加氫裂化工藝操作過程的優化分析

楊東奎，王 闊，王繼鋒

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.中國石化撫順石油化工研究院)

加氫裂化工藝操作過程的優化分析

楊東奎，王 闊2，王繼鋒2

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.中國石化撫順石油化工研究院)

通過樣條曲線插值的數學方法，建立了加氫裂化反應過程中的處理量、溫度對裂化產品物化性質影響的數值模型，并將該模型應用于減壓蠟油(VGO)的加氫裂化工藝優化分析。該優化問題以VGO加氫裂化反應的處理量和溫度為變量，以產品中噴氣燃料餾分的煙點、冰點，柴油餾分收率以及中油選擇性作為約束條件，考察在上述約束條件下工藝操作參數的可行區間，并在此相關條件約束下，基于所確立的數學模型計算相關轉化率的最小值，以便獲得系統高產尾油時的工藝操作參數，并與實驗數據進行對比。對比結果表明，該方法效果良好，所得數據與實驗數據相近。

加氫裂化 工藝參數 樣條曲線 優化分析 減壓蠟油 約束條件

工藝運轉評價對催化劑的開發以及相關催化反應過程的評估與優化有著不可替代的作用，是催化劑研發的必要組成部分，因此，研究人員對此進行了大量的研究，并取得了一定的成果[1-2]。然而，由于催化工業過程極其復雜，目前對于工藝運轉試驗的設計以及運轉數據的后處理仍然存在很大的局限性，具體表現在：現階段的工藝評價對于各類油品參數與各類工藝條件的“綜合”依賴關系幾乎沒有一個較為全面的定量認識；對于實驗所采集的數據缺乏必要而有效的處理，在已有數據與各類工藝條件的關聯以及已有數據自身關聯性的有效挖掘方面所做的工作更少；對于各類催化劑的相關工藝所做的優化工作多停留在“經驗階段”，沒有必要的黑箱[3]唯象理論和算法予以支持。

現階段對于加氫裂化工藝優化問題的研究仍面臨相當大的困難。首先，要確立一種較為準確的成品油性能與運轉工藝條件的高維顯式函數關系十分困難。傳統的函數確立方法是最小二乘法[4]，然而，該方法必須首先確立相關函數的結構，再根據已確立的函數結構使用參數估計的方法計算相關函數的參數，其中最為困難的部分是函數結構的確立，而文獻報道大多為函數結構優先確立的情況[5]。其次，成品油性能對運轉工藝條件的函數屬于多參數函數模型，其數據空間呈現超曲面性狀，往往超出人們的想象能力，這更為函數表達式的合理選擇增加了難度。另外，即使相對準確地確立了所需的各類近似描述工藝過程的函數，各類函數的自身復雜性也對傳統的最優化方法提出了巨大的挑戰[6]，現實中的優化體系往往具有極大的非凸性和極強的非線性特征[7]，這也為優化問題的數學求解帶來阻力。

為了避開傳統數學方法解決實際問題的不足，本研究采用樣條曲線的數學方法，并基于具體實驗數據，采用分片插值的方法來描述特定催化劑作用下減壓蠟油(VGO)標準原料油加氫裂化的工藝優化問題。

1 實 驗

實驗在60 mL小型加氫裝置上進行。原料為伊朗VGO，按照實驗設計的需要不斷調整實驗溫度及處理量，且在不同工藝條件下采集產品。產品以小于82 ℃餾分為輕石腦油餾分、82～132 ℃餾分作為重石腦油餾分、132～282 ℃餾分作為噴氣燃料餾分、282～370 ℃餾分作為柴油餾分、大于370 ℃餾分作為尾油餾分，并以噴氣燃料和柴油餾分的加和作為中油餾分。通過對餾分切割數據的采集以及對采集的實驗數據進行數值樣條插值計算，即可獲得各餾分的含量。

2 數值模型的建立

Matlab工具包中的griddata函數[8]可以將位于同一空間坐標系下的散點插值為規則格網，并提供包括基于Delaunay三角形的線性插值、三次多項式插值及最近點插值等數值方法，可以方便地實現結合鄰近離散點分布特征的光滑曲面擬合。

本研究只有溫度和處理量兩個變量參數，可以采用二元樣條函數來處理。樣條函數[9]是滿足一定連續條件的分片插值多項式，具有簡單性和協調性的優點，可利用meshgrid函數在二維空間內將溫度、處理量的實驗數據張成一個四邊形格網，然后在這些格網內做三角剖分，在三角形內部采用面積坐標計算相關油品性質，再將相同油品性質對應的工藝操作點連接成線，即為操作條件等勢線。根據此方法可分別做出輕石腦油收率、重石腦油收率、柴油收率、轉化率等的等勢線。

通過編寫Matlab命令文件，即可在Matlab環境下實現相關計算，并通過Matlab的圖形可視化功能，得到所需的數值模型。

3 結果與討論

3.1 生成油特征參數的計算與收集

分別將不同加氫裂化工藝條件下得到的生成油采用5 L實沸點蒸餾裝置進行餾分切割，所得結果見表1。由表1可見，裂化反應轉化率與中油選擇性之間存在著此消彼長的關系。

表1 部分生成油的餾分切割數據

3.2 生成油特征參數對工藝條件的等勢線圖繪制

分別將表1中的生成油切割數據對加氫裂化工藝條件(包括溫度和處理量)做二維等勢線圖，結果見圖1。由圖1可見：原料轉化率隨溫度的增加和處理量的降低而增加；產品的中油選擇性隨溫度的增加及處理量的降低而降低，其變化趨勢與轉化率相反；產品中輕、重石腦油餾分收率隨溫度的增加和處理量的降低而增加，其增加速率在處理量較低時受溫度的影響較為顯著。產品中柴油餾分收率隨溫度的增加而降低，但隨處理量的增加而先增加后降低，這是因為在較低的反應溫度下原料油裂化生成柴油餾分的反應要比柴油餾分進一步生成其它餾分的反應更容易，而提高反應溫度則加劇了柴油的二次裂化反應，致使柴油餾分更多地裂解為噴氣燃料或更輕的餾分，故其收率有所降低[10]；當處理量較低時，尾油餾分裂解為柴油餾分的速率大于柴油餾分裂解的速率，以至于柴油餾分累計增加；當處理量較高時，尾油餾分裂解為柴油餾分的速率小于柴油餾分裂解的速率，從而使柴油餾分逐漸減少。產品中的噴氣燃料餾分收率變化較為復雜，當處理量較高時，產品中的尾油和柴油餾分含量較高，可以不斷轉化為噴氣燃料餾分，且其轉化速率大于噴氣燃料的裂解速率，故隨溫度的增加，噴氣燃料收率不斷增加；而當處理量較低時，產品中的尾油和柴油餾分含量較低，已經無法提供足夠的餾分來轉化為噴氣燃料餾分，與此同時，噴氣燃料的裂解速率卻隨著溫度的增加而增加，這就導致噴氣燃料收率隨溫度增加而先增加后減小。絕大多數生成油餾分的收率均表現出與裂化反應工藝條件較強的非線性依賴關系。

3.3 噴氣燃料餾分特征參數對相關工藝條件的等勢線圖繪制

依據噴氣燃料數據分別將噴氣燃料餾分的冰點、煙點、萘系烴含量、芳烴含量對加氫裂化工藝條件做二維等勢線圖，結果見圖2。由圖2可見：噴氣燃料產品的冰點近似隨反應溫度的增加而降低，隨處理量的降低而增加，但當處理量較大時，其隨處理量變化不大，故在高溫和低處理量的工況條件下生產的噴氣燃料低溫性能較好；噴氣燃料的煙點和芳烴含量隨反應溫度的增加分別增加和降低，隨處理量的增加分別降低和增加，但當處理量較大時，兩種性質變化卻不大；噴氣燃料煙點及芳烴含量對工藝條件等勢線的變化形態較為相似，但其數量的變化卻呈近似相反的規律，這可能是由于煙點的變化反映噴氣燃料燃燒積炭傾向的變化趨勢，噴氣燃料中芳烴含量越高，煙點就越低；噴氣燃料的萘系烴含量隨反應溫度的增加而降低，但隨處理量的增加呈先增加后降低的趨勢，在處理量較低時，其變化趨勢完全類似于噴氣燃料的煙點及芳烴含量。

圖1 生成油特征參數對工藝條件的等勢線圖

圖2 噴氣燃料特征參數對工藝條件的等勢線圖

3.4 加氫裂化工藝的優化分析

在實際加氫裂化工藝操作過程中，一般要求在指定產品性質的約束下來調整加氫裂化反應工藝條件。然而，滿足指定產品性質要求時所對應的工藝條件涉及的操作區間可能較為復雜，甚至所涉及的可行工藝操作點可能不存在，可能存在且唯一，也可能有多個，因此，這就牽涉到最優工藝點的選擇問題。

3.4.1 復合工藝優化操作區間的確立 在實際生產操作過程中，對產品某種性質的要求可能并不唯一，可能會根據市場的需要以及上下游工況而對各餾分油產品的性質提出不同要求。現有的工作很少將如此復雜的產品質量與工藝操作要求考慮在一起分析，一般僅用單工藝條件優化[11]的方法分別進行討論，這將在相關計算過程中無法滿足需要，因此，在此選擇多種因素復合考察的研究方法。假設對餾分油的相關性質要求如下：噴氣燃料冰點：大于-52 ℃，噴氣燃料煙點：22～25 mm，中油收率：大于83%，柴油收率：大于25%。分別繪制在各類產品性質約束下對應的工藝操作區間，結果見圖3。

圖3 滿足各類產品性質要求時對應的工藝操作區間

假定噴氣燃料冰點、噴氣燃料煙點、中油選擇性以及柴油收率所確立的工藝操作區間分別為Ω1，Ω2，Ω3，Ω4。根據約束條件的邏輯關系及操作參數空間的幾何關系，可以確定符合約束條件的操作空間在邏輯上滿足式(1)。

Ω可行=Ω1∩Ω2∩Ω3∩Ω4

(1)

將所涉及的各類等勢線繪制在同一張圖上，如圖4所示。復合工藝優化問題的實際可行工藝區間即為圖3所描述的4類工藝操作區間在幾何上的交集，其相關的復合工藝操作區間如圖5所示。由圖5可見：復合工藝操作區間帶有一定的任意性，形狀極不規則；復合工藝操作區間由4類油品性質約束條件共同確立，不同的約束條件聯合確立可行工藝操作區間的邊界；復合工藝操作區間不是數學上典型的凸區間，不能用傳統函數[12]的求解方法來計算，因此在該區間上進行的優化可能較為復雜，可對其進行剖分再采用傳統優化方法計算，也可將復合工藝操作區間視作一個整體而采用近現代軟計算[13-17]方法進行計算。

圖4 各類產品性質的等勢線圖 —噴氣燃料冰點/℃; —噴氣燃料煙點/mm; —中油選擇性，%; —柴油收率，%

圖5 復合工藝優化問題所對應的操作區間 —噴氣燃料冰點/℃; —噴氣燃料煙點/mm; —中油選擇性，%; —柴油收率，%

3.4.2 復合工藝操作區間上的轉化率優化分析在滿足以上操作區間區域范圍的前提下，為最大限度地生產尾油，也就是使裂化反應在該約束條件下的轉化率達到極小值，將以上要求表達為標準的數學形式：Min轉化率，S.T.噴氣燃料冰點：大于-52 ℃，噴氣燃料煙點：22～25 mm，中油選擇性：大于83%，柴油收率：大于25%。

基于上述目標函數及約束條件，分別繪制復合工藝操作區間及轉化率的等勢線，如圖6所示。圖6中幾條不同顏色的實線分別代表各類性質等勢線，虛線則代表轉化率等勢線。通過對轉化率等勢線與相應操作區間相對位置的觀察，可以得到：轉化率隨溫度的增加及處理量的降低而增加。圖6中，等勢線由右下角向左上角呈非線性增加，在等勢線簇由右下角向左上角推進的過程中逐漸接近所需的工藝操作區間，然后與之相交，最后再離開所需工藝操作區間；在操作區間范圍內，轉化率的最小值所對應的處理量約為85 g/h，而對應的裂化反應溫度約為360 ℃，其限制條件的瓶頸在于噴氣燃料的煙點要求；在操作區間范圍內，轉化率的最大值所對應的處理量約為75 g/h，而對應的裂化反應溫度約為370 ℃，其限制條件的瓶頸在于中油選擇性的要求。

圖6 復合工藝優化問題所對應的操作區間及轉化率等勢線圖 —噴氣燃料冰點/℃; —噴氣燃料煙點/mm; —中油選擇性，%; —柴油收率，%

按照相關的計算結果，分別將裂化段工藝條件設置為：壓力14.7 MPa，處理量85 g/h，反應溫度360 ℃。在此條件下的產品性質見表2。由表2可見，所估算的產品性質與實際產品性質相近，餾分油轉化率的誤差僅為0.27%左右，說明此方法具有良好的優化效果。

表2 產品性質估算值與實際值對比

4 結 論

為了解決加氫裂化工藝過程中復雜工藝操作區間的確立及工藝操作點的優化問題，設計了產品切割方案，基于實驗數據以及樣條曲線插值的數學思想，建立了在各種工藝約束條件下的特征參數模型，并基于該模型繪制特征參數對工藝條件的等勢線圖，考察了裂化溫度和處理量對轉化率、中油選擇性、柴油收率以及噴氣燃料的收率、冰點、煙點等的影響，同時將該種建模方法和分析方法應用于特定催化劑作用下VGO加氫裂化工藝優化的研究，并考察了在各種復雜約束條件下，加氫裂化工藝的最優化操作區間及其相關轉化率的極值問題。該方法方便、便捷、可靠、高效，克服了傳統最優化方法的諸多不足，為尋找最優化工藝操作點提供了最佳方案，并對油品煉化工藝中其它各種優化問題的分析和研究具有借鑒意義。

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OPTIMIZATION ANALYSIS OF HYDROCRACKING OPERATION

Yang Dongkui1， Wang Kuo2， Wang Jifeng2

(1.LiaoningShihuaUniversity，Fushun，Liaoning113001； 2.FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，SINOPEC)

A numerical model was established by spline curve interpolation method to study the relationship between physico-chemical properties of the cracking products and the operation parameters of throughput and temperature in hydrocracking process. This model was applied to the optimization analysis of a VGO hydrocracking process. The smoke point and freezing point of aviation jet fuel， diesel yield as well as middle distillate selectivity were used as the constraint objects in the optimization to investigate the feasible operation parameter ranges of throughput and reaction temperature. Under the constraint objects， the minimum conversion was calculated by the model to get the operation parameters for high tail oil yield and compared with the experimental data. The comparison shows that the method has a good effectiveness and the data calculated is close to the experimental results.

hydrocracking； process parameter； spline curve； optimization analysis； VGO； constraint condition

2013-11-25； 修改稿收到日期： 2014-02-27。

楊東奎，碩士研究生，主要從事催化材料及分子模擬方向的研究工作。

王闊，E-mail：kkchemical2006@163.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(113026)。