多参数协同优化方法在催化裂化装置中的应用

陈开彬

（广东华鉴安全评价有限公司）

催化裂化在石油炼制中是重要的二次石油加工过程， 主要是将石油中的重质油裂解成汽油、柴油等轻质油，同时副产品为焦炭、油浆和干气［1，2］。随着石油重质化程度的加重和劣质化程度的加深，出现了许多催化裂化新工艺，由于丙烯的需求量也在不断增加，对生产丙烯的催化裂化装置的研究也越来越深入［3］。

目前，国内有很多技术人员对催化裂化装置的各个参数指标进行了研究，也取得了一些优质的效果， 但是大多数都只是对局部进行了改造，优化的也只是单参数，还没有实现多参数的协同优化［4］。 因此，笔者针对原有的研究结果，设计了一种催化裂化装置的多参数协同优化方法，主要将从催化装置中主分馏塔的塔顶聚集来的富气和劣质的粗汽油分离成液化气、干气和相对比较稳定的汽油，从而实现多参数协同优化。

1 催化裂化装置多参数协同优化方法设计

1.1 催化裂化装置参数的选取

催化裂化反应属于一种非扩散控制型的化学反应，在反应过程中，催化裂化的速度主要取决于吸附的速度和反应的速度，除此之外影响催化裂化反应的因素还有催化裂化装置结构、催化裂化的反应时间、压力、温度以及原料的性质和催化剂的性质等，其中原料的性质、催化裂化装置结构及催化裂化的压力等是不可以随时进行调整的操作条件，因此，要选取对催化裂化有明显影响且还可以调整的催化裂化装置参数进行协同优化［5］。

催化剂活性。 当参加催化裂化的原料性质和其他操作条件都保持不变时，对催化裂化装置的转化率起到决定性作用的主要是催化剂的活性［6］。 催化裂化装置的转化率随着催化剂活性的升高而增大，催化裂化装置的转化率升高会使汽油的选择性随之下降，催化裂化装置的总液体收率也会下降，气体和焦炭的产出率会增加；如果催化剂的活性下降，催化裂化装置的转化率也会下降， 这时就会抑制柴油发生二次裂化反应，提高柴油的产出率，但与此同时也降低了汽油的产出率，因此，提高催化裂化装置总液体收率的关键就是选择最合适的催化剂活性。 在整个催化裂化装置多参数协同优化过程中，要保证原料的性质稳定，表1 列举出了催化裂化装置各项指标的平均值，基于这一情况，表2 总结了不同催化剂活性与各催化裂化产品收率的关系［7］。

表1 催化裂化装置各项指标的平均值

表2 不同催化剂活性与各催化裂化产品收率的关系 %

催化裂化反应温度。 催化裂化反应温度是控制催化裂化装置反应深度、产品性质和反应原料转化率的可调节参数之一。 在实际催化裂化过程中，提高催化裂化反应温度，催化裂化反应速度会随之增大，且催化裂化的反应速度与反应温度成正比关系。 如果参加反应的原料和催化剂活性都保持不变， 反应速度会随着温度的升高而加快，使得气体的产出率大幅增加，导致汽油的产出率和反应温度急剧下降。 在保证催化裂化装置原料加工量稳定且催化剂活性保持在60%～63%之间的情况下，分析不同催化裂化反应温度下产品收率与催化裂化装置总液体收率（表3），可以得出：催化裂化反应温度在500～505℃之间时，催化裂化装置的总液体收率最高［8］。

表3 不同反应温度下产品收率与催化裂化装置总液体收率

催化裂化装置的剂油比。 剂油比是影响催化裂化装置转化率的重要因素，也会影响产品的分布［9］。如果催化裂化反应的温度、时间和催化剂活性都相同，催化裂化反应的速度会随着剂油比的增大而增大，使促进反应的催化剂与反应原料更加充分接触，缩小了待生催化剂和再生催化剂的炭差值，可以有效提升原料的转化率。 但是当剂油比升高到一定数值时，原料的转化率也会随之加快，干气和焦炭的产率随之增多，导致汽油、柴油等轻质油的产率大幅降低。 表4 是催化剂活性在60%～63%之间、 催化裂化反应温度在500～505℃之间得到的数据统计结果。 可以看出，当催化裂化装置的剂油比控制在7 时，整个催化裂化装置的总液体收率是最高的。

表4 不同剂油比下各产品收率和总液体收率

催化裂化装置内原料预热温度。 原料预热温度是直接影响催化裂化反应温度、产品分布和雾化效果的因素。 如果催化裂化反应的温度相同，装置内原料的预热温度越高，再生温度也会随之升高，反而转化率和生焦率都会降低，就会导致汽油的收率明显下滑，但是轻柴油的收率不会有特别明显的变化。 如果催化裂化装置的原料预热温度过低就会使油品表面的张力明显上升，提高油的黏度，不会轻易产生雾化现象，生焦量会增大， 这样就会导致催化裂化装置的产品分布变差。 经过综合分析得知：当原料的预热温度控制在200～250℃之间时会达到最佳雾化效果， 而符合工艺要求的原料预热温度是200～210℃， 如果温度提升5℃， 就会使干气的产量提高0.5%，导致轻油质的收率会发生明显降低，但是总液体收率会继续保持平衡。 考虑到效益问题，最合适的原料预热温度应该控制在200～210℃之间。

1.2 构建多参数协同优化模型

对催化裂化装置的多个参数进行协同优化的目的是使催化裂化装置的整体效益达到最大。基于以上参数的选取，在装置进料和反应流程一定的条件下，催化裂化装置的整体效益主要分为产品效益和能耗成本两部分，这主要是由关键操作参数来决定的，产品效益是由装置中干气中跑损的液化气的含量来决定的，而能耗成本主要是由物料冷却费用、各个泵体费用、解吸塔费用、稳定塔再沸器费用和富气压缩机费用组成［10］。 催化裂化装置的干气中夹带液化气组成成分的经济效益损失用G（N）表示，物料冷却费用、各个泵体费用、解吸塔费用、稳定塔再沸器费用和富气压缩机 费用分别用 G（F）、G（P）、G（T）、G（Q）和G（W）来表示，催化裂化装置的整体效益的其他部分都可以看成常数。 干气中夹带液化气组成成分的效益损失以及各类能耗费用之和最小就可以体现为催化裂化装置的产出效益最大。 多参数协同优化模型如下：

其中，minG（M）表示干气中夹带液化气组成成分效益损失与各类能耗费用之和的最小值；s.t.C（M）为能耗费用；a1、a2、a3和 b1、b2、b3分别表示催化裂化装置富气压缩机出口压力p、 解吸塔循环冷却后温度T、 补充吸收剂流量F 的操作下限和上限。

1.3 催化裂化装置多参数优化求解策略

先根据多参数协同优化模型，输入催化裂化装置独立操作各个参数的初始值， 利用流程模型、计算模型等计算协同优化状态参数和目标函数，然后利用寻找最优解方法在所有参数中找到一组新的催化裂化关键操作参数值，再利用流程模型、计算模型等计算协同优化状态参数和目标函数，如果前后两次计算的目标函数的差值小于精度要求， 就可以认为此次计算为收敛模式，否则就要返回，然后再一次求取催化裂化装置的关键操作参数和目标函数。

催化裂化装置的关键操作参数是通过一维搜索和广义既约梯度得到的［11］。 根据抛物线G（X）在 Xi点附近的信息，构造一个与 G（X）比较类似的抛物线F（Y），在特殊条件下，将两条抛物线的极小点重合。 由于新的抛物线比原抛物线简单，可轻易求出新抛物线的极小点，因此将新抛物线的极小点作为一个全新的起点是可行的，这样可在图像中搜索出最优解［12］。

将原抛物线进行转化，可以得到：

要想通过上式得到最优解， 就要先将▽Xi计算出来，搜索最优解的过程就是改变Y 的大小来找出极小点的过程。 因此，抛物线中的G 只是Y的函数，即表示为 G（Y）［13］。 而▽Xi是通过广义既约梯度法得到的，因为抛物线中非独立变量与多参数中独立操作变量属于函数关系，因此将G（X）进行转化：

广义既约梯度法就是将目标函数转化成为含有独立变量的函数，换句话说就是函数中的自变量只有独立变量，因此想要在独立变量内搜索函数的极值，可以求出目标函数对独立变量的梯度。

1.4 催化裂化装置多参数协同优化

根据催化裂化装置多参数优化求解策略，确定催化裂化装置的关键操作参数和目标函数，基于催化裂化装置参数的选取，构建多参数协同优化模型，实现催化裂化装置多参数协同优化。

其中在构建多参数协同优化模型的基础上，分析催化裂化装置多参数优化求解策略可以实现催化裂化装置多参数协同优化，其催化裂化装置多参数优化求解策略流程如图1 所示［14］。

图1 催化裂化装置多参数优化求解策略流程

在详细分析优化求解策略后，以选取的装置参数为基础，构建优化模型，实现催化裂化装置多参数协同优化。

2 实例验证

上述分析只在理论上说明了协同优化方法的有效性，为明确验证本文方法的可靠性，将本文方法与催化裂化装置单参数优化方法做对比实验，对比两种方法下的石油产出能力。

2.1 实验参数

催化裂化装置石油产出能力对比实验的参数选择如下：

催化剂活性 60.3%

反应温度 500～510℃

剂油比 7

原料预热温度 200~210℃

2.2 实验方法及步骤

实验过程中，采用催化裂化装置的反应温度作为实验的自变量，利用两种优化方法进行催化裂化装置石油产出能力对比实验，为了保证本次实验结果具有鲜明的对比性，实验开始前选择同一套催化裂化装置并且原料的产出也一致，保证实验装置的稳定性，实验的具体操作步骤如下：

a.准备对比实验环境，检查催化裂化装置是否可以稳定运行；

b.给催化裂化装置施加不同大小的反应温度，在不采用任何优化方法的情况下运行，保证催化裂化装置的安全稳定；

c.保持催化剂活性在57%～64%之间、 剂油比为 6～8 之间、预热温度在 200～210℃范围内，进行对比实验；

d.为了提高本次对比实验的精准度，引入石油产出效率作为本次实验的对比指标；

e.反应温度每隔5℃取一点， 进行石油产出效率的计算；

f.在未执行任何优化方法时记录石油产出效率；

g.分别采用催化裂化装置单参数优化方法和催化裂化装置多参数协同优化方法，记录催化裂化装置的石油产出效率，并绘制催化裂化装置石油产出效率曲线。

2.3 结果分析

根据采用不同优化方法得到的催化裂化装置石油产出效率可知（图2），两种优化方法下的催化裂化装置石油产出能力有很大差别，笔者设计的催化裂化装置多参数协同优化方法下的催化裂化装置的石油产出效率较高，随着反应温度的升高平均石油产出效率为89.63%，而催化裂化装置单参数优化方法下的催化裂化装置的石油产出能力明显较低，因此可以得出笔者设计的催化裂化装置多参数协同优化方法可以完成催化裂化装置的多参数协同优化工作，提升催化裂化装置的石油产出效率。

图2 催化裂化装置石油产出效率曲线

3 结束语

笔者提出了一种催化裂化装置多参数协同优化方法，基于催化裂化装置参数的选取，构建多参数协同优化模型，依托催化裂化装置多参数优化求解策略的分析，实现催化裂化装置多参数协同优化。 实验结果表明，催化裂化装置多参数协同优化方法相比于催化裂化装置单参数优化方法，对催化裂化装置的石油产出具有较高的产出能力。 希望本文的研究能够为催化裂化装置多参数协同优化方法的应用提供理论依据。