CN103087749B - 重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，在以工业裂解炉为龙头生产装置的石油化工企业中，基于重质原料蒸汽裂解实验数据建立重质原料裂解炉裂解产物收率预测模型，采集重质原料工业裂解炉碳四及碳四以下裂解产物收率数据并用于校核建立的预测模型，使预测模型的计算结果与工业裂解炉实际运行的结果一致；基于校核模型，建立重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型，并用于优化重质原料裂解炉操作，使工业重质原料裂解炉生产的石化产品总价值达到最大化。

Description

重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法

技术领域

本发明涉及石油化工裂解炉裂解产物价值模型的构建方法，更具体的，涉及重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法。

背景技术

石油化学工业是国民经济的支柱产业，石油化工产品(简称石化产品)广泛应用国民经济各个领域，对促进国民经济发展具有重要。石油化工大多数中间产品和石化产品均以低碳烯烃和芳烃为基础原料。低碳烯烃和芳烃所用原料烃约占石化生产总耗用原料烃的四分之三。低碳烯烃主要由乙烯、丙烯、丁二烯构成，芳烃主要由苯、甲苯、二甲苯构成。在石油化学工业中，除由重整生产芳烃以及由催化裂化副产物中回收丙烯、丁烯、丁二烯之外，主要由乙烯装置生产各种烯烃和芳烃。乙烯装置由裂解炉和分离装置构成，而裂解炉是乙烯装置的龙头生产装置。

乙烯是最重要的基础有机化工原料，目前98％以上的乙烯是由裂解炉以蒸汽裂解方式生产的。乙烯主要用于生产高压聚乙烯、低压聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯、环氧乙烷、乙二醇、乙醇、苯乙烯、乙醛、醋酸、α-烯烃、聚乙烯醇、乙丙橡胶等石化产品。

丙烯主要用于生产聚丙烯、丙烯晴、苯酚、丙酮、丁醇、辛醇、异丙醇、丙烯酸及其脂类、环氧丙烷、环氧氯丙烷、丙纶等石化产品。目前，50～70％以上的丙烯是由裂解炉以蒸汽裂解生产的。

丁二烯主要用于生成顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚丁二烯、SBS、ABS树脂等石化产品。石油化工工业初期，丁二烯主要由丁烯或丁烷脱氢生产。目前，90％以上的丁二烯是由裂解炉以蒸汽裂解方式生产的。

异丁烯作为石油化工基础原料主要用于丁基橡胶、异戊橡胶、甲基丙烯酸甲酯、聚异丁烯、叔丁醇以及助剂生产等。近年来，由于作为汽油添加剂甲基叔丁基醚(MTBE)高速发展，异丁烯需求猛增。异丁烯除了来自炼厂和乙烯装置外，少量由丁烷异构化和脱氢生产异丁烯。

丁烯主要用于生产丁二烯、顺酐、仲丁醇、庚烯、聚丁烯等石化产品。随着线性低密度聚乙烯的发展，1-丁烯用量越来越大，成为丁烯主要用途，其余的丁烯主要用于生产高辛烷值汽油添加剂和民用液化气。

作为石油化工基础原料的芳烃主要包括苯、甲苯、二甲苯。

苯主要用于生产苯乙烯、环己烷(进一步生产锦纶)、苯酚。此外，苯还可用于苯胺、烷基苯、顺酐以及医药和农药等产品的生产。

甲苯主要用于生产苯、二甲苯。此外，在溶剂、涂料、农药、炸药、甲酚、甲苯二异氰酸酯(TDI)等生产中也耗用相当量的甲苯。

二甲苯包括对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯。作为石油化工原料，对二甲苯用量最大，主要用于生产对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二酯(DMT)，由此进一步生产聚酯(PET)，少量用于生产对苯二甲酸丁二酯(PBT)。间二甲苯和邻二甲苯主要用于异构化生产对二甲苯，其中邻二甲苯还可用于生产苯酐、涂料、溶剂、农药中间体的生产。

乙烯装置在生产乙烯的同时，副产丙烯、丁烯、丁二烯、芳烃(苯、甲苯、二甲苯)，成为石油化学工业基础原料的主要来源。乙烯装置除了生产乙烯之外，70％的丙烯、90％的丁二烯、30％的芳烃均来自乙烯装置的副产。以“三烯”(乙烯、丙烯、丁二烯)和“三苯”(苯、甲苯、二甲苯)总量计，约65％来自乙烯生产装置。

由于蒸汽裂解工艺生产乙烯的同时还副产大量的其他烯烃和芳烃，相应地，乙烯生产必然与多种中间产品和石化产品生产联接在一起。因此，石油化工工业总是以乙烯生产为中心，以裂解炉为龙头生产装置，配套多种产品加工生产的联合企业。乙烯生产的规模、成本、生产稳定性、产品质量都将对整个联合企业起到支配作用。乙烯装置在石油化工联合企业中成为关系全局的核心生产装置。裂解炉是石油化工联合企业中的龙头装置，裂解炉的运行直接将影响其他石油化工装置的生产操作。

烃类蒸汽裂解的反应温度较高(780-870℃)、反应过程是个强吸热过程，裂解炉的生产运行消耗大量的燃料。因此乙烯工业是高能耗行业，裂解炉能耗约占乙烯装置能耗的70％左右。因此，优化裂解炉生产操作，降低生产成本，提高生产企业的经济效益，是石化企业多年来一直关注的难题。

裂解炉专利商在裂解炉技术发展过程中具有非常重要的作用，目前经过不断的重组合并全世界形成六大裂解炉专利商，即LUMMUS、S&M、KBR、TECKNIP、LINDE、SINOPEC。裂解炉专利商基于蒸汽裂解反应机理或蒸汽裂解实验数据，采用推导或数学回归等方法建立了工业裂解炉模拟软件，用于预测裂解产物收率及运行周期等，如LUMMUS的PYPS、TECHNIP的SPYRO等。尽管裂解炉专利商设计和改造众多裂解炉，但对于裂解炉的操作优化，目前仅有ASPEN和TECHNIP提出了双烯(乙烯+丙烯)收率的优化方案，利用TECHNIP的SPYRO软件和APSEN的分离装置模拟技术及其先进控制技术，优化裂解炉生产操作，主要通过提高双烯的收率的方式试图提高生产企业的经济效益。

在裂解产物中，双烯(乙烯和丙烯)重量收率为38～60％。除了乙烯和丙烯之外，还有其他裂解产物，如氢气、丁二烯、碳四抽余馏分、芳烃(苯、甲苯、二甲苯)、裂解汽油、裂解柴油、裂解燃料油等，都具有一定的经济价值或较高的经济附加值，如丁二烯可生产橡胶、芳烃生产聚酯、化纤等。石化产品的市场价格受石油价格和市场供需关系而波动，市场需求量大而供应量的石化产品价格高，市场需求量小而供应大的石化产品价格较低。因此，在裂解炉生产操作过程中，收率高的裂解产物其石化产品价格未必高，收率低的裂解产物其石化产品价格未必低。因此，裂解炉操作优化仅仅考虑乙烯和丙烯收率而不能有效提高石油化工生产企业的生产效率和降低生产成本。

此外，国内乙烯装置生产的三烯三苯等有机化工原料很少在市场上买卖，绝大部分通过中下游生产装置生产相应的石化产品，如乙烯和丙烯通过聚烯烃生产装置生产聚烯烃树脂，丁二烯通过聚合装置生产橡胶，芳烃通过抽提装置、聚酯等装置生产聚酯和化纤等。因此，国内石油化工企业中下游装置生产的石化产品市场价格决定生产企业的生产成本及收入。裂解炉的生产操作不仅仅要考虑双烯，还要考虑裂解炉生产的所有石化产品的总价值。只有使石油化工生产装置生产的石化产品总价值达到最大，这样才能有效提高是石油化工企业的生产效率和积极性，相对更好的降低生产成本。

发明内容

现有技术中通过提高双烯收率试图实现提高乙烯装置的经济效益，却忽略了其他石化产品的经济价值或经济附加值，实际不能有效提高石油化工企业的生产效率，更好的降低生产成本。为了克服传统裂解炉操作优化方法的缺陷，与现有技术采用提高双烯收率提高经济效益的方法不同，本发明构建重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型，用于优化重质原料工业裂解炉操作，使重质原料裂解炉生产的石化产品总价值达到最大，从而有效提高石油化工企业的生产效率和生产积极性，相对降低生产成本。

本发明涉及重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型构建的方法，在以工业裂解炉为龙头生产装置的石油化工企业中，基于重质原料蒸汽裂解实验数据建立重质原料裂解炉裂解产物预测模型，然后利用重质原料工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下裂解产物收率数据校核预测模型，使预测模型计算值与工业裂解炉实际运行数据基本一致；基于校核的预测模型，建立重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型，并用于重质原料裂解炉操作优化，使重质原料裂解炉生产的石化产品总价值达到最大。

具体技术方案如下：

本发明涉及到重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，在以工业裂解炉为龙头生产装置的石油化工企业中，基于重质原料蒸汽裂解实验数据采用数学建模方法建立重质原料裂解炉裂解产物预测模型，然后采集重质原料工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下裂解产物收率数据校核预测模型，使预测模型的计算值与工业裂解炉实际运行数据基本一致；基于校核的预测模型，建立重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型，并用于重质原料裂解炉操作优化，使重质原料裂解炉生产的石化产品总价值达到最大，从而有效提高石油化工企业的生产效率，进一步也能提高企业收入。

所述的一种重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法包括以下步骤：

(1)建立预测模型：基于重质原料蒸汽裂解实验数据，利用数学建模方法建立重质原料工业裂解炉裂解产物收率预测模型，可根据重质原料物性、工业裂解炉操作条件计算裂解产物收率。

(2)采集碳四及碳四以下裂解产物收率数据：在重质原料物性、进料量、蒸汽量不变的条件下，在工业裂解炉炉管出口温度(COT)正常操作范围内，通过调整COT采集重质原料工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下裂解产物收率数据。

(3)校核：利用由步骤(2)得到的重质原料工业裂解炉的碳四及碳四以下裂解产物收率数据校核由步骤(1)得到的预测模型，使校核的预测模型的计算值与工业裂解炉实际运行的数据基本一致。

(4)建立重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型：根据步骤(3)得到的预测模型建立裂解炉裂解产物价值最大化模型，可利用裂解产物价格、重质原料物性、重质原料裂解炉运行数据计算出裂解产物(石化产品)总价值最大的裂解炉操作条件。

优选地，所述的石油化工企业的生产装置以裂解炉为龙头生产装置，主要包括裂解炉、分离装置、聚烯烃装置等。根据石油化工企业的设计方案，还可能包括芳烃抽提装置、苯乙烯装置、乙二醇装置、橡胶装置、环氧乙烷装置、环氧丙烷装置、聚酯装置、化纤装置等。

优选地，所述的重质原料主要由柴油、加氢尾油等重质原料构成。重质原料主要由C₅～C₃₅的饱和烃构成，饱和烃包括链烷烃、环烷烃、芳烃。

更优选地，所述重质原料物性包括密度、恩式蒸馏馏程(ASTM)、族组成(PONA)、氢含量或碳含量或碳氢比、残碳值、分子量、关联指数(BMCI)、折光指数等。重质原料组份至少达上百种，因此利用其详细组份及其含量较为困难，通常选择密度、恩式蒸馏馏程(ASTM)、族组成(PONA)等作为物性参数。

优选地，所述的裂解产物主要包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丙二烯、丁烷、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、裂解汽油(不含芳烃)、裂解柴油、裂解燃料油等。尽管重质原料的构成差异较大，而它们的裂解产物组份却基本相同，只不过裂解产物组份的收率分布不同。

优选地，所述的碳四及碳四以下物质主要包括氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔和丙二烯、丁烷、丁烯、丁二烯。

优选地，所述的石化产品是指石油化工企业在市场上公开销售的产品，如聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、聚酯等。此外，石油化工企业生产的有机化工原料或者其他产品在市场上公开销售，可视为石化产品，如氢气、LPG、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等。石油化工企业生产的石化产品的种类取决生产装置的设计和生产销售计划安排。若乙烯全部用于生产聚乙烯并在市场以聚乙烯产品公开销售，乙烯不能视为石化产品；若部分乙烯以化工原料在市场公开销售，乙烯可视为石化产品，其他石化产品以此类推。

在石油化工企业生产装置中，来自炼油装置的重质原料在裂解炉内被加热到高温发生蒸汽裂解反应生产富含有低碳烯烃和芳烃的裂解气，裂解气即裂解产物，主要包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丙二烯、丁烷、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、裂解汽油(不含芳烃)、裂解柴油、裂解燃料油等。

裂解气经过分离装置的分离和提纯形成有机化工原料及其他原料，如氢气、燃料气、乙烯、丙烯、碳四馏分(包括丁烷、丁烯、丁二烯)、裂解汽油(含有芳烃)、裂解柴油、裂解燃料油等。在分离装置中，尽管不同专利商提供的工艺流程顺序不同，如LUMMUS的顺序分离流程、LINDE的前脱乙烷流程、S&W的前脱丙烷流程，但最终都按照烃的碳数进行分离和提纯。分离装置包括油洗塔、水洗塔、压缩机、冷箱、脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙烯精馏塔、脱丙烷塔、丙烯精馏塔、脱丁烷塔、碳二碳三加氢装置等装置。裂解气部分组份经过分离装置的分离提纯形成原料，如氢气、乙烯、丙烯、碳四馏分(包括丁烷、丁烯、丁二烯)、裂解汽油(含有芳烃)；部分组份被消耗或循环利用，如一氧化碳通过甲烷化装置处理形成燃料气，甲烷通过脱甲烷塔生成燃料气，而燃料气用作裂解炉的燃料被消耗；二氧化碳被碱洗塔吸收；乙炔、丙炔和丙二烯经过加氢反应器生成乙烯和乙烷、丙烯和丙烷；乙烷、丙烷经过乙烯精馏塔、丙烯精馏塔提纯之后形成循环乙烷、循环丙烷，循环乙烷和循环丙烷作为重质原料返回裂解炉；裂解柴油和裂解燃料油经过油洗塔形成燃料油。

乙烯通过聚乙烯装置生产各种牌号的聚乙烯树脂和橡胶，如高压聚乙烯、低压聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、乙丙橡胶等。乙烯也用于生产有机产品，如环氧乙烷、乙二醇、乙醇、苯乙烯、乙醛、醋酸、α-烯烃等。

丙烯通过聚丙烯装置生产各种牌号的聚丙烯。此外，丙烯用来生产多种有机产品，如丙烯晴、苯酚、丙酮、丁醇、辛醇、异丙醇、丙烯酸及其脂类、环氧丙烷、环氧氯丙烷、丙纶等石化产品。

碳四馏分通过丁二烯抽提装置形成丁二烯和碳四抽余馏分，丁二烯通过橡胶装置可用于生产各种橡胶，如顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚丁二烯、SBS、ABS树脂等；碳四抽余馏分可通过醚化装置生产MTBE或LPG。若石油化工企业中未建设丁二烯抽提装置，碳四馏分通常经过加氢处理生产LPG，或将碳四馏分出售其他拥有丁二烯抽提装置的石油化工企业。

裂解汽油(含有芳烃)通过汽油加氢装置和芳烃抽提装置生产碳五馏分、苯、甲苯、二甲苯、碳九以上馏分、抽余油等产品，碳五馏分经过进一步分离、提纯、聚合可生产环戊二烯、异戊二烯等树脂。苯可用于生产苯乙烯、环己烷(进一步生产锦纶)、苯酚、苯胺、烷基苯、顺酐以及医药和农药等产品的生产；甲苯通过脱烷基装置生产苯或通过烷基转移装置生产二甲苯和苯，还可用于生产溶剂、涂料、农药、炸药、甲酚、甲苯二异氰酸酯(TDI)。二甲苯通过异构化等装置用于生产对二甲苯、对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二酯(DMT)、聚酯(PET)、化纤、对苯二甲酸丁二酯(PBT)、苯酐、涂料、溶剂、农药中间体的生产等；碳九以上馏分通常用于压缩机洗油或甲苯歧化的原料；抽余可用作重质原料，也可用于生产石油醚或当作汽油销售。若石油化工企业中未建设裂解汽油加氢及芳烃抽提等装置，裂解汽油(含有芳烃)通常对外公开销售。

裂解柴油和裂解燃料油可生产燃料油或用作生产萘等产品的原料。

国内乙烯装置生产的有机化工原料很少在市场上销售，通常输送到中下游装置生产树脂、橡胶等石化产品。因此，石化产品的种类数量通常取决于石油化工企业生产装置的设计方案和生产计划安排，而石油化工企业绝大部分的收入来自中下游装置生产的石化产品的销售。因此，石油化工企业中下游的生产装置设计的不同，生产的石化产品存在着一定的差异。

优选地，所述的裂解产物价值，即可以市场价格为参考，取决于裂解产物组份经过石油化工生产装置是否能形成市场销售的石化产品及其销售价格。重质原料在裂解炉内发生蒸汽裂解反应生产裂解气(裂解产物)，裂解产物本身没有价格，但裂解产物经过石油化工生产装置形成在市场上销售的石化产品具有一定的价值。因此，经过石油化工生产装置未能形成在市场上销售的石化产品的裂解产物组份，其价格设置为零，如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、乙烷、丙烷等；经过石油化工生产装置形成在市场上销售的石化产品的裂解组份，其价格为该石化产品的价值，即以市场价格为参考。由此可见，通过裂解产物价格即石化产品价值，即以市场价格为参考，通过优化裂解炉操作使其裂解产物价值达到最大，即使裂解炉生产的石化产品总价值达到最大。

在裂解产物中，裂解产物组份价格的高低取决于其通过石油化工装置生产的石化产品的市场价格。对于乙炔、丙炔和丙二烯，它们经过加氢生成乙烯和乙烷、丙烯和丙烷，其价格为乙烯和丙烯价格与加氢催化剂的转化率和选择性的乘积，在缺少加氢催化剂转化率和选择性的条件下，其价格可视为乙烯和丙烯的价格；经过石油化工生产装置形成一种石化产品的裂解产物组份，其价格为该组份形成的石化产品价值，如氢气、裂解柴油、裂解燃料油；经过石油化工生产装置形成多种石化产品的裂解产物组份，其价值可按以下方式计算：

$P_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j{w}_j$

其中P_i表示裂解产物组份的价值，即价格，x_j表示石化产品的市场价格，w_j表示该裂解产物组份用于生产该石化产品所占的重量比例。在确立裂解产物价格之后，裂解产物价值，即价格实际上就是石化产品价格。

对于重质原料裂解炉生产操作优化，关键在于重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型。重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型用于优化裂解炉的生产操作，使重质原料裂解炉生产的裂解产物(石化产品)总价值达到最大。通过重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型，将重质原料裂解炉的操作优化同石化产品市场价格关联起来。

本发明所述的一种重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，基于重质原料蒸汽裂解实验数据建立工业裂解炉裂解产物预测模型，利用重质原料工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下裂解产物收率校核预测模型，然后利用校核模型建立重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型，将其用于重质原料裂解炉操作优化，使重质原料工业裂解炉生产的石化产品的总价值，即体现的市场价格总和达到最大，从而提高石油化工生产企业的生产效率和生产积极性。

优选地，所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型是以重质原料裂解炉裂解产物收率预测模型为基础，根据重质原料的物性、裂解炉运行数据、裂解产物价格，在裂解炉操作条件约束范围内，采用数学优化方法搜索或者计算出裂解产物总价值最大对应的操作条件。

更优选地，所述的工业裂解炉运行数据为重质原料进料量、稀释蒸汽量或者稀释比、横跨段温度(XOT)，优化的操作条件为炉管出口温度(COT)。重质原料裂解炉的COT操作控制范围通常控制在780-820℃，在重质原料裂解炉裂解产物价值最大化的优化过程中，COT一定控制在正常的操作范围之内，若优化的COT超过正常操作的上限或下线，在优化调整COT时会选择上限或下限操作。

更优选地，所述重质原料物性包括密度、恩式蒸馏馏程(ASTM)、族组成(PONA)、氢含量或碳含量或碳氢比、残碳值、分子量、关联指数(BMCI)、折光指数等。重质原料组份至少达上百种，因此利用其详细组份及其含量较为困难，通常选择密度、恩式蒸馏馏程(ASTM)、族组成(PONA)等作为物性参数。

更优选地，所述的重质原料裂解炉裂解产物价值最大模型中的数学优化方法包括搜索方法。

更优选地，重质原料裂解炉裂解产物收率预测模型用于模拟计算重质原料裂解炉的裂解产物收率分布，可根据重质原料物性和裂解炉操作条件计算出裂解产物的收率。基于重质原料蒸汽裂解反应机理，裂解炉专利商推出商用的重质原料裂解炉模拟软件，可模拟计算裂解炉的裂解产物收率，如TECHNIP的SPYRO软件、LUMMUS的PYPS软件等。基于重质原料蒸汽裂解试验数据，借助数学建模方法可以建立裂解炉裂解产物收率预测模型。重质原料蒸汽裂解实验可在小试装置或模拟评价装置或工业裂解炉上实施，针对工业裂解炉炉型和操作条件范围，模拟重质原料的蒸汽裂解反应过程和实验数据，实验数据包括重质原料物性、操作条件、裂解产物收率。中国石化北京化工研究院建立了蒸汽裂解评价试验装置，可以模拟评价各种重质原料的工业裂解炉的裂解产物收率。

更进一步优选地，所述的数学建模方法包括支持向量机(SVM)、人工神经网络、多元非线性回归、遗传算法等方法。将重质原料蒸汽裂解实验数据分为两部分，一部分用于训练模型，一部分用于检验模型的预测精度。通过调整数学建模方法中的核函数，使建立的模型计算误差至少达到10％以内，最好在5％以内。建立的预测模型输入变量重质原料物性、操作条件，输出变量为裂解产物的收率，即：

y_i＝X(F，S，XOT，COT，P)

其中y_i-表示裂解产物组份收率

F-进料量

S-稀释比

XOT-横跨段温度

COT-炉管出口温度

P-重质原料物性

由于重质原料中不含有碳四及碳四以下烃，因此在重质原料蒸汽裂解过程中，碳四及碳四以下裂解产物转化率通常表示重质原料蒸汽裂解反应的转化率。由此可利用碳四及碳四以下裂解产物的收率校正重质原料工业裂解炉的预测模型。碳四及碳四以下裂解产物收率的标定需要在急冷锅炉出口做一个取样口，取样口同冷却器相连。当打开取样口时，裂解气被冷却形成气液两相，冷却温度通常为0～40℃。利用气相色谱和液相色谱分别分析气相物流和液相物流中碳四及碳四以下裂解产物的含量，并计量气相物流和液相物流的重量，然后通过物料平衡可计算得到重质原料工业裂解炉碳四及碳四以下裂解产物的收率。由于液相物流中碳四及碳四以下物质含量非常少，因此在计算碳四及碳四以下裂解产物收率时，通常可以忽略液相物流中的碳四及碳四以下物质。收率通常采用重量含量表示，也可采用摩尔含量。中国专利CN1456895A对离线取样装置和方法进行详细的介绍。

优选地，所述的碳四及碳四以下裂解产物收率数据在重质原料物性、进料量、蒸汽量不变的条件下，在工业裂解炉炉管出口温度(COT)正常操作范围内，通过调整工业裂解炉至少三个COT温度采集其实际运行时的碳四及碳四以下裂解产物收率数据。

更优选地，优选五个COT温度。

在工业裂解炉运行过程中，测量COT的热电偶通常插入或捆绑在废热锅炉入口，而废热锅炉入口与裂解炉辐射段炉管出口之间存在一个隔热段。此外热电偶本身具有一定的测量精度以及热电偶在测量过程中存在着系统误差，通常导致工业裂解炉显示的COT与辐射段炉管出口的真实温度存在着一定的温差。

优选地，所述的重质原料工业裂解炉裂解产物预测模型校核方法是基于采集到重质原料工业裂解炉的实际运行碳四及碳四以下裂解产物收率数据，利用建立的预测模型计算工业裂解炉采集碳四及碳四以下裂解产物收率的操作条件下的碳四及碳四以下裂解产物收率，计算多个COT的碳四及碳四以下裂解产物收率数据并与实际运行值比对，找出预测模型与实际指示COT之间的温差，然后将温差放入预测模型中，使校核的预测模型的计算值与工业裂解炉实际运行的数据基本一致。

更优选地，所述的数据基本一致是计算值与实际运行值偏差在10％以内，且数值变化规律一致。

优选地，重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型以裂解炉裂解产物预测模型为基础，采用数学优化方法，在重质原料进料量、水油比、XOT、重质原料物性、裂解产物价格不变的条件下，在工业裂解炉的COT正常操作范围内，计算出裂解产物总价值最大值对应的COT，即：

$V\left(m\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}X(F,S,\mathrm{XOT},\mathrm{COT}\left(m\right),P)\×F\×{\mathrm{PR}}_j$

V_max＝max(V(m))

其中，F-进料量

S-稀释比

XOT-横跨段温度

COT(m)-炉管出口温度

P-重质原料物性

PR_j-裂解产物组份价格

V(m)-裂解产物总价值

V_max-裂解产物总价值最大值。

更优选地，所述的数学优化方法包括平均搜索方法。

本发明基于重质原料蒸汽裂解实验数据建立重质原料工业裂解炉裂解产物预测模型，利用重质原料工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下裂解产物收率数据校核预测模型，基于校核的预测模型建立重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型并用于优化裂解炉操作，使重质原料裂解炉生产的石化产品市场总价值达到最大，从而有效提高石油化工企业的生产效率和生产积极性。

附图说明

图1为实施中CBL-III裂解炉价格最大化优化的结果。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明包括但不限于这些实施例所涉及的内容。

某石油化工企业拥有生产装置由乙烯装置、乙二醇装置、环氧乙烷装置、聚乙烯装置、聚丙烯装置、芳烃抽提装置、甲苯脱烷基装置、PTA装置、涤纶生产装置、聚酯装置(短纤维)、LPG装置。乙烯装置拥有6台裂解炉，分离装置采用LUMMUS的顺序分离工艺，年生产能力达到36万吨。裂解炉有5台为GK-V裂解炉，1台为CBL-III型裂解炉(裂解原料为加氢尾油)，裂解炉操作条件见表1。

CBL-III性裂解炉是采用中国石化自主开发技术建设的裂解炉，在中国石化烯烃厂得到广泛应用。CBL-III型裂解炉采用32组2-1炉管，分四大组进料，共有4台传统急冷锅炉，裂解原料为加氢尾油，年产乙烯6万吨。

炉型	CBL-III
		原料	加氢尾油
进料量(吨/小时)	24.537
		稀释比	0.8
XOT(℃)	570
		COT(℃)	804

表1 裂解炉操作条件

石化产品主要包括聚乙烯、环氧乙烷、乙二醇、聚丙烯、LPG、纯苯、对二甲苯、精对苯二甲酸、燃料油、聚酯切片、涤纶(短纤维)。根据该石化企业销售的石化产品市场价格历史数据，选择某段时期内石化产品销售价格用于裂解炉的价值最大化操作优化，石化产品市场价格详见表2。

	价格
		高压聚乙烯	7800
低压聚乙烯	7600
		线性聚乙烯	7700
环氧乙烷	10000
		乙二醇	4300
聚丙烯	6750
		LPG	4500
纯苯	3000
		对二甲苯	6000
精对苯二甲酸	4480
		裂解汽油	6800
裂解柴油	2210
		燃料油	2210
聚酯切片	6000
		涤纶(短纤)	7200

表2 石化产品市场价格(元/吨)

根据石油化工生产装置流程，确定了裂解产物的价格详见表3，方法具体如下：

(1)氢气主要供炼油装置和加氢装置使用，未在市场对外销售，其价格为0；

(2)甲烷、一氧化碳、二氧化碳、乙烷、丙烷被生产装置消耗或吸收，其价格为0；

(3)乙烯用于生产高压聚乙烯、低压聚乙烯、线性聚乙烯、乙二醇、环氧乙烷，其重量比例分别为30％、20％、20％、15％、15％，乙烯的价值体现，即价格由这五种石化产品的市场价格构成，即：

乙烯价格＝高压聚乙烯市场价格×30％+低压聚乙烯市场价格×20％+线性聚乙烯市场价格×20％+乙二醇市场价格×15％+环氧乙烷市场价格×15％。

(4)乙炔、丙炔和丙二烯经过分离系统的加氢装置生成乙烯和乙烷、丙烯和丙烷，由于催化剂的选择性和转化率都很高(超过95％)，其价格基本与乙烯、丙烯价格相同；

(5)丙烯用于生产聚丙烯，其价格为聚丙烯的市场价格；

(6)碳四馏分经加氢后在市场作为LPG销售，其价格为LPG的市场价格；

(7)苯用于生产纯苯，其价格为纯苯的市场价格；

(8)甲苯用于生产苯，其价格为纯苯的市场价格；

(9)二甲苯用于生产对二甲苯、精对苯二甲酸、聚酯切片、涤纶，其价格由这四种石化产品市场价格构成，即：

二甲苯价格＝对二甲苯市场价格×40％+精对二甲苯市场价格×30％+聚酯市场价格×15％+涤纶市场价格×15％；

(10)裂解汽油与重质原料混合用作重质原料返回裂解炉，其价格为0；

(11)乙苯、苯乙烯与裂解汽油与重质原料混合用作重质原料，其价格为0；

(12)裂解柴油、裂解燃料油用于燃料油在市场上公开销售，其价格为燃料油的市场价格。

	价格
		氢气	0
一氧化碳	0
		二氧化碳	0
甲烷	0
		乙烷	0
乙烯	7545
		乙炔	7545
丙烷	0
		丙烯	6750
丙炔	6750
		丙二烯	6750
丁烷	4500
		丁烯	4500
丁二烯	4500
		苯	3000
甲苯	3000
		二甲苯	5724
乙苯	0
		苯乙烯	0
裂解汽油	0
		裂解柴油	2210
燃料油	2210

表3 裂解产物价格(元/吨)

实施例

根据CBL-III型裂解炉，建立CBL-III型裂解炉蒸汽裂解加氢尾油裂解产物价值最大化模型，建模过程如下。

1蒸汽裂解实验数据

针对CBL-III工业裂解炉和操作条件，分别采集多种加氢尾油在中国石化北京化工研究院蒸汽裂解评价模拟装置实施蒸汽裂解实验，通过物料平衡和物流组成分析计算加氢尾油在不同操作条件下的裂解产物收率，采集实验数据建立CBL-III裂解炉蒸汽裂解反应样本数据库，数据库内容包括加氢尾油(比重、ASTM馏程、族组成)、操作条件(进料量、水油比、XOT、COT)、裂解产物收率。相关蒸汽实验分析仪器和设备如下：

(1)ANTON PEAR公司DE40比重计测量加氢尾油密度(60℃)；

(2)德国海尔潮公司HDA627分析加氢尾油恩式蒸馏馏程(ASTM)(初馏点，10％，30％，50％，70％，90％，终馏点)；

(3)美国安捷伦公司HP6850分析加氢尾油族组成(链烷烃、环烷烃、芳烃)和液相裂解产物组成及其重量含量；

(4)美国安捷伦公司HP7890分析裂解气组成及其摩尔含量。

2.建立CBL-III型裂解炉裂解产物预测模型

将样本数据库分为两部分，其中一部分为训练数据，其数据量为样本数据库量的三分之二，剩余数据为检验数据。将训练数据输入BP神经网络中，建立裂解炉裂解产物收率预测模型。BP神经网络核函数采用RBF核函数，模型输入变量加氢尾油物性(比重、ASTM馏程、族组成)、操作条件(投油量、水油比、COT、XOT)，输出变量为所有裂解产物的收率。裂解炉裂解产物收率预测模型根据输入变量计算出相应的输出变量的数值，即：

y_i＝X(F，S，XOT，COT，DEN，ASTM，PONA)

其中y_i-表示裂解产物组份收率

F-进料量

S-稀释比

XOT-横跨段温度

COT-炉管出口温度

DEN-密度

ASTM-ASTM馏程

PONA-族组成

3.采集CBL-III型工业裂解炉碳四及碳四以下裂解产物收率数据

CBL型裂解炉加氢尾油物性见表4，保持进料量为24.537吨/小时、水油比为0.8不变，分别将COT调整为794℃、804℃、818℃，同时进行在线取样工作，计量气相物流和液相物流的重量，分析裂解气中的碳四及碳四以下物质的摩尔含量，以此计算得到工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下物质收率数据(详见表5)

表4 加氢尾油物性

COT(℃)	794	804	818
				收率(wt％)	75.41	76.24	77.25

表5 CBL-III裂解炉的碳四及碳四以下裂解产物收率

4.模型校核

将工业裂解炉运行数据带入预测模型并进行多个COT的碳四及碳四以下裂解产物收率的计算，得到与工业数据比较吻合的COT温度，计算结果详见表6。通过对比表6和表5可知，计算值与工业裂解运行值偏差小于10％以内且随着COT的升高碳四及碳四以下裂解产物收率增大。由此可见，工业裂解炉实际运行的COT显示温度要比预测模型的高10℃，因此在预测模型中的COT加10℃校核预测模型。

COT(℃)	收率(wt％)
		784	72.39
794	73.20
		808	74.00

表6 预测模型计算的碳四及碳四以下裂解产物收率

5.建立CBL-III裂解炉裂解产物价值最大化模型

以裂解炉裂解产物预测模型为基础，采用平均搜索法的数学方法，在进料量、水油比、XOT、裂解原料物性(比重、ASTM馏程、族组成)、裂解产物价格不变的条件下，在工业裂解炉的COT正常操作范围内，搜索出蒸汽裂解产物总价值最大值对应的COT，即：

$V\left(m\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}X(F,S,\mathrm{XOT},\mathrm{COT}\left(m\right),\mathrm{DEN},\mathrm{ASTM},\mathrm{PONA})\×F\×P_j$

V_max＝max(V(m))

其中，F-进料量

S-稀释比

X-裂解产物收率

XOT-横跨段温度

COT-炉管出口温度

DEN-密度

ASTM-ASTM馏程

PONA-族组成

P_j-裂解产物组份价格

V(m)-裂解产物总价值

V_max-裂解产物总价值最大值

6.价值优化

根据建立的CBL-III裂解炉裂解产物价值最大化模型优化裂解炉的操作。CBL-III裂解炉裂解加氢尾油的物性见表4，裂解炉运行数据见表1。将裂解产物价格(见表3)、裂解原料物性、运行数据(进料量、稀释比、XOT，见表1)输入CBL-III裂解炉裂解产物价值最大化模型中，计算结果见图1。

由图1可知，在上述操作和裂解产物价格条件下，在加氢尾油正常操作真实COT范围内(780-820℃)，CBL-III裂解炉裂解产物价值最大化的真实COT是820℃(裂解炉操作COT显示温度为830℃)，生产的石化产品总价值为108105.1元/小时；价值优化之前裂解炉的操作COT为804℃，真实COT温度为794℃，生产的石化产品总价值为106072.4元/小时。CBL-II I裂解炉COT由804℃提高到830℃，裂解炉生产的石化产品(裂解产物)总价值增加了2032.7元/小时。

Claims (17)

1.重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立预测模型：基于重质原料蒸汽裂解实验数据，利用数学建模方法建立重质原料工业裂解炉裂解产物收率预测模型，根据重质原料物性、工业裂解炉操作条件计算裂解产物收率；

(2)采集碳四及碳四以下裂解产物收率数据：在重质原料物性、进料量、蒸汽量不变的条件下，在工业裂解炉炉管出口温度COT正常操作范围内，通过调整COT采集工业裂解炉实际运行的碳四及碳四以下裂解产物收率数据；

(3)校核：利用由步骤(2)得到的工业裂解炉的碳四及碳四以下裂解产物收率数据校核由步骤(1)得到的预测模型，使校核的预测模型的计算值与工业裂解炉实际运行的数据一致；

(4)建立裂解炉裂解产物价值最大化模型：根据步骤(3)得到的预测模型建立重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型，利用裂解产物价值、重质原料物性、裂解炉运行数据计算出裂解产物或石化产品总价值最大的裂解炉操作条件。

2.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述方法的生产装置包括裂解炉、分离或回收装置、聚烯烃树脂装置。

3.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的重质原料包括柴油和加氢尾油。

4.根据权利要求3所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述重质原料物性包括密度、恩氏蒸馏馏程、族组成、氢含量或碳含量或碳氢比、残碳值、分子量、关联指数和折光指数。

5.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的裂解产物包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丙二烯、丁烷、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、裂解汽油、裂解柴油、裂解燃料油。

6.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的石化产品包括乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、聚烯烃树脂、橡胶、乙二醇、聚酯、化纤、环氧乙烷、环氧丙烷、汽油、柴油、燃料油、LPG。

7.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的碳四及碳四以下裂解产物收率数据是在工业裂解炉在保持重质原料物性、进料量、蒸汽量不变的条件下，在裂解炉COT正常操作范围之内，通过调整温度，至少三个COT温度获得的碳四及碳四以下裂解产物数据。

8.根据权利要求7所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述调整温度为五个COT温度。

9.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的校核的方法利用预测模型计算工业裂解炉操作条件下的碳四及碳四以下裂解产物收率，通过对比计算值和工业运行数据，调整预测模型中的COT，使预测模型计算的碳四及碳四以下裂解产物收率与工业实际运行的数据一致。

10.根据权利要求9所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的数据一致是碳四及碳四以下裂解产物收率的计算值与实际工业裂解炉运行数据偏差在10％以内，且数值变化规律一致。

11.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的裂解产物价值为裂解产物组份通过石油化工装置的生产石化产品的价值，经过石油化工装置被消耗或吸收或循环利用而未能生产石化产品的裂解产物组份价值为零。

12.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的重质原料裂解炉裂解产物价值最大化模型是以重质原料裂解炉裂解产物收率预测模型为基础，根据重质原料的物性、裂解炉运行数据、裂解产物价值，在裂解炉操作条件约束范围内，采用数学方法搜索或者计算出裂解产物总价值最大的操作条件。

13.根据权利要求12所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的重质原料工业裂解炉运行数据由原料进料量、稀释蒸汽量或者稀释比、横跨段温度构成，总价值最大的操作条件为炉管出口温度COT。

14.根据权利要求12所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的数学方法包括搜索方法。

15.根据权利要求12所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的裂解炉裂解产物收率预测模型是基于蒸汽裂解试验数据，采用数学建模方法建立的数学模型，根据重质原料物性和裂解炉操作条件计算裂解产物收率。

16.根据权利要求15所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的数学建模方法包括支持向量机、人工神经网络、多元非线性回归、遗传算法。

17.根据权利要求1所述的重质原料工业裂解炉裂解产物价值最大化模型的构建方法，其特征在于，所述的碳四及碳四以下裂解产物主要包括氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔和丙二烯、丁烷、丁烯、丁二烯。