCM Software

Du Zhiguo，Wang Guoqing，Li Wei，Zhang Lijun，Zhang Yonggang
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

The effects of operating conditions，namely feed rate，mass ratio of stream to oil and coil outlet temperature(COT)，on the yields of ethylene，propylene and butadiene were analyzed with naphtha as the feedstock of industrial cracking furnaces by means of the BCM software. The functions of the operating conditions in the operation optimization of the industrial cracking furnaces were discussed. The results showed that，in the range of normal operating conditions with the same cracker and feedstock，the feed rate and mass ratio of stream to oil had a little of effects on the yields of ethylene，propylene and butadiene，but the effect of COT was large. In the operation optimization of the industrial cracking furnaces，under the conditions of the uniform distributions of both the feed rate and the ratio for every coil of the crackers，appropriate COT is the key for heightening the yields.

industrial cracking furnace；ethylene；propylene；butadiene；operation optimization；BCM software

1000 - 8144（2014）02 - 0191 - 05

TQ 221.21

A

2013 - 08 - 01；［修改稿日期］ 2013 - 11 - 11。

杜志國（1975—），男，河北省滄縣人，碩士，高級工程師，電話 010 - 59202763，電郵 duzg.bjhy@sinopec.com。