應用BCM模擬軟件對石腦油裂解爐進行價值優化

杜志國，王國清，李 蔚，張永剛，張利軍，周 叢

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

應用BCM模擬軟件對石腦油裂解爐進行價值優化

杜志國，王國清，李 蔚，張永剛，張利軍，周 叢

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

應用BCM模擬軟件分析了SRT-Ⅳ（HS）型石腦油裂解爐的操作條件（爐管出口溫度（COT）、進料量、稀釋蒸汽與原料的質量比（稀釋比））對裂解產物總價值的影響，同時研究了裂解產物價格波動對裂解產物總價值的影響。計算結果表明，石腦油裂解產物總價值分別隨COT的升高和稀釋比的增大出現局部極大值，并與進料量呈線性關系；當裂解產物價格發生變化時，裂解產物總價值及其達到最大時對應的COT也隨之變化；當某一裂解產物的價格高于其他裂解產物價格兩個數量級時，該裂解產物的收率與裂解產物總價值的變化規律相同。石腦油裂解爐的裂解產物總價值優化結果與裂解產物收率優化結果存在差異，應用BCM模擬軟件對工業裂解爐實施價值優化，有利于提高工業裂解爐裂解產物的總價值。

BCM模擬軟件；裂解爐；石腦油；產物價值；優化；乙烯

石油化工是我國國民經濟支柱產業之一，對促進國民經濟的發展具有重要作用。乙烯裝置是石油化工的龍頭裝置，而管式裂解爐是乙烯裝置的龍頭設備，故優化管式裂解爐的生產操作、提高低碳烯烴的收率，是乙烯工業長期研究的課題［1-8］。我國乙烯裝置的原料以石腦油為主，其次為加氫尾油和輕烴。因此，研究石腦油裂解爐的操作優化，對提高我國乙烯工業的競爭力具有重要意義。BCM模擬軟件是中國石化北京化工研究院最新研發的、用于工業裂解爐操作優化的軟件，具有裂解產物收率預測、裂解產物收率優化和價值優化等功能。受市場供需關系和國際原油價格波動的影響，管式裂解爐的裂解產物的價格不會恒定，而是隨之波動，市場供應量少而需求量大的裂解產物價格較高，而市場供應量大而需求量小的裂解產物價格較低，從而造成裂解產物總價值發生變化。

本工作應用BCM模擬軟件分析了SRT-Ⅳ（HS）型石腦油裂解爐的操作條件對裂解產物總價值的影響，同時研究了裂解產物的價格波動對裂解產物總價值的影響。

1 優化對象

以Lummus公司的SRT-Ⅳ（HS）型工業裂解爐為優化對象，該裂解爐采用8-1構型爐管，裂解原料為石腦油，設計進料量為19.341 t/h，稀釋蒸汽與原料的質量比（稀釋比）為0.5，爐管出口溫度（COT）為843 ℃，乙烯生產能力達40 kt/a。原料石腦油的物性見表1。SRT-Ⅳ（HS）型石腦油裂解爐的實際操作條件為：進料量15 t/h、稀釋比0.5、爐管出口壓力（COP）0.17 MPa、COT為838 ℃。

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

2 價值優化

在工業裂解爐實際運行過程中，影響裂解產物收率分布的主要因素有進料量、稀釋比、COT和COP。COP通常由壓縮機入口壓力控制，在乙烯裝置正常生產操作中變化較小，通常可忽略它對裂解產物收率分布的影響。采用BCM模擬軟件，根據裂解產物的價格和操作條件，可計算裂解產物總價值達到最大時的操作條件及總產值。依據表2所示的裂解產物價格，分別分析了進料量、稀釋比和COT對裂解產物總價值的影響。

2.1 COT對裂解產物總價值的影響

利用BCM模擬軟件計算COT對裂解產物總價值的影響，計算結果見圖1。由圖1可知，在石腦油物性、進料量和稀釋比不變的條件下，裂解產物總價值隨COT的升高出現了一個局部極大值。對于工業裂解爐的生產操作，選擇合適的COT是提高裂解產物總價值的關鍵因素之一。

表2 裂解產物的價格Table 2 Prices of pyrolysis products

圖1 COT對裂解產物總值的影響Fig.1 Effect of COT on the total value of the pyrolysis products.

2.2 進料量對裂解產物總價值的影響

利用BCM模擬軟件計算進料量對裂解產物總價值的影響，計算結果見圖2。由圖2可知，進料量與裂解產物總價值呈線性關系。

圖2 進料量對裂解產物總價值的影響Fig.2 Effect of feeding rate on the total value of the pyrolysis products.

2.3 稀釋比對裂解產物總價值的影響

利用BCM模擬軟件計算稀釋比對裂解產物總價值的影響，計算結果見圖3。由圖3可見，隨稀釋比的增大，裂解產物總價值先增大后減小，出現局部極大值。因此，對于裂解產物總價值，工業裂解爐的稀釋比并非越大越好，也并非越小越好，稀釋比存在一個最佳值，使裂解產物的總價值達到最大。

圖3 稀釋比對裂解產物總價值的影響Fig.3 Effect of S/O on the total value of the pyrolysis products.

3 操作優化

3.1 裂解產物價格對操作的影響

為了研究裂解產物的價格波動對裂解爐操作的影響，分析了4種不同裂解產物價格（見表3）對裂解爐操作的影響，模擬計算結果見圖4。

由圖4可知：1）在價格1下，裂解產物總價值最大時的COT為828 ℃，裂解產物總價值變化范圍為112 960.5～116 792.5 元/h；2）在價格2下，裂解產物總價值最大時的COT為857 ℃，裂解產物總價值的變化范圍為51 710.2～52 814.8 元/h；3）在價格3下，裂解產物總價值最大時的COT為839 ℃，裂解產物總價值變化范圍為84 465.2～86 741.0 元/h；4）在價格4下，裂解產物總價值最大時的COT為864 ℃，裂解產物總價值變化范圍為62 684.6～64 525.3 元/h。

由圖4還可看出，裂解產物價格的波動對石腦油裂解爐生產的裂解產物總價值造成較大的影響，即使裂解爐型、石腦油的性質、進料量、稀釋比和COP完全相同，不同的裂解產物價格也會使裂解產物總價值存在較大的差異，裂解產物總價值最大可達116 792.5 元/h，最小為51 710.2 元/h；而裂解產物總價值達到最大時對應的COT也出現較大的差異，COT最高為864 ℃，最低為828 ℃。裂解產物的價格不但對石腦油裂解爐的操作優化影響較大，而且對生產企業經濟效益的影響也較大，故裂解產物價格是影響石腦油裂解爐操作的重要因素之一。石腦油工業裂解爐的操作優化必須根據裂解產物市場價格的波動進行相應的調整，才會獲得較高的經濟效益。

表3 不同的裂解產物價格Table 3 Different prices of the pyrolysis products

圖4 不同的裂解產物價格對裂解爐操作的影響Fig.4 Effects of the product prices on the operation of cracking furnace.

在裂解產物價格體系中，若某一裂解產物的價格逐漸升高，當其價格高于其他裂解產物價格兩個數量級以上時，該裂解產物的收率與裂解產物總價值的變化規律相同（見圖5，以丙烷為例）。但在實際生產操作過程中，這種現象并不存在。

圖5 丙烷收率與裂解產物總價值的變化規律Fig.5 Changes of the propane yield and total product value with COT.

3.2 不同目標下的操作優化

利用BCM模擬軟件同時計算產物收率和總價值最大時的COT，計算結果見表4。

表4 不同目標下的操作優化結果Table 4 Operation optimization results for different targets

由表4可見，以裂解產物收率最大為目標的操作優化方法與以裂解產物總價值最大為目標的操作優化方法存在一定的差異，采用裂解產物收率最大為目標的優化方法勢必會降低裂解爐的總產值。

4 結論

1）在裂解爐型號、石腦油物性、裂解產物價格和其他操作條件保持不變的條件下，裂解產物總價值隨COT的升高和稀釋比的增大出現局部極大值，并與進料量呈線性關系。

2）應用BCM模擬軟件對工業裂解爐的生產操作實施價值優化，為工業裂解爐的操作優化提供技術支持和指導，有利于提高工業裂解爐裂解產物的總價值。

［1］van Goethem M W M，Barendregt S，Grievink J，et al. Model-Based Themo-Physical Optimization for High Olefin Yield in Steam Cracking Reactors［J］. Chem Eng Res Des，2010，88（10）：1305 - 1319.

［2］Gubitoso F，Pinto J M. A Planning Model for the Optimal Production of a Real-World Ethylene Plant［J］. Chem Eng Process，2007，46（11）：1141 - 1150.

［3］Nabavi S R，Rangaiah G P，Niaei A，et al. Multiobjective Optimization of an Industrial LPG Thermal Cracker Using a First Principles Model［J］. Ind Eng Chem Res，2009，48（21）：9523 - 9533.

［4］Masoumia M E，Sadramelia S M，Towfighia J，et al. Simulation，Optimization and Control of a Thermal Cracking Furnace［J］. Energy，2006，31（4）：516 - 527.

［5］van Goethem M W M，Barendregt S，Grievink J，et al. Towards Synthesis of an Optimal Thermal Cracking Reactor［J］. Chem Eng Res Des，2008，86（7）：703 - 712.

［6］Herink T，Belohlav Z，Zamotny P，et al. Application of Hydrocarbon Cracking Experiments to Ethylene Unit Control and Optimization［J］. Petroleum Chem，2006，46（4）：237 - 245.

［7］謝國學. 從乙烯原料油的平衡論裂解爐的優化操作與配置［J］. 石化技術，1999，6（1）：1 - 6.

［8］楊友麒. 乙烯工廠的模擬、先進控制及實施優化［J］. 石油化工，1999，28（11）：788 - 793.

（編輯 王 萍）

Optimization of Naphtha Cracking Furnace Operation for High Product Values by BCM Software

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

The effects of SRT-Ⅳ(HS) naphtha cracking furnace operation conditions，including coil outlet temperature(COT)，feeding rate and mass ratio of steam to oil(S/O)，on the total value of pyrolysis products were investigated by means of the BCM software. The effects of the fluctuations of the pyrolysis product prices on the total value were also studied. The results showed that the local maximum of the total value appeared when COT and S/O increased，and the total values varied linearly with the feeding rate. When the pyrolysis product prices change，their total value and COT at the local maximum also change. When the price of a pyrolysis product is two orders of magnitude more than the prices of the other products，the change regulation of the total value is the same as that of the yields of the pyrolysis products. There is significant difference between the value optimization result and the product yield optimization result.

BCM software；cracking furnace；naphtha；product value；optimization；ethylene

1000 - 8144（2014）03 - 0316 - 04

TQ 221.21

A

2013 - 07 - 16；［修改稿日期］2013 - 11 - 29。

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。