发明内容
为解决已有沥青调合技术中存在的检测时间长、耗费成本高、准确度低的技术问题,本发明提供了一种基于粘度模型的沥青调合技术,能够以更低成本、更高效率、更高准确度的设计并优化沥青调合方案。粘度模型由沥青的粘度-温度曲线归纳得出,而粘度-温度曲线是沥青的内在性质,所有沥青的宏观性质(包括针入度、软化点、氧化性能、延度等)及组成信息,最终都在其粘度-温度曲线中得到体现。本发明以粘度模型为基础,结合了硬件、数据库、及软件等各个环节。其中硬件部分包括测量沥青调合组分的粘度计。数据库包括多种沥青调合组分的粘度-温度数据及粘度模型参数。软件部分包括根据沥青调合组分的粘度-温度数据计算沥青产物的各项性质,包括针入度、软化点、粘度、延度等。
本系统只需借助粘度计测量沥青调合组分的粘度数据,结合数据库与软件进行计算,即可准确获知沥青产品的各项性质。粘度计与已有技术所使用的氧化铝色谱柱及整套沥青性质测量设备相比,成本大幅降低,检测周期也大幅缩短。因此本发明所提供的沥青调合技术能够以更低的成本、更高的效率设计并优化沥青调合方案,降低沥青调合的成本,并有效提升所生产沥青的性能。
具体地,本发明提供了一种基于粘度模型确定沥青调合方案的方法,其特征在于,包含以下步骤:
(1)对于各种沥青调和组分,测量至少两个温度下的粘度,获得粘度-温度数据;
(2)根据步骤(1)获得的粘度-温度数据,构建各种沥青调和组分的粘度模型;
(3)对步骤(2)中所获得的各种沥青调合组分的粘度模型的参数进行记录,形成粘度模型参数数据库;
(4)将衡量沥青性质的各项技术指标,与步骤(2)中的粘度模型进行关联;再根据各项技术指标的数值范围,获得相应的粘度模型的参数范围;
(5)设计沥青调合方案,确保各种沥青调合组分的粘度模型参数的加权和在步骤(4)所获得的技术指标参数范围内;
和可选的
(6)根据生产目标优化沥青调合方案。
在某些实施方式里,步骤(1)中的沥青调和组分包括但不限于减压渣油、催化裂化油浆、脱油硬沥青、乙烯裂解尾油、润滑油精制抽出油及其组合。
在某些实施方式里,步骤(2)中采用公式(I)进行模型拟合,确定公式(I)中的各项参数,形成各种沥青调合组分的粘度模型:
log(μ)=log(μ0)+L/(T/T0-1)(I)
式中,
变量一:μ,表示沥青调合组分的粘度(cP);
变量二:T,表示温度(℃);
参数一:μ0,表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度(cP);
参数二:L,模型参数,无具体物理意义,使得模型更贴合实测粘度-温度数据;
参数三:T0,表示沥青调合组分凝固成固体(粘度无限大)时的温度(℃)。
应当理解,温度-粘度的拟合模型不是唯一的,在需要时,可以选用能够很好地符合实测的温度-粘度曲线的任何数学模型,而不用拘泥于式(I)或任何理论。
在某些实施方式里,步骤(3)中粘度模型参数数据库中的参数包含各个沥青调和组分的μ0和T0。
在某些实施方式里,步骤(4)中所述的技术指标包括但不限于针入度(P)、软化点(S)和/或延度(U)。这些技术指标与粘度模型参数μ0、T0的关联可以通过数学公式实现。当技术指标不是温度类指标(例如针入度或软化点)时,可以用以下公式进行关联:
A*c1=log(μ0)+L/(25/T0-1)
式中A为技术指标,c1为该技术指标为标度值的沥青在25°C时的粘度值。
当技术指标是温度类指标(例如软化度)时,可以用以下公式进行关联:
c2=log(μ0)+L/(B/T0-1)
式中B为技术指标,c2为沥青在该技术指标的温度时的粘度值。
可选地,典型的技术指标例如针入度(P)、软化点(S)和/或延度(U)可以通过式(II)-式(IV)与粘度模型参数μ0、T0相关联,从而可以将各项技术指标的数值范围,转换为相应的粘度模型参数μ0、T0的范围:
P*c1=log(μ0)+L/(25/T0-1) 公式(II)
c2=log(μ0)+L/(S/T0-1) 公式(III)
U*c3=log(μ0)+L/(25/T0-1) 公式(IV)
式中P为针入度,c1为针入度为1的沥青在25°C时的粘度值;S为软化点,c2为沥青在软化点温度时的粘度值;U为延度,c3为延度为1的沥青在25°C时的粘度值。
在某些实施方式里,步骤(6)中,在优化沥青调合方案时,首先在步骤(3)所建立粘度模型数据库中搜索特定数量的组分以特定比例的组合,使得其粘度模型参数的加权和满足指标,再结合各种沥青调合组分的价格数据,采用优化算法计算出成本最低的沥青调合方案。
从而,更具体地,本发明提供了一种基于粘度模型确定沥青调合方案的方法,包含以下步骤:
(1)对各种沥青调合组分,包括但不限于减压渣油、催化裂化油浆、脱油硬沥青、乙烯裂解尾油、润滑油精制抽出油等,采用粘度计测量至少两个温度下的粘度,获得粘度-温度数据;
(2)根据步骤(1)中所获得的粘度-温度数据,采用公式(I)进行模型拟合,确定公式(I)中的各项参数,形成各种沥青调合组分的粘度模型:
log(μ)=log(μ0)+L/(T/T0-1)(I)
式中,
变量一:μ,表示沥青调合组分的粘度(cP);
变量二:T,表示温度(℃);
参数一:μ0,表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度(cP);
参数二:L,模型参数,无具体物理意义,使得模型更贴合实测粘度-温度数据;
参数三:T0,表示沥青调合组分凝固成固体(粘度无限大)时的温度(℃);
(3)对步骤(2)中所获得的各种沥青调合组分的粘度模型的参数进行记录,形成粘度模型参数数据库;
(4)将衡量沥青性质的各项技术指标,包括但不限于针入度、软化点、粘度、延度等,与步骤(2)中的粘度模型进行关联;再根据各项技术指标的数值范围,获得相应的粘度模型的参数范围;可选地,上述技术指标通过式(II)-式(IV)与粘度模型参数μ0、T0相关联,从而可以将各项技术指标的数值范围,转换为相应的粘度模型参数μ0、T0的范围:
P*c1=log(μ0)+L/(25/T0-1) 公式(II)
c2=log(μ0)+L/(S/T0-1) 公式(III)
U*c3=log(μ0)+L/(25/T0-1) 公式(IV)
式中P为针入度,c1为针入度为1的沥青在25°C时的粘度值;S为软化点,c2为沥青在软化点温度时的粘度值;U为延度,c3为延度为1的沥青在25°C时的粘度值;
(5)设计沥青调合方案,确保各种沥青调合组分的粘度模型参数的加权和在步骤(4)所获得的技术指标参数范围内;
(6)优化沥青调合方案,首先在步骤(3)所建立粘度模型数据库中搜索特定数量的组分以特定比例的组合,使得其粘度模型参数的加权和满足指标;再结合各种沥青调合组分的价格数据,采用优化算法计算出成本最低的沥青调合方案。
另一方面,本发明也提供了构建沥青调合组分的粘度模型参数数据库的方法,包含以下步骤:
(1)对各种沥青调合组分,包括但不限于减压渣油、催化裂化油浆、脱油硬沥青、乙烯裂解尾油、润滑油精制抽出油等,采用粘度计测量至少两个温度下的粘度,获得粘度-温度数据;
(2)根据步骤(1)中所获得的粘度-温度数据,采用公式(I)进行模型拟合,确定公式(I)中的各项参数,形成各种沥青调合组分的粘度模型:
log(μ)=log(μ0)+L/(T/T0-1)(I)
式中,
变量一:μ,表示沥青调合组分的粘度(cP);
变量二:T,表示温度(℃);
参数一:μ0,表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度(cP);
参数二:L,模型参数,无具体物理意义,使得模型更贴合实测粘度-温度数据;
参数三:T0,表示沥青调合组分凝固成固体(粘度无限大)时的温度(℃);
(3)对步骤(2)中所获得的各种沥青调合组分的粘度模型的参数进行记录,形成粘度模型参数数据库。
另一方面,本发明也提供了沥青调合组分的粘度模型参数数据库,其特征在于,数据库中包含多个不同的沥青调合组分记录,每个沥青调合组分的记录中包含以下参数:
μ0,表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度(cP);
T0,表示沥青调合组分凝固成固体(粘度无限大)时的温度(℃);
和可选的
L,模型参数,无具体物理意义,使得模型更贴合实测粘度-温度数据。
在某些实施方式里,上述数据库是通过前述的方法构建的。
另一方面,本发明也提供了基于粘度模型确定沥青调合方案的系统,其特征在于,包含以下部分:
测量模块,包含温度和粘度测量部件,能够测量各沥青调和组分在不同温度下的粘度;
数据处理模块,可以根据各沥青调和组分的粘度-温度数据,计算出粘度模型参数,构成粘度模型参数数据库,所述粘度模型参数包含以下参数:
μ0,表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度(cP),
T0,表示沥青调合组分凝固成固体(粘度无限大)时的温度(℃),
和可选的:L,模型参数,无具体物理意义,使得模型更贴合实测粘度-温度数据;
和沥青调合方案确定模块,可以确定各种沥青调和组分的含量,使得各种沥青调合组分的粘度模型参数的加权和在需要的技术指标参数范围内,并能够根据沥青调合组分的价格数据,计算出成本最低的沥青调和方案。
在某些实施方式里,所述系统能够用于实现前述任意一种基于粘度模型确定沥青调合方案的方法。
本发明大大扩大了沥青调合的原料选择范围。通过本发明提供的基于粘度模型的沥青调合技术,可对现有技术中不适合沥青生产的原料建立粘度模型,通过数据库比对,找出已有技术无法得出的沥青调合生产方案。
另外,本发明能够以更低成本、更快速度设计与优化调合方案。与现有技术相比,本发明所采用技术仅需对原料进行粘度-温度曲线的测量,仪器简易,测量时间可控制在2小时以内,使得本发明可用于迅速决策与现场生产指导。
本发明还提高了沥青调合中质量控制的精确度。现有技术基于沥青宏观性质或四组分的调合对调合后沥青产品的性质预测存在较大误差,而本发明基于沥青调合原料内在粘度性质的表征,能够准确的计算原料的调合效应,从而更精确的预测调合后沥青的性质。
结合上述有益效果,本发明可提供更为优化的沥青调合方案,充分利用一些现有技术无法利用的低价值原料,降低沥青生产成本,并提升沥青质量。
实施例一:使用催化裂化油浆与脱油硬沥青进行调合生产沥青。
催化裂化油浆是炼油过程中催化裂化加工过程所残留的油浆,是一种低附加值的产品,目前国内的催化裂化油浆一般作为廉价的重质燃料油出厂。催化裂化油浆的粘度较低,达不到沥青所需要的粘度范围。脱油硬沥青是指减压渣油经过溶剂脱除了大部分饱和烃和较轻的芳香烃后剩余的残渣。常温下硬而脆,较难作为沥青生产的调合组分。
本实施例通过建立催化裂化油浆与脱油硬沥青的粘度模型,将两种原料以合适的比例调合可生产出合格的沥青。具体操作步骤如下:
(1)对催化裂化油浆与脱油硬沥青两种原料进行粘度数据的测量。将催化裂化油浆通过蒸馏分为小于440°C、440-540°C和大于540°C三个不同馏分。将脱油硬沥青通过蒸馏分为小于520°C、520-600°C、大于600°C三个不同馏分。针对两个原料的六个馏分,分别使用Brookfield粘度计测量其在125-215°C温度范围内的粘度。两种原料不同馏分的粘度-温度数据如图3、4所示;
(2)根据步骤1中所获得的粘度-温度数据,采用公式(I)进行模型拟合,分别获得催化裂化油浆与脱油硬沥青的粘度模型,其中参数L使用7.5,模型参数μ0、T0如表1所示。
表1、催化裂化油浆与脱油硬沥青不同馏分的粘度模型参数
(3)对步骤2中所获得的催化裂化油浆与脱油硬沥青各馏分的粘度模型参数μ0与T0进行记录,形成形成粘度模型数据库。数据库中模型参数μ0与T0的分布如图5所示。
(4)将衡量沥青性质的各项技术指标,包括针入度、软化点和延度这三项,与步骤2中的粘度模型进行关联,通过公式(II)~(IV)的计算将其转化为参数μ0与T0的范围,如图5方框所示。
(5)根据公式(V)进行沥青调合方案设计,按照催化裂化油浆X%,脱油硬沥青(100-X)%的比例进行调合,使得调合后的沥青的粘度模型参数μ0与T0在步骤4所限定的范围内。所采用优化算法为蒙特卡洛算法,对不同的比例进行随机采样,首先筛选该比例调合是否满足步骤4所限定的参数μ0与T0范围,如果满足,则择优保留成本更低的比例。通过1000次运算,得到的最优混合方案为X=46,即,46%的催化裂化油浆与54%的脱油硬沥青进行调合,生产合格的沥青。调合方案示意图见图6。
μ0 =μ01×X% +μ02×(100-X)%
T0 =T01×X% +T02×(100-X)% (V)
式中,μ01、T01表示催化裂化油浆的参数,μ02、T02表示脱油硬沥青的参数,μ0、T0表示混合后沥青的参数,X%表示催化裂化油浆在调合中的比例。
本实施例通过对催化裂化油浆与脱油硬沥青粘度模型的建立,提供了两者调合生产沥青的方案,并准确计算出调合比例。通过运用本发明的技术,有效利用了低附加值的催化裂化油浆用于沥青生产,降低了沥青生产的成本,并通过粘度模型的计算准确给出调合比例,提高了沥青质量控制的精度。
实施例二:使用两种非常规沥青原油的减压渣油生产沥青。
全球各原油产地出产的1500多种原油中,只有260种原油可直接生产沥青。本实施例通过对两种非常规沥青生产原油:苏丹原油与菲律宾原油的减压渣油建立粘度模型,找出这两种减压渣油进行调合生产沥青的方案。苏丹原油密度较大,其减压渣油的粘度超过了沥青生产的质量规格。而菲律宾原油密度较小,其减压渣油的粘度小于沥青生产的质量规格。因此这两种原油通常都不是沥青生产原油。本实施例通过基于粘度模型的沥青调合技术实现这两种原油减压渣油的调合生产沥青。具体操作步骤如下:
(1)对苏丹原油与菲律宾原油的减压渣油分别进行粘度数据的测量。将苏丹原油的减压渣油通过蒸馏分为小于480°C、480-560°C和大于560°C三个不同馏分。将菲律宾原油通过蒸馏分为小于540°C、540-620°C、大于620°C三个不同馏分。针对两个原料的六个馏分,分别使用Brookfield粘度计测量其在135-225°C温度范围内的粘度。两种原料不同馏分的粘度-温度数据如图7、8所示。
(2)根据步骤1中所获得的粘度-温度数据,采用公式(I)进行模型拟合,分别获得苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油的粘度模型,其中参数L使用7.5,模型参数如表2所示。
表2、苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油不同馏分的粘度模型参数
(3)对步骤2中所获得的苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油各馏分的粘度模型参数μ0与T0进行记录,形成形成粘度模型数据库。数据库中模型参数μ0与T0的分布如图9所示。
(4)将衡量沥青性质的各项技术指标,包括针入度、软化点和延度这三项,与步骤2中的粘度模型进行关联,通过公式(II)~(IV)的计算将其转化为参数μ0与T0的范围,如图9方框所示。
(5)根据公式(VI)进行沥青调合方案设计,按照苏丹原油减压渣油X%,菲律宾原油减压渣油(100-X)%的比例进行调合,使得调合后的沥青的粘度模型参数μ0与T0在步骤4所限定的范围内。所采用优化算法为蒙特卡洛算法,对不同的比例进行随机采样,首先筛选该比例调合是否满足步骤4所限定的参数μ0与T0范围,如果满足,则择优保留成本更低的比例。通过1000次运算,得到的最优混合方案为X=58,即,58%的苏丹原油减压渣油与42%的菲律宾原油减压渣油进行调合,生产合格的沥青。调合方案示意图见图10。
μ0 =μ01×X% +μ02×(100-X)%
T0 =T01×X% +T02×(100-X)% (VI)
式中,μ01、T01表示苏丹原油减压渣油的参数,μ02、T02表示菲律宾原油减压渣油的参数,μ0、T0表示混合后沥青的参数,X%表示苏丹原油减压渣油在调合中的比例。
本实施例通过对苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油粘度模型的建立,提供了这两种原油调合生产沥青的方案,使得这两种非常规沥青生产原油通过调合也可生产沥青。通过运用本发明的技术,有效扩大了沥青生产的原油选择范围,从全球260种可直接生产沥青的原油,扩大至近400种原油的选择范围,降低了沥青生产的成本。并通过粘度模型的计算准确指定调合比例,提高了沥青质量控制的精度。同时,本实施例使得企业可通过更广泛的原油选择范围,在生产合格沥青的同时提升整体经济效益。