石油蒸馏方法和体系 【发明领域】
本发明涉及石油炼制领域，尤其涉及对蒸馏塔产出的石油馏出物进行控制的体系。
【发明背景】
原油，亦称石油，是一种复杂的烃类混合物。为了生产有商业价值的石油产品，要将这种混合物中的部分烃类彼此分离开来。用于将原油分离为部分烃类的各种物理和化学加工步骤总称为“炼制”。
因为烃类各组分挥发性不同，使之彼此有效分离的方法是分馏。这种方法将加热的石油注入一个其内有温度梯度的蒸馏塔中，蒸馏塔温度从塔底至塔顶逐渐由高温降至低温。由其汽相各烃类成分组成的石油蒸汽上升穿过蒸馏塔。在其上升时逐渐遭遇较低的温度。当石油蒸汽到达其蒸馏塔内温度等于该蒸汽成分的凝结温度之某一高度时，该成分即凝结。在塔该高度设置的塔盘收集这些被冷凝的烃类组分。
实际上，由蒸馏塔内任一塔盘收集的馏出物都不是纯形态的某种具体烃类。事实上，这种馏出物尽管以某种具体烃类为主，但它仍包含杂质。这些杂质对馏出物的性能产生影响。与石油部分蒸馏有关地一个困难是维持对馏出物选定性能的控制。这些选定性能包括其物理和化学性能，如馏出物的芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API比重、凝固点、辛烷值、PIONA值及雷德蒸气压(RVP)。这些性能通常是工业或市场上对馏出物作为产品品质的度量标准，因此，在这里通常被细化为产品品质因素或即品质因素。
通过控制某些或所有该塔操作变量，有可能控制上述品质因素。塔操作变量的实例包括馏出物流率、汽提蒸汽流率、回流流率、进料流率、泵唧循环热负荷、塔压力和塔进料温度条件。合用的确切操作变量取决于蒸馏体系的具体构型。但是，对馏出物品质因素的精确控制要求对馏出物成分的选定性能值有最新的信息。
获取馏出物选定品质因素值的一种方法是对该馏出物的样品进行实验室检测。但是，这种做法既昂贵又耗时。其结果，难以进行频繁实验室测试，不能对蒸馏塔任一时刻产出的所有馏出物的选定品质因素充分提供最新值。因此，这种方法不适合于快速控制馏出物的选定性能值。
另一种获得馏出物选定品质因素值的方法承认这些性能在很大程度上受到蒸馏塔内温度分布的影响。在这种方法中，由分布在塔内的传感器进行沿塔各高度的温度测定。将这些测定值提供给一台处理机，使之与品质因素值关联。利用经验推导结果的查表，或利用数学模型产生作为温度函数的数值，可实现这种关联。
尽管蒸馏塔馏出物性能和温度分布间存在关联，但这种关联远非完美。因此，上述已知方法均依赖于人们对仅根据温度分布可以导出馏出物品质因素数值的假设。这种假设一般是有误的，从而导致不准确。
因此，本发明目的在于提供一种用于由蒸馏塔产出的一种或多种馏出物获取有关产品品质因素最新信息的方法和体系。
本发明的另外一些目的将列举于下，而且根据以下描述也应是清楚的。
发明综述
本发明方法，通过对蒸馏塔至少一种馏出物和任选塔进料的选定性能值的在线核磁共振(NMR)测定，克服了已有技术的缺陷。将这种在线测定的结果，和对馏出物选定品质因素的期望值一起，作为输入提供给一个自动控制器。该控制器根据这些信息，计算为获得符合期望品质因素的馏出物的塔操作变量值。因为测定是在线执行的，采纳本发明的体系对塔输入的进料和蒸馏塔产出的变化可迅速和自动地作出响应。因为核磁共振测定不依赖于光学或红外辐射，因此它们不受被测物料的高不透明度的影响。另外，核磁共振测定作为温度的函数是比较稳定的。因此，对于蒸馏塔产出的宽温度范围的各种馏出物，都可得出可靠的核磁共振测定。
在本发明大多数的实施中，确保对瓦斯油进料与产出成品的二种测定，并根据两组测定来控制过程的变量，被认为是优选的。但是，本发明的特点可扩展至实行仅测定瓦斯油进料的场合，或仅测定一种或多种产出馏分的场合，并根据这种测定调节一个或多个过程变量。根据对瓦斯油进料物料测定，调节过程变量进行前馈控制，和根据对成品物料的测定，调节过程变量，进行反馈控制。
本发明的一个实施方案，包括对蒸馏过程所涉及的烃类物料即馏出物或进料样品施加稳定磁场的步骤。由于存在稳定磁场，核磁共振传感器对馏出物或进料产生一瞬间磁场，并测定其对瞬间磁场的响应。核磁共振传感器一般不直接提供对馏出物或进料的有关选定品质的性能数值，却提供馏出物或进料的化学组成。因此，本发明方法包括根据其所测定组成估计所测物料品质因素的步骤。然后将这些估计值用于选择性地控制塔的操作变量，从而产生符合期望品质因素的馏出物。这些品质因素的实例包括芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API比重、凝固点、辛烷值、PIONA值、雷德蒸气压(RVP)、或其它化学或物理性能。
目的产品品质因素一般是通过市场竞争能力、环境保护法规以及包括进料、产品价格和生产费用等经济因素决定的。它们也可能受到炼油厂包括设备构型和有效性和操作约束等具体特征的限制。
因此，本发明方法可提供对蒸馏塔所产各种产品的选定性能数值的快速测定。因为本发明方法是基于核磁共振而非光学测量技术的，所以这些测定准确度基本上与馏出物的不透明度或温度无关。
实施本发明的种体系任选包括一个最佳化器，用于规定对生产符合期望品质因素的成品所选塔操作变量的长久期望数值，同时计及其中进料及操作费用和产值，对该塔经济营运进行最佳化。该最佳化器也可计及炼油厂的具体特征，包括设备构型、有效性及包括产品产量极限的操作约束。
该体系进一步包括一个或多个传感器，用于测定至少一种馏出物和任选进料的选定性能。将这些传感数值，与由该最佳化器对所选操作变量规定的长久期望值一起，提供给一个控制器。该控制器根据该传感器的信息、期望品质因素和长久期望值，决定形成符合期望品质因素馏出物所必须的操作变量当前值，同时对该塔的经济性能进行最佳化。
【附图说明】
根据以下详细说明及附图，本发明的这些及其它特征及优点都会是清楚的，其中：
图1是体现本发明特征的多变量蒸馏控制体系示意方框图；和
图2是表明图1蒸馏控制体系细节的示意方框图。
说明性实施方案描述
图1表示采纳本发明原理的一种多变量控制体系10。该多变量控制体系10包括一个与多变量控制器12连通的蒸馏体系11。蒸馏体系11的产出为多个烃类馏出物，各以其选定品质因素值表征。这些数值，在图1中是以反馈到多变量控制器12的输出向量y来表示的，是若干用于多变量控制体系10的受控制变量。进料品质性能的实测值，以向量z表示，是被前馈进入多变量控制器的。多变量控制体系10进一步包括一个最佳化器13，用于对生产期望品质的产品所选塔操作变量产生长久期望值，同时对塔的经济营运实行最佳化。在图1中这些期望值以给定值向量r表示，给定值向量r由最佳化器13产生，并提供给多变量控制器12。向量r的元素计及了炼油厂的特征，包括设备构型、有效性及包括产品产量极限的操作约束。最佳化器13是体系10的任选增加。另一种用于控制器14送入给定值数据的实施方案包括一种用于人工输入及其它在自动控制域为已知方法的键盘器件。
根据给定值向量r、期望产品品质因素之间的一种或多种差异、输出向量y及/或前馈向量z，多变量控制器12产生一组在将其提供给蒸馏体系11时调节蒸馏操作的控制变量向量x，以改变输出向量中的元素值，逼近对应的期望值。
如同图2所示，该说明性蒸馏体系11包括通向蒸馏塔15的输入管道14。在到达塔15之前，管道14穿越加热炉16，加热炉操作温度在多变量控制器12控制之下。与输入管道14相连的泵20驱使原油穿过加热炉16，并进入蒸馏塔15。
蒸馏塔15为石油炼油厂常用型。这样的蒸馏塔15一般包括沿塔15不同高度设置的多个馏出口。图2所示蒸馏塔15仅是说明性的，而且可采用各种样式的蒸馏塔。蒸馏塔15各馏出口对应于由石油进料所馏出的一个具体馏分。处于塔15下部的馏出对应于重质馏分，如燃料油或煤油。处于塔15上部的馏出对应于轻质馏分，如汽油或石脑油。此蒸馏塔可以包括一种或多种泵唧循环流50，以便从塔各段撤热，调整内回流量，并改变给定品质下所产馏出物的体积。塔馏出和泵唧循环流的数目会影响多变量控制器12的计算负荷，而非本发明的内容。因此，为了明晰和易于说明，图2仅表示了塔的第一和第二馏出口22、24和一个泵唧循环流50。
第一阀36连通塔第一馏出口22，并控制由蒸馏塔15抽出第一馏出物的速率。同样，第二阀38连通塔第二馏出口24，并控制由蒸馏塔15抽出第二馏出物的速率。第一和第二阀动器40、42受多变量控制器12操纵，分别控制第一和第二阀36、38的状态。
第一核磁共振(NMR)传感器24是与塔第一馏出口22连通，和经由第一旁路管26对第一馏出物或馏分采样。同样，第二核磁共振传感器28是与塔第二馏出口24连通，并经由第二旁路管30对第二馏出物或馏分采样。同样，所示控制体系10包括第三核磁共振传感器51，它经由旁路管52与该塔进料连通。尽管图2所示蒸馏体系表现了三个不同核磁共振传感器24、28、51，但应当知道，可以采用一个核磁共振传感器按分时制连通塔的第一和第二馏出口22、24以及进料14。将由核磁共振传感器24、28、51所读出的输出信息提供给校准器32、34、53。此校准器优选是化学计量模拟单元，并将此核磁共振传感器24，28、51的输出变换成为适合于与其所连接的多变量控制器12的格式。
一种优选传感器采用I/A SeriesProcess NMR的设备技术，由FoxboroCompany(Foxoboro，Massachusetts)公司提供，但是，也可使用各种类型的核磁共振传感器。
对各校准器32、24、53及适合于实施本发明的化学计量模拟单元优选提供一种数字处理器，根据样品实测氢化学执行对选定物理性能的估值指令。这些指令实施本领域一般技术人员众所周知的程序。这些程序包括：制定检查表、按检查表在数值间进行插值、和实施数学模型对所选性能进行估值。各化学计量模拟单元对图2所示的核磁共振传感器可以是局部的。在本发明另一种实施方案(未表明)中，蒸馏体系11中的核磁共振传感器按分时制共享一个普通化学计量模拟单元。
对最佳化器13和多变量控制器12都优选以软件提供在可编程数字处理器上执行的指令。实际上，这些指令都在通用数字计算机上执行。但是，具体满足所需性能要求，对最佳化器13及多变量控制器12可提供专用集成电路。实施本发明的适宜最佳化器及多变量控制器是由Simulation Sciencesof Brea(California，USA)公司销售的，其商标分别为ROMeoTM及ConnoisseurTM。多变量控制器12及最佳化器13的具体装配细节属于本领域普通技术人员水平范围，不影响本发明的范围。
图1及2所示体系的操作中，泵20驱使原油穿过加热炉16，进入蒸馏塔15，使其分离成多个馏出物。这些馏出物经由多个馏出口离开蒸馏塔15，其中图2显示为两个。第一馏出物流向第一阀36，并在第一阀打开时离开体系。将第一馏出口22的第一馏出物样品，经第一旁路管26，通入第一核磁共振传感器24。因此，第一馏出物的流率处于第一阀36控制之下。同样，第二馏出物流向第二阀38，并在第二阀打开时离开体系。将第二馏出口24的第二馏出物样品经由第二旁路管30进入第二核磁共振传感器28。所示体系10体现了任选特性，其中进料样品穿过旁路管52进入进料核磁共振传感器51，并返回进料物流中的。
核磁共振传感器24对来自第一馏出物样品施加一稳定磁场，对准该样品中相关分子的磁偶极矩。由于存在稳定磁场，核磁共振传感器24产生一种瞬间磁场，其方向不同于且优选正交于稳定磁场。此瞬间磁场暂时对准其方向不同于该静态磁场所对准偶极方向的样品磁偶极子。当切断此瞬间磁场时，样品中偶极弹回由稳定磁场对其所施加的对准定位。正由于此，此偶极产生一射频(RF)信号。具体偶极弹回稳定磁场对准定位的速率，以及由此产生的RF信号的频率，是该样品分子结构的特征。由此产生的射频谱图以及核磁共振传感器24对其的检测，构成了一种确定样品化学组成的方法。
核磁共振传感器24由此提供了有关来自塔第一馏出口22的馏出物的化学组成信息。根据样品所测组成推算其选定性能的对应值，在本领域是已知的。这种将所测样品组成变换为选定性能数值的操作是通过第一校准器32，优选通过与多变量控制器12和核磁共振传感器24两者连通的化学计量模拟单元32完成的。对第一化学计量模拟单元32输入的信息是如通过核磁共振传感器24所测定的该样品化学组成。第一化学计量模拟单元32的输出是一组选定性能的对应实测值。第二以及第三核磁共振传感器28和51以及相关的校准器34、53都以相同方式操作，并将有关第二馏出物和进料的性能信息提供给多变量控制器12。
该多变量控制器12，根据核磁共振传感器24、28、51所提供的数据，及与一般来自另外的传感器(未显示)的通用数据如本领域常规和所已知的诸如压力、温度、时间和流率一起，决定所示蒸馏体系11的控制操作变量值。所确定的这些数值可使产品品质因素的期望值与对应选定性能的实测值间的差异减到最小，如同由第一和第二核磁共振传感器24、28与第一和第二化学计量模拟单元或另外的校准器32和34结合进行操作所提供的。如同由最佳化13所确定的，此操作变量的长久期望值也在控制器12之内得到考虑。进料核磁共振传感器51，结合与化学计量模拟单元53的操作，对控制器12提供有关进料质量的信息，以致可在进料变化对产品的影响变得明显之前调整塔的操作。这种前馈能力在处理因原油由一类变至另一类而引起的进料变化方面是重要的。这种控制器12利用本领域已知方法决定各控制变量值。这些方法一般包括查阅检查表和执行经验推导的数学模型。
决定这些控制变量值后，多变量控制器12将控制信号传递至第一和第二阀动器40、42。然后，这些阀动器40、42选择性地调节第一和第二阀36、38，从而调节来自蒸馏塔15的第一和第二馏出口22、24的馏出物的流率。此外，多变量控制器12还可对加热炉16提供控制信号，以控制原油进入蒸馏塔15的温度。控制器12可同样按本领域所已知方法调节任何其它的各种操作变量。
尽管这里对本发明进行了披露，如它可应用于对两种馏出物进行选定性能的控制，但显然，根据这些描述，本发明可是易于扩展到对两种以上的馏出物进行选定性能的控制。同样，本发明可用于对多种进料的各物料进行测定和响应。
在描述本发明和其一个优选实施方案后，新的要求专利保护的范围如下。