84-PSE在石化科技创新中的应用【PSE 2006】

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结束语
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今年年初召开的国家科技大会 明确地将中国的未来定位于创新型 的国家，刚刚结束的中石化首届科 技大会也将中国石化的未来定位于 创新型企业，围绕这一战略目标， PSE 也将在中石化的科技创新中发 挥更大作用。
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引言
PSE（Process System Engineering）是系统工程的分支之一，它作为连接科学与工程 技术的桥梁， 为科学领域新知识和新发现的加速增长， 为科学新知识和新发现在石化行业技 术创新进步发挥着重要的支撑作用。 石油化工行业历来是 PSE 技术开发的积极倡导者和参与 者，也是 PSE 技术的应用先锋，PSE 技术在石化科技创新活动中得到持续的应用，PSE 的应 用提高了科技开发的效率， 加速了科学技术向生产实践的转化， 为石化行业的科技进步发挥 着重要的作用。
图 4 M IP 提 升 管 颗 粒 浓 度 云 图
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数学规划与优化技术在科技创E 的传统领域， 它是 PSE 的基础， 其核心是解决实际问题可能 572
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出现的组合爆炸，它们在石化科研和生产中均有成功的应用。 以原油加工流程优化为例， 由于原油资源的多变与复杂性， 加上不同加工工艺以及催化 剂对于原油、 原料和产品的选择性以及产物分布的差异， 再加上石油产品可调和配制的特点， 因而在石油加工的各个环节均存在着多样选择匹配和优化的可能性， 整个原油资源和加工流 程具有很大优化余地。实际上自上个世纪 50 年代线性规划技术出现以来，就持续不断地进 行原油资源利用和加工流程优化开发应用与完善的工作， 目前我国与国外先进国家的差距也 在不断缩小。 另一个数学规划与优化的应用领域是生产调度方案的优化， 就石化行业而言， 实现石化 企业全厂级调度方案优化目前还存在相当大的技术障碍，因而，局部的调度优化，如原油混 输混炼调度优化，成为了研究的热点问题。典型沿海企业的原油调度物流流程见图 5。制定 优化的调度方案，保证蒸馏装置的连续生产，优化原油供给方案，减少蒸馏原料切换，实现 直馏馏分的分类加工（如石脑油宜烯则宜，宜芳则芳；重油按重油催化和焦化等加工等） ， 对于企业具有巨大的经济效益。近年来，人工智能、混合整数规划等方法在原油混输混炼调 度优化领域得到广泛地应用， 遗传算法、 逻辑规划和约束规划等新优化方法也在原油调度优 化研究领域发挥积极的作用。
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分子模拟技术在科技创新中的应用
分子模拟技术是伴随着计算数学、 计算机技术和计算化学的不断进步而出现的新兴科学 技术， 分子模拟能够从微观层面认识化学反应的本质， 为认识物质的宏观行为与物质结构的 关系、认识化学反应发生的机理提供了有力的工具。分子模拟属于 PSE 近年来的热点领域。 分子模拟技术在石化科技创新中发挥着重要的作用。 以石化行业普遍关心的新型催化裂 化降硫催化剂与助剂研发为例， 实验发现当降硫催化剂或降硫助剂的表面沉积了少量来自原 料油中的金属化合物 （尤其是镍或钒的氧化物） 以后， 其降硫作用明显降低， 甚至完全丧失， 但是有关金属氧化物影响催化裂化脱 硫的机理一直无从知晓。采用分子模 0 -200 拟技术以噻吩为模型化合物考查了催 -400 化裂化过程中不同金属氧化物对噻吩 -600 类硫化物脱除过程的影响，研究金属 -800 氧化物与催化裂化催化剂的主要成份 -1000 分子筛之间的相互作用，并详细计算 了烃类对于脱硫的影响。计算结果表 图3、噻吩在不同金属氧化物表面的吸附强度 明，不同价态的钒氧化物的作用结果 差异很大（见图 3） ，低价态的钒氧化物对噻吩具有较强的吸附作用，并对于油品烃类分子 的吸附较弱， 因而低价态的钒氧化物的形成有利于催化裂化过程中通过吸附使噻吩硫化物脱 除。在化学反应层面，噻吩分子与催化剂表面的低价态钒氧化物进行电子电荷转移，使噻吩
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3 PSE 在过程控制与优化技术开发与创新中的应用
过程控制与优化是 PSE 最早得到广泛应用的领域之一， 过程控制与优化的结合是近年来 研究热点之一， 两者的有机结合， 再加上在线过程分析技术的开发与应用为生产经营带来巨 大的经济效益。 以汽油调和在线控制与优化为例， 汽油调和是炼油企业生产汽油产品的最后一道工序， 它是将多个汽油调和组分按照一定的配 比（配方）混合生产出指定牌号的汽油 产品。由于汽油产品质量要求复杂，调 和组分性质和成本各不相同，调和生产 又与市场需求密切相关，因而调和生产 优化呈现出极高的经济价值。为此，将 过程优化与控制紧密结合，开发了具有 中石化完全自主知识产权的油品管道在 线调和成套技术，技术原理参见图 1。 以 PSE 的非传统分支化学计量学为 基础，中石化自主开发了成套的化学计 量学软件，与近红外（NIR）光谱技术相 图1 油品调和控制优化原理图 结合，可以实现对于油品各类性质的快 速、准确测量。经过近 10 年的研发，中 石化拥有自主知识产权的 NIR 成套技术已经在科研、生产等方面取得了广泛的应用。在线 NIR 技术与调和优化控制技术结合构成了完整的油品调和技术，具有广阔的市场前景。
5 CFD 在科技创新中的应用
作为 PSE 的另外一个非传统领域， 计算流体力学 （CFD， Computational Fluid Dynamics） 技术在石化科技创新中也实现了从无到有的突破。CFD 起源于飞机设计与汽车设计制造行 业，主要用于研究形貌对于运动性能（阻力和稳定性）的影响，在石化科技创新中 CFD 从微 观层面获得反应器结构（内构件）对于传质的影响，并可与反应动力学相结合获得反应器内 化学反应的完整信息，从而加速新型反应器的开发与设计和生产操作指导。 再次以炼油新工艺开发为例，多产异构烷烃（MIP）技术是中石化拥有自主知识产权的 生产清洁汽油的重大创新技术，在其原始构思形成、成套工艺开发等过程中，PSE 均发挥了 显著的作用。 比如在第二反应器构思与设计过程中 CFD 起到重要的支撑作用， 利用 CFD 技术 构建了 MIP 反应器的催化剂颗粒和反应油气气固两相流动模型， 获得了 MIP 反应器的催化剂 颗粒浓度分布和气固两相流速分布，见图 4，CFD 计算表明在提升管顶部的变径，由于第二 反应区体积的突然增大，造成颗粒速度减小，相应地造成颗粒浓度增加，形成密相床层，同 时气体的速度也得到降低，这有利于增加气体的停留时间，改善催化裂化的二次反应。CFD 为第二反应器的设计提供强有力的支持。 目前 CFD 在提升管反应器和汽提器开发、 加氢反应器内构件开发、 费托合成反应器研究、 大型乙苯反应器研究等方面均起到不可豁缺的作用。
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PSE 在石化科技创新中的应用
郭锦标，傅军
（中国石化石油化工科学研究院，北京 914 信箱，100083） 摘 要：PSE 在中国石化科技创新中得到广泛地应用，过程模拟和 CFD 技术应用加速了新工艺的开发与应 用，大幅度提高了新工艺创新和新反应器研究的效率；分子模拟的应用提高了新反应、新产品和新材料的 认识水平，对于催化剂研发、油品添加剂设计、聚合机理与聚合物性能等研究和应用具有重要指导价值； 数学规划与优化技术在石化生产过程的控制与优化集成技术的开发、新仪器的研发、原油加工流程优化和 生产调度优化等领域中得到进一步应用。 关键词：PSE，科技创新，过程模拟控制与优化，分子模拟，CFD，流程优化与调度优化
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过程模拟技术在科技创新中的应用
在 PSE 的传统领域，过程模拟技术伴随着中国石化各项新技术的诞生与成长，PSE 在新 技术的加速开发中起到不可或缺的作用。 过程模拟从物理和化学反应的基本规律出发采用实 验与数学计算相结合的方法从宏观层面描述化学与物理现象， 研究各项因素对于物理化学反 应结果的影响关系，因而在新工艺的创新开发中发挥着重要的支撑作用。 以液相烷基化制乙苯的新工艺技术创新开发为例，在基础研究阶段，利用过程模拟 技术帮助寻找催化剂失活的原因和相应的工艺创新，催化剂的寿命从 500 小时增加到 2000 小时，使新工艺的继续开发成为可能；在中试阶段，依据小试建立的过程模型成功进行了放 大倍数为 3330 倍的中试装置设计和操作条件优化，苯/乙烯摩尔比大幅度下降至 5；在工业 实验阶段， 通过流程模拟计算完成了放大倍数为 223 倍的工业基础设计， 并在工业应用阶段， 再次进行工业操作条件的优化，苯/乙烯摩尔比大幅度下降至 3.5，延长了催化剂的再生周 期和寿命。 该工艺在齐鲁 21.6 万吨/年乙苯装置得到成功应用， 已于 2004 年 10 月建成投产， 经 21 个月的运转表明，乙苯单元工艺流程及反应器、塔器、换热器等关键设备的设计选型 合理， 能够满足了长期稳定生产的需要。 过程模拟软件为乙苯技术不断发展和达到国际领先 水平提供有力的技术支撑。 经过多年的使用和开发， 过程模拟软件已成为中国石化科研新工艺创新开发过程中最主 要的工具之一，过程模拟技术的应用，提高了工艺过程开发的质量，大大加快了新工艺包开 发的速度。
VO 2 O O3 O5 O2 3 VO Ni 4 2O
吸附强度
V2
V2
Ni
Fe
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Fe
3O
Fe
O
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中的硫原子容易通过吸附到 VO 的表面而从噻吩中脱除。低价态钒氧化物的存在参与使噻吩 在分子筛表面吸附脱硫反应过活化能从 402.2 kJ/mol 降至 230.8 kJ/mol，从而明显促进噻 吩通过吸附直接脱硫， 显著提高催化裂化过程的脱硫率。 低价态金属氧化物则能明显促进噻 吩硫化物的脱除， 而高价态金属氧化物对促进催化裂化过程脱硫的作用不大， 通过适当途径 调节催化裂化过程中金属氧化物的价态， 不仅可有效消除其对脱硫效果的影响， 而且还能使 其起到促进脱硫的效果。这一分子模拟计算的结果对于降硫催化剂的开发具有重要指导意 义。 十年的时间，中石化的分子模拟技术应用从无到有，在催化剂研发、油品添加剂设计、 聚合机理与聚合物性能等研究和应用方面取得了长足的进步， 已经形成了分子模拟与中石化 科技创新主业结合的完整思路。