面向石化过程节能的多级分离技术与系统协同优化策略研究

A petroleum fraction is composed of thousands of complex components. In general, a petrochemical plant involves a great number of energy-intensive multi-stage separation processes for production of oil fractions with defined specifications. The multi-stage separation process is not only related to the separation devices but also to the material and energy flows. It is an important task for improving the energy efficiency of petrochemical processes to determine the key parameters and optimize the multi-stage separation processes and the whole system collaboratively..The superstructure model and the corresponding optimal mathematical model for multi-stage separation processes are formulated based on the thermodynamic analysis and the petroleum fraction characteristics. The impact of key operating parameters, such as temperature and pressure, on the petroleum fraction separation is analyzed, with which the optimum parameters are then determined. A total cost model of multi-stage separation processes is developed through balancing the equipment investment and operating cost. Meanwhile, the multi-stage separation grand composite curve (MSGCC) is constructed, through which the interaction relationship between the MSGCC and the grand composite curve (GCC) is revealed. A collaborative optimization model for multi-stage separation processes and process energy integration is built, and corresponding solution strategies are then proposed. The collaborative optimization method developed is used to guide the design and retrofit of the practical petrochemical separation processes, which provides the theoretical and engineering supports for global optimization of petrochemical separation processes.

石油馏分包含复杂的多元组分，石化产品生产通常涉及大量的高耗能石油馏分多级分离过程。石化多级分离过程既涉及到分离设备，又与物料流、能量流相互关联，如何优化确定多级分离过程的关键参数，以及协同优化多级分离过程与系统整体，是提高石化过程系统能量效率的重要方面。.本项目首先基于热力学分析和石油馏分特征，构建石化多级分离过程的超结构模型和数学模型，分析温度、压力等关键操作参数对石油组分分离的影响，优化确定关键分离参数；然后权衡多级分离过程的设备投资和操作费用，开发多级分离过程总费用模型；同时，构建多级分离过程总组合曲线，分析该曲线与系统总组合曲线的关联关系，构建多级分离过程与能量集成的协同优化模型，研发相应的求解策略。将开发的协同优化方法指导实际是石化分离过程的设计或节能改造，为石化分离过程全局优化提供理论和实证支持。

本项目以高能耗、高物耗和高潜在污染的石油化工及煤化工过程为研究对象，综合考虑石化分离过程物料高效回收、能量高效利用、环境最小污染等目标，基于复杂石油馏分多级分离过程的物料流和能量流共性特征，借助热力学分析原理、基于夹点分析的图像学方法及数学规划等方法，在过程强化与工艺改进、能量系统协同优化、分离过程能效强化等方面取得了以下研究成果。.第一、多级分离工艺过程强化机制及用能优化研究：针对与外界同时存在能量、质量交换的单元设备，如萃取塔、萃取精馏塔等分离设备，结合工艺过程强化机理，以相平衡分析、用能分析、数学规划法等方法研究探讨典型的受相平衡限制的汽液、液液分离过程的用能共性规律，分析、消除多级分离过程热力学瓶颈，并提出可行的用能改进方案及流程优化方案。基于热力学分析和石油馏分特征，借助流程模拟技术，构建了多级分离过程物料、能耗的数学模型，分析温度、压力等关键操作参数对石油组分分离的影响。通过物料流追踪，揭示物料组分在不同分离级数或流程上的迁移规律及分离过程中物料流与能量流的相互作用及转换机制。.第二、能量系统协同优化研究：针对与外界仅有能量交换的分离系统，综合考虑能耗和设备费用，借助热力学分析原理、基于夹点分析的图形学方法及数学规划法，以常减压装置为例，提出了针对渐次升温多级蒸馏过程的能耗超结构模型，综合探讨分离级数、温度、压力等操作条件对过程能耗的影响。以催化裂化为例提出了针对渐次降温的多级分离能量回收模型及物料与能量集成的协同优化策略，为石化多级分离过程的产品设计、过程设计与运行优化、节能改造等工程应用提供理论指导。.第三、分离过程能效强化的循环水冷却系统协同优化策略研究：以循环水冷却系统中闭式冷却塔设备为主要研究对象，通过理论分析、数值模拟与实验研究相结合，分别研究了闭式冷却塔热质传递主要区域的气-液两相流动分布规律及其热质耦合传递过程作用机制。揭示空气-水膜-换热表面的耦合传质传热在冷却塔内的分布规律，建立传质传热耦合关联模型，为实际闭式冷却系统的优化设计与运行提供指导。