消除装置“瓶颈”的有效手段——乙烯生产过程建模、控制和优化技术分析

    乙烯是大宗石化原料。由于其装置能耗大，世界各国都在想方设法节能降耗，降低生产成本，提高企业整体效益。当前，乙烯生产过程建模、控制与优化技术已成为最活跃的研究领域之一。世界各国的经验表明，过程建模、流程模拟、先进控制与优化技术是提高企业经济效益、降低生产成本、提高工艺设计水平、消除装置‘瓶颈‘的主要手段。 
　　乙烯生产过程建模是指应用热力学方法、化工单元操作原理、化学反应等基础学科，采用数学方法来描述乙烯生产复杂的工艺过程，并通过计算机进行物流平衡、能量平衡、相平衡等工艺计算，对组分进行平衡、物理分离、化学反应等计算，从主观的经验操作转为利用计算机对工况进行科学分析研究。优化是指从全局着想，将所有生产操作成本、进料成本与产品价值同时考虑，找出少投入多产出的条件，最终目标是使企业获得最佳经济效益。而控制是根据模型的计算结果和优化目标，通过对装置的操作工况和工作参数进行调整和干预，使其始终按理想状况进行生产。
　　准确的过程模型是开展流程模拟、先进控制和操作优化的基础，乙烯生产过程的建模主要在裂解炉和裂解气分离系统。
　　裂解炉模型研究已经历了经验模型、分子模型和机理模型3个阶段。经验模型只能适用于某些特定油品和操作条件，外推性差；分子模型过于简化，对许多现象无法解释。从20世纪70年代开始，科技人员加强了以自由基反应为机理的烃类热裂解模型研究。目前，该研究已能够较合理地解释碳原子数较少的烷烃裂解过程，并能较合理地描述单一烃的热裂解过程。存在的不足是还不能满意解释碳原子数较多烷烃的裂解过程；对混合烃的裂解过程，尤其是相互作用较大的系统描述比较困难；对高裂解深度情况下产物分布和收率预测的研究还不尽人意；生碳和结焦机理仍没有搞清楚。
　　多年来，国内外许多学者就裂解炉模型的建立开展了一系列研究。目前荷兰KTI公司的SPYRO模型是世界上惟一商业化的基于自由基反应动力学的烃类裂解模型。SPYRO模型包括129种分子和20个自由基，反应数达3500多个，模型的开发和确认采用了中试装置的庞大数据库和工业数据。目前约有80％的乙烯生产厂获准使用SPYRO模型进行生产优化和设计检验。在已知原料详细组成的情况下，该模型可成功模拟C2到石脑油在各种几何形状裂解炉管中的热裂解过程，准确度很高，可用于裂解原料选择、裂解炉设计、流程模拟、过程控制、操作优化、收率预测和清焦周期估计等许多方面。为使整个裂解炉模型更加完善，近年来KTI公司还推出3个与SPYRO模型配套的软件。
　　裂解气分离系统精馏塔的模型研究也已经历了由稳态到动态、由平衡级到非平衡级的过程。1985年以前，板式精馏塔的数学模型均为平衡级模型。
　　非平衡级模型是完全建立在传质和传热速率方程基础上的多元分离过程模型。非平衡级模型通过直接计算传质和传热过程反映分离效率，能够更准确地反映出在不同操作条件下的对象特性，是目前流程模拟和过程优化领域的前沿技术之一。非平衡级模型引入了传质速率方程，无需估计塔板效率，克服了传统平衡级模型估计分离效率的困难和模型计算误差。
　　目前，非平衡级模型技术已经在我国某炼厂脱丙烷塔和丙烯塔在线优化中得到成功应用。近年来，非平衡级模型还成功应用于两相精馏和三相精馏，板式塔和填料塔、吸收、萃取、共沸和反应精馏、间歇蒸馏以及过程设计等许多方面，并正在将其应用于乙烯生产过程裂解气的分离研究中。
　　先进过程控制（APC）技术在乙烯生产过程中用得最成功的当属动态矩阵控制（DMC）法，代表产品是Aspen Tech公司的DMC Plus。DMC Plus主要包括预估模块、线性规划模块、动态控制模块。
　　原Setpoint公司开发了烯烃装置计算机优化控制系统，采用了稳定化控制、约束控制、局部优化控制、整体优化控制的四级递阶控制策略，并在实际应用中取得很好效果。该公司称，采用这种优化控制软件包，在相同的烃进料下，可提高乙烯产量3％～5％，降低能耗10％～15％，且在较高的裂解深度下，裂解炉运行时间可延长30％。另外，ABBSimcon公司也开发了烯烃工厂模拟和优化软件包OPSO，已在多套乙烯装置上成功应用。目前，在线闭环实时优化技术在乙烯生产过程的优化中得到广泛应用，其典型产品是AspenTech公司的RT－OPT软件，该软件的实质是稳态流程模拟与优化。
　　我国对乙烯生产过程先进控制和优化技术的研究还很不够，在拥有自主知识产权的产品方面更是一片空白，这种现状应引起高度重视。