CN115862760B

CN115862760B - 一种分子反应走向优化方法及装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN115862760B
Application number: CN202310133372.0A
Authority: CN
Inventors: 王杭州; 王正元; 陆军; 秦军; 陈起; 薛新超; 杨晨
Original assignee: Xinjiang Dushanzi Petrochemical Co ltd; Petrochina Co Ltd
Current assignee: Xinjiang Dushanzi Petrochemical Co ltd; Petrochina Co Ltd
Priority date: 2023-02-20
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2043-02-20
Also published as: CN115862760A

Abstract

本公开涉及一种分子反应走向优化方法及装置、设备及存储介质，本公开的方法从分子水平对原油分子的反应路径进行计算并显示，通过跟踪原油分子中目标分子结构的分子的走向，通过模拟的方式寻找其反应走向与反应操作条件之间的关系，以此为基础优化反应操作条件，实现油品价值或品质的提高。

Description

一种分子反应走向优化方法及装置、设备及存储介质

技术领域

本公开涉及石油化工技术领域，尤其涉及一种分子反应走向优化方法及装置、设备及存储介质。

背景技术

随着化学化工研究的发展，新的化合物不断出现。至2012年，美国化学文摘社登录的物质数量已达到6600万种。在化学反应过程中，分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新的分子。由于化学反应的复杂性，反应物、中间产物、最终产物混合在一起，难以确定分子的转化路径，进而难以追踪分子的转化路径。

现有技术中，针对石油加工过程反应网络建立主要采用集总模型方法。集总模型是依据物料中各种组分的宏观物性、结构特征等动力学性质进行相似性归类，在进行各集总组分间反应网络的构建和反应参数的计算。每一个集总组分实际包含了大量的纯分子组成，而建模过程中将其视为具有均匀物性的、虚拟的单一组分。因此，集总模型在新原料和新催化剂的扩展适应性上存在明显的缺陷，更无法优化分子的转化路径。

为了解决上述问题，需要设计一种分子反应走向优化方法及装置、设备及存储介质。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开的实施例提供了一种分子反应走向优化方法及装置、设备及存储介质。

第一方面，本公开的实施例提供了一种分子反应走向优化方法，所述方法包括：

对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，其中，原油馏分分子和预设反应规则集合中的各反应规则均基于结构导向集总方法表示；

根据装置划分微元反应段，并确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件；

对不同二次加工装置模型的产物进行油品调和；

对于调和油品中的目标分子，基于结构导向集总方法，确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，并跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向；

调整节点处反应操作条件，建立目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系；

基于分子走向与反应操作条件之间的对应关系，确定满足目标分子预设含量要求的反应操作条件。

在一种可能的实施方式中，所述对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，包括：

对于每个二次加工装置模型，按照装置模型对应的预设反应规则集合中的每一种反应规则，对每种符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子的结构导向集总表示进行遍历，得到每种原料分子对应的反应路径以及每条反应路径的产物分子的结构导向集总表示；

将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子对应的反应路径组合为反应网络。

在一种可能的实施方式中，所述根据装置划分微元反应段，并确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件，包括：

将当前装置的反应时长划分为多个微元反应段，并对每一个微元反应段构建常微分方程，根据预设的反应速率常数初值和每种反应物分子的含量求解所述常微分方程，得到微元反应段内发生反应后的分子组成和物性；

在反应路径上的每个微元反应段出口节点存储该微元反应段内发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件。

在一种可能的实施方式中，所述将当前装置的反应时长划分为多个微元反应段，并对每一个微元反应段构建常微分方程，根据预设的反应速率常数初值和每种反应物分子的含量求解所述常微分方程，得到微元反应段内发生反应后的分子组成和物性，包括：

将当前装置的反应时长平均分为n个微元反应段，每个微元反应段的反应时长为

；

将实际生产单元入口的反应温度、压力、焓值和比热容作为第一个微元反应段入口的初始温度、初始压力、初始焓值和初始比热容；

对于每一个微元反应段，利用龙格库塔算法求解每条反应规则对应的反应速率常数

下的常微分方程组，得到该微元反应段出口的反应物浓度及浓度随时间的变化/>

，其中，常微分方程组包括：零级反应，/>

；一级反应，/>

；二级反应，/>

；

根据

和微元反应段入口焓值，计算焓值随时间的变化/>

；

根据

和比热容，计算温度随时间的变化/>

，以得到该微元反应段出口的温度；

根据理想气体常数R和温度随时间的变化

计算压力随时间的变化/>

，以得到该微元反应段出口的压力；

将该微元反应段出口的温度、压力、焓值、各个产物浓度作为下一个微元反应段的进口参数，计算下一个微元反应段出口的参数。

在一种可能的实施方式中，所述跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向，包括：

在反应网络中查询以目标原油馏分分子为反应物，以目标分子为产物的所有反应路径；

将所述所有反应路径上各个反应物和产物的分子组成作为反应走向。

在一种可能的实施方式中，所述分子组成包括分子的种类和含量。

在一种可能的实施方式中，所述目标分子为含有杂原子的分子，目标分子预设含量要求为小于第一预设阈值。

在一种可能的实施方式中，所述目标分子为关键分子，目标分子预设含量要求为大于第二预设阈值，其中，所述关键分子用于提升调和油品的辛烷值、十六烷值、烯烃收率和芳烃收率中的至少一种。

在一种可能的实施方式中，所述符合装置模型物性要求的原油馏分分子通过以下步骤得到：

确定原油分子组成；

将原油按照沸点切割处理，得到不同原油馏分的分子组成；

计算各原油馏分的分子物性；

将各原油馏分按照装置模型物性要求与二次加工装置模型对应。

在一种可能的实施方式中，所述确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，包括：

基于结构导向集总方法表示原油分子组成；

确定含有目标分子分子结构的目标原油分子组成；

将与目标原油分子组成对应的原油馏分作为目标原油馏分分子。

在一种可能的实施方式中，所述二次加工为渣油加氢、催化裂化、催化裂解、延迟焦化、加氢裂化、催化重整、烷基化、汽油加氢、柴油加氢、蜡油加氢、汽柴油加氢、气体分馏、芳烃抽提和制氢中的其中一种。

在一种可能的实施方式中，所述反应操作条件包括反应温度、反应时长和反应压力中的至少一种。

第二方面，本公开的实施例提供了一种分子反应走向优化装置，包括：

生成模块，用于对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，其中，原油馏分分子和预设反应规则集合中的各反应规则均基于结构导向集总方法表示；

第一确定模块，用于确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件；

调和模块，用于对不同二次加工装置模型的产物进行油品调和；

第二确定模块，用于对于调和油品中的目标分子，基于结构导向集总方法，确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，并跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向；

调整模块，用于调整节点处反应操作条件，建立目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系；

第三确定模块，用于基于分子走向与反应操作条件之间的对应关系，确定满足目标分子预设含量要求的反应操作条件。

第三方面，本公开的实施例提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的分子反应走向优化方法。

第四方面，本公开的实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的分子反应走向优化方法。

本公开实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点的部分或全部：

本公开实施例所述的分子反应走向优化方法，对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，其中，原油馏分分子和预设反应规则集合中的各反应规则均基于结构导向集总方法表示；根据装置划分微元反应段，并确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件；对不同二次加工装置模型的产物进行油品调和；对于调和油品中的目标分子，基于结构导向集总方法，确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，并跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向；调整节点处反应操作条件，建立目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系；基于分子走向与反应操作条件之间的对应关系，确定满足目标分子预设含量要求的反应操作条件，本公开从分子水平对原油分子的反应路径进行计算并显示，通过跟踪原油分子中目标分子结构的分子的走向，通过模拟的方式寻找其反应走向与反应操作条件之间的关系，以此为基础优化反应操作条件，实现油品价值或品质的提高。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了根据本公开实施例的分子反应走向优化方法流程示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的分子反应走向优化装置模型的结构框图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的电子设备的结构框图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参见图1，本公开的实施例提供了一种分子反应走向优化方法，包括以下步骤：

S1，对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，其中，原油馏分分子和预设反应规则集合中的各反应规则均基于结构导向集总方法表示；

在一些实施例中，所述符合装置模型物性要求的原油馏分分子通过以下步骤得到：

确定原油分子组成；

将原油按照沸点切割处理，得到不同原油馏分的分子组成；

计算各原油馏分的分子物性；

在一些实施例中，所述二次加工为渣油加氢、催化裂化、催化裂解、延迟焦化、加氢裂化、催化重整、烷基化、汽油加氢、柴油加氢、蜡油加氢、汽柴油加氢、气体分馏、芳烃抽提和制氢中的其中一种。

S2，根据装置划分微元反应段，并确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件；

S3，对不同二次加工装置模型的产物进行油品调和；

S4，对于调和油品中的目标分子，基于结构导向集总方法，确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，并跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向；

在一些实施例中，所述目标分子为含有杂原子的分子，目标分子预设含量要求为小于第一预设阈值，例如含有S、N、金属元素的分子；所述目标分子为关键分子，目标分子预设含量要求为大于第二预设阈值，其中，所述关键分子用于提升调和油品的辛烷值、十六烷值、烯烃收率和芳烃收率中的至少一种。

在一些实施例中，所述确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，包括：

基于结构导向集总方法表示原油分子组成；

确定含有目标分子分子结构的目标原油分子组成；

S5，调整节点处反应操作条件，建立目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系；

在一些实施例中，所述反应操作条件包括反应温度、反应时长和反应压力中的至少一种。

在一些实施例中，在所述目标分子为含有杂原子的分子的情况下，调整节点处反应操作条件，使得含有杂原子的分子减少，直至含有杂原子的分子的含量小于第一预设阈值；在所述目标分子为关键分子的情况下，调整节点处反应操作条件，使得关键分子增加，直至关键分子的含量大于第二预设阈值。

在一些实施例中，目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系，实质上是以目标原油馏分分子为反应物，以目标分子为产物之间的节点处，发生反应后的分子组成和物性与该节点处的反应操作条件之间的变化关系。

S6，基于分子走向与反应操作条件之间的对应关系，确定满足目标分子预设含量要求的反应操作条件。

在本实施例，步骤S1中，所述对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，包括：

在本实施例，步骤S2中，所述根据装置划分微元反应段，并确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件，包括：

将当前装置的反应时长划分为多个微元反应段，并对每一个微元反应段构建常微分方程，根据预设的反应速率常数初值和每种反应物分子的含量求解所述常微分方程，得到微元反应段内发生反应后的分子组成和物性，其中，所述分子组成包括分子的种类和含量；

在本实施例中，所述将当前装置的反应时长划分为多个微元反应段，并对每一个微元反应段构建常微分方程，根据预设的反应速率常数初值和每种反应物分子的含量求解所述常微分方程，得到微元反应段内发生反应后的分子组成和物性，包括：

；

，其中，常微分方程组包括：零级反应，/>

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和比热容，计算温度随时间的变化/>

，以得到该微元反应段出口的温度；

根据理想气体常数R和温度随时间的变化

计算压力随时间的变化/>

，以得到该微元反应段出口的压力；

在本实施例，步骤S4中，所述跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向，包括：

在本实施例中，所述方法还包括：

高亮反应走向中的各个反应物和产物，显示反应走向，以在调整节点处反应操作条件，快速建立目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系。

本公开在确定目标分子的分子走向的同时，通过分子水平计算引擎计算各分子在各节点的浓度，更直观的反应分子的走向及浓度变化。在此基础上，重点关注目标分子结构的分子走向，通过多次模拟的方法，寻找其分子走向与操作条件或脱除工艺的关系。通过对操作条件或脱除工艺进行调整，实现油品价值或品质的提高。

本公开基于结构导向集总方法，区别于传统的集总模型，从分子水平跟踪所有原油分子的反应转化路径，特别是原油分子中具有关键分子或含有杂原子的分子结构的原油分子的反应走向，通过模拟的方式寻找该反应走向与反应操作条件之间的关系，以此为基础优化反应操作条件，实现油品价值或品质的提高。

本公开基于结构导向集总方法，从分子水平实现反应网络的自动生成及分子反应路径查询，借助分子水平计算引擎，实现各分子在各微元反应时间节点处的浓度等数据的计算，能够更加直观的观察到反应分子的走向及浓度变化。

参见图2，本公开的实施例提供了一种分子反应走向优化装置，包括：

生成模块11，用于对于每个二次加工装置模型，基于装置模型对应的预设反应规则集合，将符合当前装置模型物性要求的原油馏分分子作为反应物，生成装置模型对应的反应网络，其中，原油馏分分子和预设反应规则集合中的各反应规则均基于结构导向集总方法表示；

第一确定模块12，用于确定由微元反应段构成的节点处发生反应后的分子组成和物性以及反应操作条件；

调和模块13，用于对不同二次加工装置模型的产物进行油品调和；

第二确定模块14，用于对于调和油品中的目标分子，基于结构导向集总方法，确定含有目标分子分子结构的目标原油馏分分子，并跟踪目标原油馏分分子在各个反应网络的反应走向；

调整模块15，用于调整节点处反应操作条件，建立目标原油馏分分子的反应走向与反应操作条件之间的对应关系；

第三确定模块16，用于基于分子走向与反应操作条件之间的对应关系，确定满足目标分子预设含量要求的反应操作条件。

上述装置模型中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置模型实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置模型实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述第二个实施例中，生成模块11、第一确定模块12、调和模块13、第二确定模块14、调整模块15和第三确定模块16中的任意多个可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。生成模块11、第一确定模块12、调和模块13、第二确定模块14、调整模块15和第三确定模块16中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑阵列（PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，生成模块11、第一确定模块12、调和模块13、第二确定模块14、调整模块15和第三确定模块16中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

参见图3，本公开的实施例提供的电子设备，包括处理器1110、通信接口1120、存储器1130和通信总线1140，其中，处理器1110，通信接口1120，存储器1130通过通信总线1140完成相互间的通信；

存储器1130，用于存放计算机程序；

处理器1110，用于执行存储器1130上所存放的程序时，实现如下所示分子反应走向优化方法：

对不同二次加工装置模型的产物进行油品调和；

上述的通信总线1140可以是外设部件互连标准(PeripheralComponentInterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended IndustryStandardArchitecture，简称EISA)总线等。该通信总线1140可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口1120用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器1130可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器1130还可以是至少一个位于远离前述处理器1110的存储装置模型。

上述的处理器1110可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

本公开的实施例还提供了一种计算机可读存储介质。上述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，上述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的分子反应走向优化方法。

该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置模型中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置模型中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的分子反应走向优化方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置模型或者器件使用或者与其结合使用。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。