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Estado actual y tendencias de desarrollo de la tecnología de optimización en el campo químico y de refinación global. A medida que los países de todo el mundo prestan cada vez más atención al trabajo de optimización en el campo de la refinación y la química y realizan investigaciones en profundidad sobre la tecnología de optimización, las instituciones de investigación y empresas de tecnología nacionales y extranjeras relevantes han logrado grandes avances en el campo de la refinación y la optimización química, especialmente la tecnología de optimización de simulación y la investigación y el desarrollo de software de optimización de energía. Al mismo tiempo, la aplicación de tecnología de optimización también ha generado considerables beneficios económicos para las empresas químicas y de refinación. A continuación se presenta el estado actual de la investigación teórica sobre optimización de simulación y optimización de sistemas energéticos, el estado actual de las aplicaciones de investigación y las tendencias de desarrollo de las empresas de tecnología nacionales y extranjeras. (1) Estado actual de la investigación sobre la teoría de optimización de sistemas energéticos. La investigación sobre la teoría de los sistemas de energía de proceso comenzó en la década de 1970. Con la profundización de la investigación, académicos nacionales y extranjeros han propuesto sucesivamente modelos de interacción de tres subsistemas, modelos "cebolla" y modelos de tres enlaces para describir la estructura, el papel y los cambios de la energía en los sistemas de procesos. En 1983, cuando Townsend y Linnhoff estudiaron los métodos estructurados involucrados en la optimización de procesos, consideraron que el sistema de proceso consistía en algunos subsistemas que interactúan para simplificar el proceso de optimización del diseño, y propusieron un modelo de interacción de tres subsistemas, que dividió el sistema de proceso en tres subsistemas: procesamiento (reacción, separación), red de intercambio de calor y energía. Esto refleja cualitativamente las conexiones internas y las limitaciones de la conversión y utilización de energía del sistema de proceso, pero no puede reflejar con precisión la esencia de la estructura energética. En 1988, Linnhoff et al. propuso el "modelo cebolla" para enfatizar las características jerárquicas del diseño de procesos. El núcleo es el subsistema de reacción y el resto, desde el interior hacia el exterior, son el subsistema de separación, la red de intercambio de calor y el subsistema de servicios públicos. Sin embargo, este modelo es sólo una descripción aproximada de la estructura energética del sistema de proceso y no proporciona un modelo matemático estricto y cuantitativo. Desde 1982, Hua Ben y otros han propuesto y mejorado gradualmente un modelo de estructura energética de tres enlaces que incluye el enlace de conversión de energía, el enlace de utilización de energía y el enlace de recuperación de energía basado en el análisis de la segunda ley de la termodinámica y partiendo de la ley de cambio de energía en el sistema de proceso. Este modelo proporciona una relación topológica estricta y cuantitativa de la estructura del flujo de energía del sistema de proceso. La clave es distinguir los subsistemas según sus funciones y proporcionar modelos económicos exergéticos, funciones objetivo correspondientes y condiciones de contorno respectivamente, y realizar una evaluación económica exergética y optimización de planes de mejora global basados en la descomposición y optimización de la coordinación de los subsistemas. Sin embargo, debido a la fuerte naturaleza teórica y al complejo proceso de trabajo del método de análisis económico exergético, su aplicación en la producción real de las empresas ha estado sujeta a ciertas limitaciones. (2) Estado de la investigación y las aplicaciones en el país y en el extranjero ① Estado en el extranjero En los últimos años, empresas de tecnología y software de renombre internacional como KBC, ASPEN, Shell GlobalSolutions, Invensys, Honeywell y ProcessIntegrated Limited (PIL) confían en tecnología madura de simulación y optimización de procesos, combinada con métodos avanzados de análisis de pellizcos y una rica experiencia de expertos para formar gradualmente soluciones tecnológicas de optimización de sistemas de energía independientes, y han logrado buenos resultados de aplicación en algunas grandes compañías petroleras y refinadoras internacionales. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1iaoxJWTG6e8t2gT3U8JP2Ah5iaVzrqC0fZlPLD1OmEvGMX7QiadsHb4TMg/0?wx_fmt=png KBC ha desarrollado un software de simulación de procesos Petro-SIM basado en HYSYS.Refinery, y cuenta con craqueo catalítico (FCC-SIM), hidrocraqueo (HCR-SIM), reformado catalítico (REF-SIM) e hidrogenación de nafta (NHTR) que se pueden utilizar en Petro-SIM -SIM), hidrogenación de diésel (DHTR-SIM), hidrogenación de VGO (VGOHTR-SIM), hidrodesulfuración residual (RHDS-SIM), retardada. coquización (DC-SIM), alquilación (ALK-SIM), viscorreducción (VIS-SIM), modelo de isomerización y otros conjuntos de modelos de reactores estándar ； Hemos investigado y desarrollado el software SuperTarget para la optimización de redes de intercambio de calor, el software ProSteam para simulación y optimización de sistemas de vapor y la mejor tecnología de eficiencia en el uso de energía basada en el índice BT (BestTechnology). La tecnología de integración de energía de toda la planta (Total Site) propuesta por su investigación utiliza la tecnología de análisis de pellizco de toda la planta y la aplicación de hojas de ruta de planificación estratégica de desarrollo de ahorro de energía para analizar, optimizar y clasificar el consumo de energía y el suministro de energía de los equipos de proceso de toda la planta y los sistemas de ingeniería pública, a fin de encontrar la manera más rápida y efectiva de mejorar. Actualmente, KBC ha implementado proyectos de optimización de energía Total Site en más de 50 refinerías y plantas químicas, incluidas BP, BASF, ESSO, Chevron, Total, COSMO y Japan Energy Global, logrando ahorros de energía del 15 % al 30 %, una reducción de la demanda de hidrógeno del 8 % al 20 %, ahorros de energía en los compresores del 25 % al 35 % y reducciones de costos totales del 14 % al 20 %. Por ejemplo, una refinería europea aplicó la tecnología de sitio de Total para realizar análisis de pinchazo y modelado de sistemas de vapor, y propuso varios proyectos de ahorro de energía, como la transformación de turbinas, la utilización del calor residual y la generación conjunta de energía en términos de obras públicas. Después de la implementación, el Índice de Intensidad Energética (EII) de la refinería cayó 5 puntos. ； Sasol Fuel Company en Sudáfrica aplicó la tecnología Total Site para analizar el sistema de servicios públicos y propuso muchos proyectos típicos de ahorro de energía, como mejorar la red de intercambio de calor y aumentar la generación de energía conjunta. Después de la implementación, la demanda de servicios públicos se puede ahorrar en aproximadamente un 30%. Aspen tiene numerosos productos de software de simulación y optimización, incluidos Aspen Plus para simulación de procesos químicos, Aspen RefSYS para simulación de procesos de refinería, HYSYS para simulación de procesos químicos, Aspen Dynamics para simulación dinámica, HX-Net y Aspen Pinch para optimización de redes de intercambio de calor, Aspen Utilities para optimización de sistemas de servicios públicos, Aspen PlusOptimizer para optimización en tiempo real y Aspen HTFS+ para cálculos de simulación de equipos de intercambio de calor. serie de productos, software de simulación de dispositivos de reacción parcial de refinería y POLYMER para simulación de reacciones de polímeros, etc. Entre ellos, Aspen Plus es una herramienta de simulación de procesos en estado estacionario. Es el único producto de software que incluye módulos secuenciales y algoritmos de ecuaciones simultáneas en una sola herramienta de simulación. ； HYSYS fue originalmente un producto de Canadian Hyprotech Company. Después de que Aspen adquiriera la empresa en 2002, HYSYS se convirtió en un producto de Aspen. Es el único producto de software con funciones de simulación dinámica y de estado estacionario. ； Aspen PlusOptimizer permite a los usuarios utilizar algoritmos de resolución de ecuaciones simultáneas para resolver de forma rápida y precisa problemas de optimización de funciones objetivo no lineales con múltiples grados de libertad. Proporciona a los ingenieros de la industria de procesos una herramienta eficaz para resolver flujos de procesos grandes y complejos, creando las condiciones para la implementación de sistemas de optimización en tiempo real de circuito cerrado. Como producto anidado de Aspen Plus, puede admitir completamente los grados de libertad, condiciones de restricción, configuración de funciones objetivas, configuración y otras funciones cubiertas en Aspen Plus, y puede usarse para optimización de procesos en línea y simulación fuera de línea. Basándose en los productos de software mencionados anteriormente, Aspen investigó y propuso una solución general para la optimización de la energía, y utilizó su poder experto para llevar a cabo trabajos de análisis de optimización del sistema de energía en muchas empresas químicas y de refinación. Por ejemplo, Aspen implementó un proyecto de optimización de sistemas de servicios públicos en la refinería Bulwer Island de BP en 2000, con un período de recuperación de menos de un año. ； Se llevó a cabo un proyecto de renovación y optimización del ahorro de energía para la unidad de etileno en la planta de etileno de YNCC en Yosu, Corea del Sur. Mediante el ajuste de las condiciones de operación y la modificación del equipo, la producción aumentó en un 10% y el consumo de energía de la unidad se redujo en un 2,2%. ； En 2005, se llevó a cabo un análisis de optimización del sistema energético del diseño de la refinería CNOOC Huizhou, que incluyó análisis y optimización del sistema de hidrógeno, análisis y optimización del sistema de vapor en toda la planta, análisis y optimización del sistema de combustible y energía (cogeneración) en toda la planta, análisis de pinchazo en toda la planta, etc. Después de la optimización, el EII del esquema de diseño cayó de 80 a 61,5, lo que equivale a un beneficio económico anual de 240 millones de dólares estadounidenses. Shell GlobalSolutions utiliza su equipo interno de consultoría profesional y software de optimización de simulación importado y desarrollado para llevar a cabo trabajos de análisis de optimización del sistema energético. Los productos de software utilizados incluyen Aspen Plus, Unisim y ECU de desarrollo propio, SHARC, plan24tune, EMS, etc. Entre ellos, el software ECU se utiliza para la simulación y optimización del horno de craqueo de etileno, y el software SHARC se utiliza para la simulación y optimización de la unidad de craqueo catalítico. Actualmente, Shell GlobalSolutions ha implementado la optimización del sistema energético en 29 refinerías y empresas petroquímicas de todo el mundo, reduciendo el consumo de energía aproximadamente entre un 2 % y un 7 % para las refinerías y aproximadamente entre un 3 % y un 5 % para las empresas petroquímicas. Invensys tiene muchos productos de software en simulación de procesos (simulación dinámica y de estado estacionario), optimización en línea y fuera de línea, sistemas de capacitación de operadores, etc., incluido PRO/II para simulación de procesos químicos, HEXTRAN para equipos de intercambio de calor y optimización de redes, DYNSIM para simulación dinámica de procesos, ROMeo para optimización de simulación en línea, etc. En 2002, la empresa llevó a cabo la optimización del sistema de suministro de etileno para la planta de etileno de Daesan en Corea del Sur y la refinería de Mizushima en Japón. ； En 2005, optimizamos y transformamos el sistema de ingeniería pública de la planta de etileno de Ohita y el sistema de ingeniería pública de la refinería de Aichi. En 2004, Honeywell adquirió HYSYS, un producto de software utilizado para la optimización de la simulación dinámica y de estado estable. En 2005, lanzó una nueva generación de sistema de software de simulación de procesos UniSim basado en tecnologías HYSYS y UOP. Integró sistemas de diseño, optimización en línea y capacitación de operadores en el mismo entorno de producto, y agregó y fortaleció tecnologías como la optimización de la red de intercambio de calor y la síntesis de procesos. Entre ellos, UniSim Desig se utiliza para la simulación de procesos de estado estable, Unisim DynamicOption se utiliza para la simulación dinámica de procesos, UniSim SQP Optimizer Option se utiliza para la optimización de la simulación de procesos, UniSim ExchangerNet se utiliza para el análisis de pellizcos y el diseño de redes de intercambio de calor, y Profit Optimizer se utiliza para la optimización dinámica en línea. PIL ha investigado y desarrollado tecnología de diseño y modificación de sistemas de recuperación e intercambio de calor y software HEAT-int, tecnología y software de optimización de operación y diseño de sistemas de energía de vapor para toda la planta SITE-int, y tecnología y software de análisis de pinchazo de hidrógeno H2-int para la gestión y optimización de recursos de hidrógeno en toda la planta. Entre ellos, el producto de software H2-int tiene un método único de modelado de unidades de hidrogenación y un método de optimización matemática avanzada, y se combina con la simulación estricta del proceso de la red de hidrógeno para describir con precisión las operaciones de cada unidad y realizar una optimización global del funcionamiento del sistema de hidrógeno de la refinería. En la actualidad, la empresa ha implementado una serie de proyectos de optimización del sistema energético y ha logrado buenos resultados de ahorro de energía. Por ejemplo, se realizó un análisis de optimización del sistema energético en 13 conjuntos de unidades de refinación (3 conjuntos de presión atmosférica y de vacío, hidrocraqueo, craqueo catalítico, reformado, alquilación y múltiples conjuntos de hidrorefinación) y 8 unidades petroquímicas de la refinería de BP en Grangemouth. El beneficio anual de ahorro de energía alcanzó los US$7,8 millones con sólo ajustes operativos. ； La optimización del sistema energético de 25 unidades de la refinería Coryton de BP dio como resultado un ahorro energético anual de 3,7 millones de dólares estadounidenses con sólo ajustes operativos. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia8iciaUHhs4yBzUz9POmic1fIDDFzzyibsmu32WKcoofTF6sb2wcpjAhUFQ/0?wx_fmt=png ②Situación actual nacional En los últimos años, Youhua Process Technology Company, la Universidad de Tecnología de Dalian, la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Tecnología del Sur de China, etc., basándose en la introducción de algún software de optimización de simulación avanzada internacional, han investigado y formado de forma independiente tecnologías patentadas como descarga térmica profunda, combinación térmica de sistemas grandes y métodos de temperatura virtual. Han desarrollado productos como software de optimización de intercambiadores de calor, software de optimización de redes de intercambio de calor y software de optimización de sistemas de energía de vapor. Han realizado trabajos integrales de optimización energética de aparatos y salas de aparatos, redes de intercambio de calor, sistemas de energía de vapor, etc., y han conseguido buenos beneficios económicos. La tecnología de optimización del sistema energético de Youhua Process Technology Company se basa en la teoría y el método de optimización integral de energía de "tres enlaces" del sistema de proceso. Esta tecnología se ha utilizado para llevar a cabo más de 40 proyectos de mejora del ahorro energético para empresas químicas y de refinación nacionales. Entre ellos, el resultado de la evaluación "Aplicación de ingeniería de optimización del sistema energético de la industria de procesos en la industria petrolera y petroquímica" organizada por el Departamento Provincial de Ciencia y Tecnología de Guangdong, aprobada en septiembre de 2002, generó beneficios de 120 millones de yuanes por año para cuatro empresas. Los productos de software y tecnología patentados de la empresa investigados y desarrollados incluyen: Software especial de optimización del intercambiador de calor (HEDO), tecnología de optimización de energía después de la alimentación en caliente de la unidad de hidrogenación, descarga profunda de calor y tecnología patentada combinada de calor de sistema grande, tecnología de utilización integral de sistema grande de calor a baja temperatura, software de optimización del sistema de energía de vapor (STOpti), paquete de proceso CWopti dedicado a la optimización de todo el sistema de agua de circulación de la planta, conjunto completo de tecnología de ahorro de energía de la bomba, software de optimización de la red de intercambio de calor (ODHEN), etc. En 2001, se llevó a cabo el proyecto de optimización y transformación del sistema de energía de la unidad de vacío y atmosférica de la refinería de Daqing. Después de la optimización y transformación, un conjunto de presión atmosférica redujo el consumo de vapor entre 2 t/h y 3 t/h, aumentó la temperatura final de intercambio de calor en más de 10 °C y redujo el consumo de combustible en 100 kg/h. ； El segundo conjunto de presión normal aumenta la temperatura final de intercambio de calor entre 6 ℃ y 8 ℃ y reduce el consumo de combustible entre 200 kg/h y 250 kg/h. ； La cantidad de vapor atmosférico se reduce entre 8 t/h y 10 t/h, y la recuperación de calor a baja temperatura aumenta en aproximadamente 2500 kW. La inversión total es de unos 80 millones de yuanes y el beneficio anual de ahorro de energía es de 32 millones de yuanes. Se llevó a cabo la optimización del sistema energético para una empresa petroquímica con una capacidad de procesamiento de petróleo crudo de 13 millones de toneladas/año, y se propusieron e implementaron proyectos como alimentación en caliente y combinación de calor, optimización del sistema térmico de baja temperatura y optimización del sistema de energía de vapor. El costo total del proyecto fue de 160 millones de yuanes, el consumo de energía se redujo en 14,9 kg de petróleo estándar por tonelada y el beneficio económico anual fue de 360 millones de yuanes. La Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de Dalian desarrolló la "Tecnología de integración de energía del sistema de proceso" sobre la base de una innovación independiente y propuso por primera vez el "Principio de coherencia del uso de energía del sistema de proceso" para unificar sistemas de proceso completos complejos y a gran escala desde la esencia del uso de energía en un todo. Su problema de integración energética se transforma en el problema integral óptimo del correspondiente sistema de red de intercambio de calor restringido. Ha desarrollado el software de sistema integrado de optimización de redes de energía a gran escala V1.0, que puede resolver eficazmente problemas de integración de energía de sistemas a gran escala. ； Por primera vez, se propone utilizar el "método de temperatura virtual" (es decir, nivel de temperatura efectivo) para realizar análisis de puntos de pellizco operativos y de diseño para describir correctamente la distribución del flujo de energía en el sistema y luego realizar un diagnóstico preciso del uso de energía. ； La "estrategia de integración de energía del sistema de proceso" se resume para guiar la implementación del diagnóstico de energía del sistema de proceso, el descubrimiento y eliminación de cuellos de botella y la optimización simultánea del ahorro de energía y la expansión de la capacidad de los equipos de producción. En la actualidad, esta tecnología se ha aplicado al análisis del uso de energía y la capacidad de producción de más de 20 unidades de producción en empresas petroquímicas como Dalian, Jilin, Liaoyang, Fushun, Yanshan y Qilu. Se han implementado ocho planes de transformación técnica propuestos para el ahorro de energía y la expansión de la capacidad, que pueden lograr ahorros de energía del 10% al 20% y una expansión de la producción del 20% al 30%, logrando beneficios económicos anuales de 80 millones de yuanes. Entre ellos, se utilizó el método de temperatura virtual para diagnosticar y analizar el consumo de energía del sistema de caja fría de una planta de etileno doméstica para conocer el cuello de botella en el consumo de energía del sistema de proceso. Basado en las características de la pequeña diferencia de temperatura de transferencia de calor en el proceso de baja temperatura y el uso de obras públicas intermedias para las obras públicas en frío, se propuso un método integral de red de intercambiadores de calor de flujos múltiples para el proceso de baja temperatura. Tras la implementación, el consumo de la obra pública fría se redujo en un 44,5%. El Instituto de Ingeniería de Sistemas de Procesos del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Tsinghua ha desarrollado un sistema de simulación de red de intercambio de calor HEXTH altamente flexible y de baja sensibilidad y una herramienta de diseño de optimización del sistema de energía total en toda la planta TSES, que se han aplicado en Yanshan Petrochemical, Qilu Petrochemical y Jinxi Petrochemical. En términos de simulación y optimización de unidades de etileno, desarrollamos el sistema de análisis de simulación de horno de craqueo de etileno GK-V PYRO-SimP y el sistema de optimización y simulación de horno de craqueo de etileno EPSOS. También desarrollamos un modelo cinético de reacción de craqueo y un modelo de optimización de operación de ciclo completo para la pequeña unidad de etileno de Lanzhou Petrochemical, que guió de manera efectiva la operación de la unidad y brindó soporte técnico para aumentar el rendimiento de dieno y reducir el consumo integral de energía de etileno de la unidad. Además, utilizando el software HEAT-int de PIL y el software HEATSim de la Universidad de Tsinghua, se ha investigado y desarrollado una plataforma de software para la optimización y transformación del sistema de recuperación de calor de proceso, que puede realizar el diseño y la transformación automáticos de redes de intercambio de calor, simulación y optimización de redes de intercambio de calor, etc. ； Utilizando el software SITE-int de PIL Company y el software HEATSim de la Universidad de Tsinghua, investigamos y desarrollamos el software de optimización y transformación de ingeniería de servicios públicos de energía de vapor para toda la planta, que puede realizar análisis de ingeniería de sistemas de servicios públicos, análisis y optimización de objetivos de cogeneración de vapor y energía, optimización de simulación de sistemas de ingeniería de servicios públicos, etc. El Instituto de Ingeniería de Procesos de la Academia de Ciencias de China cooperó con Mitsubishi Corporation de Japón para desarrollar un sistema de simulación del proceso de coquización retardada de petróleo pesado, propuso un modelo de componentes con número de carbono y desarrolló un modelo de reactor de coquización retardada. Se integró con éxito en el software Pro/II a través de la interfaz del software Pro/II. ； Software especial desarrollado de forma independiente para la simulación de todo el proceso de coquización retardada, que puede ejecutarse de forma totalmente independiente del software de simulación de procesos comercial existente. ； Se propone un modelo de análisis de eficiencia energética de todo el proceso y un sistema de base de datos basado en energía efectiva para analizar la eficiencia de utilización de energía y las causas de pérdida de energía de materias primas, flujos de flujo, unidades y todo el proceso. El sistema puede ejecutarse de forma independiente o conectarse con software de simulación de procesos como Pro/II, Aspen, etc. (3) Investigación de tecnología clave y estado de aplicación ① Método de evaluación del consumo de energía Actualmente, los principales indicadores de evaluación del consumo de energía de refinación que generalmente son reconocidos por las compañías petroleras y de refinación extranjeras son el Índice de Intensidad Energética (EII) propuesto por Salomon Company y el Índice de Mejores Prácticas (Best Technology, BT) de KBC Company. Además, Shell también tiene su propio índice interno de evaluación del consumo de energía CEL (pérdida de energía correcta), pero aún debe combinarse con el índice EII de Salomon al realizar comparaciones de referencia del consumo de energía. Entre ellos, el índice EII está determinado por factores importantes como el consumo total real de energía de la refinería, la capacidad de utilización del dispositivo, los indicadores de consumo de energía del dispositivo y el consumo de energía del sistema fuera del área límite. Puede reflejar el impacto de las condiciones de los dispositivos de la refinería, los niveles de alimentación, las condiciones operativas y la calidad del producto en el consumo de energía. Es un índice integral de consumo de energía que tiene en cuenta la complejidad de la refinería. Se utiliza principalmente para comparaciones de competitividad horizontal entre diferentes empresas. El índice BT de KBC clasifica a las empresas principalmente basándose en una comparación vertical de la brecha entre el consumo de energía actual de la empresa y su nivel óptimo. Este índice puede reflejar razonablemente el impacto de las materias primas, los procesos y los equipos en los niveles de consumo de energía, y puede señalar los eslabones débiles del consumo de energía en los equipos de las empresas químicas y de refinación y en toda la planta, señalando la dirección que deben tomar las empresas para llevar a cabo una optimización específica del sistema energético. Dado que los indicadores anteriores son relativamente objetivos y fáciles de encontrar el potencial de ahorro de energía y guían el trabajo de ahorro de energía, se han utilizado ampliamente en el análisis de optimización del sistema energético en empresas químicas y de refinación extranjeras. Sin embargo, dado que el contenido de investigación específico del método de evaluación energética es una de las tecnologías centrales de la empresa mencionada anteriormente, el contenido de investigación específico no se anunciará ni se transferirá al mundo exterior. Las empresas de refinación nacionales generalmente utilizan los indicadores de consumo de energía integral y de consumo de energía de factor único para la refinación propuestos por la American Amoco Company en la década de 1980, mientras que el negocio químico siempre ha utilizado los indicadores de consumo de energía integral para productos químicos. En 2005, Sinopec revisó los estándares originales de cálculo del consumo de energía de refinación, principalmente para ajustar el coeficiente de energía de cada unidad de refinación en función de los cambios actuales en el proceso de producción de la unidad de refinación. En 2006, PetroChina revisó los estándares integrales de cálculo del consumo de energía para productos de etileno, modificó el alcance del cálculo y agregó indicadores como el consumo de energía de dieno. La ventaja del índice de evaluación del consumo de energía mencionado anteriormente es que simplifica el concepto de consumo de energía y es fácil comparar el consumo de energía entre dispositivos y entre refinerías. Sin embargo, sólo se puede utilizar para analizar el nivel general de consumo de energía de toda la planta y los dispositivos de la empresa. No puede reflejar el impacto de las materias primas, procesos, equipos, etc. en el consumo de energía del dispositivo. En particular, no puede comparar indicadores clave de sistemas que usan energía y equipos que usan energía dentro del dispositivo, y no puede usarse directamente para encontrar el potencial de ahorro de energía de enlaces clave de dispositivos y sistemas. ②La tecnología de optimización de la simulación de procesos de refinación y los métodos de software utilizados en la simulación de procesos de refinación incluyen principalmente tres categorías:: Método modular secuencial, método de ecuaciones simultáneas y método modular simultáneo. Entre ellos, el método del módulo secuencial es un método que calcula y resuelve secuencialmente el modelo del sistema unidad por módulo. Debido a que el modelado es intuitivo y fácil de entender, la mayoría del software de simulación de procesos químicos y de refinación más utilizado actualmente se desarrolla en base a este método. Los métodos de optimización para el proceso de refinación incluyen principalmente métodos de programación matemática, métodos de inteligencia artificial y métodos de análisis pinch (utilizados principalmente para la optimización de redes de intercambio de calor). Los productos de software de optimización de simulación que se revisan a continuación se basan principalmente en los métodos de simulación y optimización anteriores. Petro-SIM es un simulador de procesos gráfico con todas las funciones que combina la tecnología KBC Profimatics líder en la industria con modelos de procesos rigurosos de refinería probados y está desarrollado en base a la interfaz HYSYS.Refinery. Petro-SIM puede construir una típica "refinería de escritorio" y también proporciona un conjunto relativamente completo de modelos de reacción para unidades de producción de refinerías, incluidas unidades de craqueo catalítico, unidades de reformado catalítico, unidades de hidrocraqueo, hidroacabado (incluidas hidrogenación de nafta, hidrogenación de diésel, hidrogenación de aceite de cera e hidrodesulfuración de aceite residual), coquización retardada, desproporción de hidrocarburos aromáticos, isomerización, etc. El software se ha utilizado en más de 120 empresas químicas y de refinación en todo el mundo y ha logrado buenos resultados en la optimización del plan de producción, PIP y optimización del sistema energético. Aspen RefSYS es un excelente software para la simulación completa de procesos de refinería establecido por Aspen basado en el maduro sistema de simulación de procesos generales HYSYS e integrando varios modelos de reacción de refinación (incluyendo craqueo catalítico, reformado catalítico, hidrocraqueo e hidrorefinación) de Aspen y la empresa de tecnología de refinación de renombre mundial UOP. Puede ayudar a las refinerías a mejorar los métodos operativos y predecir con mayor precisión los beneficios de toda la planta. Actualmente, 23 de las 25 principales empresas petroleras del mundo utilizan este producto. Aspen Plus es la herramienta de simulación de procesos químicos en estado estable de Aspen. Puede resolver el equilibrio de masa y energía en estado estacionario de procesos continuos. Tiene una base de datos completa, una larga línea de productos y sólidas capacidades de integración. Es el único software de simulación que incluye módulos SM secuenciales y algoritmos EO de ecuaciones simultáneas en una sola herramienta. Además de componentes, propiedades físicas y ecuaciones de estado, también incluye una gran cantidad de módulos de operación unitaria, con potentes funciones de análisis de modelos y procesos. El producto PRO/II de Invensys es un software de simulación de procesos químicos de estado estacionario de uso general, que se originó a partir del primer simulador de destilación de refinación del mundo, SP05, desarrollado por SimSci en 1967. En 1973, SimSci lanzó un simulador basado en diagramas de flujo y, en 1979, se lanzó el software de simulación de procesos basado en PC Process (el predecesor de PRO/II). PRO/II tiene una base de datos completa de propiedades físicas, un potente sistema termodinámico de cálculo de propiedades físicas y más de 40 módulos de operación unitaria, que pueden usarse para simulación de procesos en estado estacionario, cálculos de propiedades físicas, diseño de equipos, estimación de costos/evaluación económica, evaluación de protección ambiental y otros cálculos. ROMeo es una nueva generación de sistema de optimización en línea con una arquitectura de aplicación abierta desarrollada conjuntamente por Invensys y Shell. Combina las ventajas de Invensys en termodinámica y procesos unitarios con la tecnología líder de Shell en modelado matemático y algoritmos de optimización. Es un sistema de optimización de simulación en línea basado en mecanismos estrictos y orientado a la resolución de ecuaciones, que puede proporcionar soluciones de software integrales para la simulación y optimización del proceso de refinación de petróleo. ROMeo se ha convertido en el producto de software estándar de ExxonMobil para la optimización de procesos en línea. Unisim es una nueva generación de software de simulación de procesos lanzado por Honeywell en 2005 basado en tecnologías HYSYS y UOP. Integra sistemas de diseño, simulación, optimización en línea y capacitación de operadores en el mismo entorno de producto, y agrega y fortalece tecnologías como la optimización de redes de intercambio de calor y la síntesis de procesos. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia6dtaryM36g6VMibVibJIXF7Nng7BF5ficvYD5mSVT9BRmKZOaiax3Q2JfQ/0?wx_fmt=png ③Tecnología y software de optimización de simulación para equipos clave de refinación. Como dispositivo principal de la refinería, la unidad de destilación atmosférica y al vacío incluye principalmente torres de destilación complejas con alimentación intermedia, descargas múltiples y reflujo intermedio, como la torre de destilación inicial, la torre de presión atmosférica y la torre de vacío. Los métodos de simulación para columnas de destilación tan complejas incluyen principalmente el método de cálculo placa por placa, el método matricial y el método del factor F. El más utilizado es el método de cálculo placa por placa, y se han formado los módulos de simulación correspondientes, como el módulo de columna de destilación de petróleo de Aspen RefSys, el DIS-SIM de Petro-SIM, el módulo PetroFrac de Aspen Plus, etc. Estos módulos se han utilizado en muchas refinerías y pueden lograr una precisión satisfactoria. La unidad de craqueo catalítico es una importante unidad de procesamiento secundario en una refinería, y el núcleo de su optimización de simulación reside en el sistema de reacción-regeneración. En la actualidad, los productos de software de optimización de simulación relevantes desarrollados en el país y en el extranjero incluyen principalmente Aspen FCC y Aspen RefSYSCatCracker de Aspen Company, FCC-SIM de KBC Company, SHARC de Shell Company, etc., así como FCCM de Luoyang Petrochemical Engineering Company nacional. Entre ellos, Aspen La parte del modelo de reacción del software de la FCC adopta el modelo cinético de reacción de 21 concentrados, que actualmente es relativamente completo y maduro en la caracterización de reacciones de craqueo catalítico. Puede describir razonablemente el proceso de reacción del craqueo catalítico. El modelo de reactor riser está equipado con 1 sección de preelevación y 2 secciones de reacción. La sección de separación de productos se corta utilizando un método de correlación, que puede simular cambios en las propiedades de alimentación, condiciones de operación, etc. De acuerdo con las reglas cambiantes de distribución y propiedades del producto, también se puede llevar a cabo el cálculo de optimización del dispositivo. El objetivo de optimización establecido puede ser el rendimiento máximo de un producto específico o el máximo beneficio económico del dispositivo. Las variables de optimización son la temperatura de precalentamiento de la materia prima, la temperatura de salida del tubo ascendente, el contenido de oxígeno del gas de combustión de regeneración, la presión del sedimentador, la presión del regenerador, el flujo de aceite reciclado, la lechada de aceite reciclado, la actividad del catalizador, etc. Aspen RefSYSCatCracker es un modelo de mecanismo riguroso simple y fácil de usar. Es un módulo de unidad de refinación en Aspen RefSYS y puede integrarse rápidamente en todo el proceso de la planta. FCC-SIM de KBC Company es un modelo de simulación del mecanismo de unidad de craqueo catalítico. Utiliza estrictos principios cinéticos de combustión de coque para establecer un modelo de equilibrio térmico. Tiene modelos cinéticos detallados para reactores ascendentes, coquización regeneradora, etc. El modelo de actividad del catalizador puede seleccionar las materias primas, tasas de conversión y catalizadores óptimos para una unidad de craqueo catalítico específica. SHARC, lanzado por Shell Company en 1995, también es un modelo de mecanismo estricto que puede usarse para predecir el impacto de los cambios en las materias primas, los catalizadores y las condiciones operativas en el funcionamiento de la unidad de craqueo catalítico, y optimizar el funcionamiento de la unidad. Hasta ahora se ha actualizado siete veces. El modelo primero calcula el equilibrio de carbono y calor del dispositivo y luego predice el impacto de los cambios en las materias primas, las tasas de adición de catalizadores y las condiciones operativas en el rendimiento y el rendimiento del producto, lo que permite a los usuarios mejorar el funcionamiento del dispositivo mediante la selección y optimización de materias primas, la evaluación y el control del catalizador. ； Se utiliza la tecnología de representación de propiedades de materia prima patentada de Shell, como el uso de coque no evaporable (NVC) para predecir el rendimiento de coque con mayor precisión que el uso habitual de residuos de carbono de Conradson. ； Tiene una estructura abierta y se puede combinar fácilmente con otros optimizadores en línea y modelos de programación lineal de refinería. El FCCM de Luoyang Petrochemical Engineering Company se desarrolla sobre la base del modelo cinético de trece unidades de craqueo catalítico de petróleo pesado y la cinética intrínseca de la regeneración del catalizador y el modelo de flujo y transferencia del regenerador. Es adecuado para diferentes tipos de reactores y regeneradores. El reformado catalítico es uno de los dispositivos de procesamiento secundario importantes en una refinería. La investigación y el desarrollo del modelo cinético de reacción de reformado es el contenido central de la realización de la simulación del proceso completo del dispositivo de reformado. Ya que en la reacción participan más de 300 compuestos, involucrando reacciones como la deshidroaromatización nafténica, la deshidrociclización de alcanos, la isomerización y el hidrocraqueo. Estas reacciones son en serie, paralelas o se cruzan, formando un sistema de reacción complejo. Por lo tanto, la clave para el proceso de desarrollo del modelo cinético de reacción es simplificar razonablemente los componentes agrupados y construir una red de reacción entre los componentes. En la actualidad, los académicos nacionales y extranjeros han desarrollado muchos modelos cinéticos de reacción agrupada, incluido el modelo de 4 agrupaciones de Smith, el modelo de 13 agrupaciones de Ramage, el modelo de 16 agrupaciones de Weng Huixin et al., el modelo de 24 agrupaciones de Jorge, el modelo de 28 agrupaciones de Froment, etc. El más representativo es el modelo de 13 agrupaciones de Ramage, que se utiliza ampliamente en la puesta en marcha, monitoreo de procesos, diagnóstico de fallas, operación y diseño optimizados, guía de investigación y desarrollo de dispositivos industriales, etc., y ha logrado importantes beneficios económicos. En la actualidad, algunos software de simulación de procesos generales tienen modelos de reacción de reformado catalítico incorporados, como el módulo Reformer de Aspen RefSYS y el módulo Ref-SIM de KBC. El modelo de reacción de reformado catalítico incorporado de Aspen RefSYS puede simular unidades de reformado continuo y semiregenerativo, con tasas de desactivación del catalizador basadas en la carga de metal del catalizador y el rendimiento histórico del catalizador. REF-SIM de KBC tiene modelos para unidades de reformado continuo, reformado semiregenerativo y reciclaje, incluidas reacciones cinéticas detalladas determinadas por el número y tipo de carbono. Como dispositivo clave para producir productos de petróleo ligero de alta calidad, la unidad de hidrocraqueo tiene estrictos requisitos de modelado. Actualmente, varios modelos cinéticos de reacción de hidrocraqueo representativos incluyen: 1) Cuatro modelos agrupados se dividen según el número de productos y rangos de ebullición. Este modelo se aplica al destilado al vacío de Romanashkin y al destilado al vacío de Alans. A una determinada temperatura y presión, los valores predichos del modelo de reacción son consistentes con los valores experimentales. ； 2) Modelo de cinética de reacción multiagrupada de fracción estrecha. Este modelo predice el rango de ebullición y el rendimiento del producto en un amplio rango de ebullición de la materia prima, lo que es más consistente con los datos industriales piloto. Por lo tanto, se considera que este modelo se puede utilizar para interpolar y predecir el rendimiento de productos no probados. ； 3) Siete modelos agrupados por punto de ebullición y propiedades químicas. Actualmente, el software de simulación de hidrocraqueo común incluye el modelo Hydrocracker de Aspen RefSys y el modelo HCR-SIM de KBC. Entre ellos, el modelo Hydrocracker incluye modelos para todas las reacciones clave, como hidrodesulfuración, hidrodesnitrificación, desmetalización, saturación de olefinas y aromáticos, apertura de anillos, ciclación por desalquilación, craqueo de parafina, isomerización de parafina y modelos de desactivación de catalizadores. El modelo HCR-SIM de KBC también incluye todas las reacciones clave, utiliza cálculos detallados del equilibrio térmico para calcular el aumento en la temperatura del lecho de reacción y puede predecir con precisión el consumo de producto e hidrógeno. El proceso de hidrorefinación incluye reactores, separadores de vapor-líquido, intercambiadores de calor, torres de extracción, compresores centrífugos, etc. Los modelos cinéticos de reacción incluyen el modelo de saturación de olefinas, el modelo de desulfuración, el modelo de desnitrificación, el modelo de desoxigenación, el modelo de saturación de hidrocarburos aromáticos, el modelo de apertura de anillo de hidrocarburos aromáticos y el modelo de apertura de anillo de hidrocarburos nafténicos, etc. Actualmente, el software de simulación de hidrorefinación más utilizado incluye el modelo Hydrotreator de Aspen RefSys y el modelo DHTR-SIM de KBC. Los modelos de hidrotratador incluyen modelos especializados de destilado, cera y materia prima de aceite residual. ； El modelo DHTR-SIM tiene una caracterización cinética estricta de todas las reacciones clave, incluida la hidrodesulfuración, la hidrodenitrificación, la saturación y el craqueo de hidrocarburos aromáticos, y puede caracterizar con precisión la desulfuración a niveles de contenido de azufre ultrabajos. Existen pocos informes bibliográficos sobre el modelo de mecanismo de las unidades de coquización retardada. Los productos de software de simulación de unidades de coquización desarrollados actualmente incluyen principalmente DC-SIM de KBC, DCLK de Luoyang Petrochemical Engineering Company y el sistema de simulación de procesos de coquización retardada de petróleo pesado del Instituto de Ingeniería de Procesos de la Academia de Ciencias de China. Entre ellos, el software DC-SIM de KBC es un modelo de simulación de mecanismo de unidad de coquización retardada que puede simular los diversos efectos de variables clave del proceso, como la temperatura de la torre de coque, la relación de circulación, la presión operativa y las propiedades de la materia prima. Se puede integrar en Petro-SIM para su uso. El software DCLK de Luoyang Petrochemical Engineering Company es un software de optimización de simulación desarrollado en base al modelo de mecanismo dinámico y cinética de reacción de once agrupaciones de coquización que puede simular dinámicamente el proceso industrial de coquización retardada. El software puede reflejar las características de estado no estacionario de los equipos industriales de coquización retardada y puede predecir el rendimiento del producto en cualquier momento durante un ciclo de operación de la torre de coque y la composición en tiempo real de cada material en la torre de coque. El sistema de simulación del proceso de coquización retardada de petróleo pesado desarrollado conjuntamente por la Academia de Ciencias de China y la Corporación Mitsubishi de Japón incluye un modelo de reactor de coquización retardada, una simulación de flujo de proceso completo de coquización retardada, un modelo de análisis de eficiencia energética de proceso completo basado en energía efectiva y un sistema de base de datos. Puede ejecutarse de forma independiente o conectarse con software de simulación de procesos como Pro/II, Aspen, etc. La dirección de optimización del ahorro de energía de las unidades de etileno incluye principalmente la optimización de la simulación de la reacción de craqueo y la optimización de la simulación de la zona fría. Actualmente, los modelos de reacción de escisión se pueden dividir en las tres categorías siguientes:: Modelo cinético empírico representado por la función de profundidad de craqueo KSF y el valor PONA que describe el modelo de distribución del producto del proceso de craqueo. ； Modelo de cinética de reacción molecular representado por el modelo de Kumar. ； Modelo de mecanismo representado por el modelo SPYRO. Los principales productos de software son: SPYRO (TECHNIP), ECU (SHELL), OlefinSim (KBC), PYRO-SimP (Universidad de Tsinghua), etc. Entre ellos, el más exitoso es el modelo SPYRO. Su último esquema dinámico contiene más de 7000 reacciones que involucran alrededor de 240 radicales y especies moleculares (o componentes equivalentes) y puede predecir el rendimiento del producto de pirólisis de C2 a HVGO. El cálculo del programa SPYRO se divide en dos etapas. La primera etapa utiliza un modelo cinético simplificado para calcular la distribución de presión y la distribución de temperatura de los materiales con precisión. ； En la segunda etapa, se calcula el balance de entalpía y la cinética de reacciones elementales en base al mecanismo de reacción de los radicales libres y la distribución de temperaturas obtenida en la primera etapa. Al integrarse con el software de simulación de procesos, vincular los cálculos iterativos de SPYRO, los cálculos de múltiples esquemas en el proceso de optimización y la simulación dinámica de los datos de producción, las condiciones de operación de producción pueden reflejarse con mayor precisión, optimizando así las materias primas de craqueo de etileno y la estructura del producto, logrando el propósito de ahorro de energía y mejora de la eficiencia. Se espera que el uso de este modelo para llevar a cabo la gestión de operaciones, la selección de materias primas y la optimización del proceso de producción del horno de craqueo aumente el rendimiento de etileno entre un 1% y un 4%. Por ejemplo, después de octubre de 2004, la materia prima de etileno de Yanshan Petrochemical se deterioró gradualmente debido al impacto del procesamiento externo de petróleo en la unidad de refinería. El rendimiento de etileno siguió disminuyendo y el ciclo de funcionamiento del horno de craqueo se acortó significativamente. Al rastrear las materias primas de craqueo, las condiciones del proceso y la composición del producto craqueado, se utilizó el software SPYRO para simular el horno de craqueo. Utilizando análisis de trabajo disponibles, análisis de pellizco y otras tecnologías, se propusieron planes de optimización como la optimización de la secuencia de separación, el proceso de intercambio de calor y la operación. El dispositivo comenzó a funcionar en marzo de 2005 y los datos industriales muestran que: Sin afectar mucho el ciclo operativo, el rendimiento de etileno aumentó casi un 1%. ④Tecnología y software de optimización de simulación de redes de intercambio de calor La optimización de redes de intercambio de calor ha atraído la atención como un subproblema de la síntesis del diseño de procesos desde la década de 1960. Muchos investigadores han llevado a cabo investigaciones en profundidad sobre el problema de optimización integral de las redes de intercambio de calor y lo han utilizado en la práctica de la ingeniería, logrando importantes beneficios económicos. Los métodos de optimización de redes de intercambio de calor incluyen principalmente tecnología pinch, programación matemática e inteligencia artificial. Entre ellos, la tecnología pinch fue propuesta por Linnhoff en 1982. Esta tecnología se basa en la segunda ley de la termodinámica y se utiliza principalmente para la optimización integral de redes de intercambio de calor. Esta tecnología parte del punto de vista de que la recuperación de energía tiene un valor límite, identifica el cuello de botella de la recuperación de energía combinando curvas de temperatura y entalpía o tablas de problemas, establece una red inicial para maximizar la recuperación de energía, sopesa los costos de inversión y los costos operativos, y optimiza aún más la red para obtener una red de intercambio de calor óptima. En 1986, dos grupos de investigadores, incluidos Linnhoff, Ahmad y Floudas, propusieron de forma independiente diferentes métodos para resolver la diferencia de temperatura de pellizco óptima para la optimización de la red de intercambio de calor. El primero se denominó "método de supertargeting". ； En 1992, Yin Qinghua, Hua Ben y otros propusieron que no considerar la pérdida efectiva de flujo y la optimización de la unidad correspondiente puede llevar a que la solución no sea la diferencia de temperatura óptima real. Demostraron en detalle el impacto de considerar simultáneamente la pérdida efectiva de flujo, hacer coincidir la optimización de la unidad y la mejora de la transferencia de calor en la diferencia óptima de temperatura de pellizco, y propusieron una estrategia de optimización mejorada. ； En el método de doble diferencia mínima de temperatura de intercambio de calor propuesto por Challand et al. (1981) y Clbert (1982), la diferencia mínima de temperatura de intercambio de calor de la curva combinada se toma como HRAT, que se utiliza para determinar el valor de la energía externa. Al sintetizar la red, la diferencia de temperatura de intercambio de calor de las unidades de intercambio de calor individuales se toma como E-MAT y EMAT.