炼油过程分子管理的基础理论研究

Molecule management for petroleum refining industry is an opportunity for efficient conversion at molecular level from crude oil to high value-added products, and also can solve the problem caused by the resource degradation under stricter environmental regulations. Implementing molecule management for refining, as one of the modern development directions in the petroleum industry, is complex system engineering. In this project several fundamental theories for molecule management in the refining process will be studied. First, a characterization method for predicting equivalent molecular composition of any petroleum fraction will be proposed based on available analytical information. Then the transformation rules of petroleum fractions will be revealed by developing free-radical kinetic reaction networks. As an integrated example, the molecular level simulation for the hydrocracking process will be performed based on the detailed composition characterization analysis. Further, an innovative and critical separation technology in refining process will be analyzed and developed, and the separation sequence by superstructure modeling will be optimized. Finally, the optimization model of the molecule management of multiple operating units in the refinery will be built. This model is a multi-layered structure system and will be solved by developing a new decomposition-coordination algorithm. The outputs of this proposal will build a solid theoretical foundation for the on-demand, on-time production planning optimization of modernized refineries in China.

炼油过程分子管理是实现石油资源向高附加值产品高效分子转化的根本方法，是同时解决原油资源劣质化和环保要求日益严格的组合难题的重要手段。炼油过程高效分子管理作为当前炼油化工发展的方向之一，是一项复杂的系统工程。本项目将针对其中的关键基础理论问题开展研究，提出由油品宏观性质预测油品等效实际分子组成的优化表征方法；通过构建油品加工过程的基元反应动力学网络，揭示油品在分子水平的转化规律；以加氢裂化过程为例，集成油品分子表征、分子转化与过程模型，实现炼油二次加工装置的分子水平模拟；剖析和开发炼油过程中关键的高效分离技术，基于超结构建模方法实现炼油过程高效分离系统的优化；基于分子水平的反应、分离过程研究基础，建立面向炼油过程的多装置联合分子水平管理优化模型，开展分解协调优化算法的研究，为最终实现油品资源的按需、高效、高附加值的全局优化调度提供保证。

本项目重点围绕炼油过程的“油品分子水平表征、反应动力学模型开发、分子水平全流程模拟与优化、新型高效分离技术开发”等分子管理技术的核心问题，重点探索了1）轻、重馏分油的分子水平表征方法；2）油品分子水平转化规律与反应网络生成技术；3）加氢裂化、催化重整等分子水平反应过程模拟；4）熔融结晶实现烃类族组成分离技术；5）炼油过程分子水平多装置联合建模与系统优化等五个方面。.项目研究的创新点和标志性工作：建立数据驱动技术与智能优化算法相结合的轻馏分油分子水平表征方法，和基于结构特征关联计算分子物性的重馏分油分子水平表征三步法，实现油品从宏观物性到分子水平的准确解析。提出一种与反应器建模相结合的步进式分子水平反应网络生成方法，用于加氢裂化装置模型开发；和基于油品典型分子集的反应网络生成方法，用于催化重整过程分子水平模型的开发，模拟结果均与工业数据相吻合。构建包含常减压、催化重整、乙烯裂解的分子水平联合优化模型，初步研究了石脑油生产与加工的优化配置，同时构建包含炼油一次、二次加工单元、调合单元的分子水平炼油多装置混合优化模型，采用分层协调策略，首次实现了在2万种分子水平上的加工过程优化配置。首次将复杂网络分析、深度学习算法、大数据技术等引入反应网络建模与模拟的优化研究，为后续分子管理中的快速优化提供支撑。采用熔融结晶技术分离石脑油中链烷烃与环烷烃、芳香烃，探索了组成预测、热力学相图计算、熔融结晶工艺及设备设计等整套技术方法，研究了分离条件并估算能耗水平。.项目执行期间在石油化工、化学工程和系统工程核心刊物与会议上发表学术论文30篇，其中SCI论文11篇。组织国际国内学术会议5次，参与国际学术会议32人次。申请中国发明专利3项。培养博士生5名，硕士生22名。项目团队成员获国家科技进步二等奖1项。