專利名稱：石油蒸餾方法和體系的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石油煉制領域，尤其涉及對蒸餾塔產出的石油餾出物進行控制的體系。
背景技術：
原油，亦稱石油，是一種復雜的烴類混合物。為了生產有商業(yè)價值的石油產品，要將這種混合物中的部分烴類彼此分離開來。用于將原油分離為部分烴類的各種物理和化學加工步驟總稱為“煉制”。
因為烴類各組分揮發(fā)性不同，使之彼此有效分離的方法是分餾。這種方法將加熱的石油注入一個其內有溫度梯度的蒸餾塔中，蒸餾塔溫度從塔底至塔頂逐漸由高溫降至低溫。由其汽相各烴類成分組成的石油蒸汽上升穿過蒸餾塔。在其上升時逐漸遭遇較低的溫度。當石油蒸汽到達其蒸餾塔內溫度等于該蒸汽成分的凝結溫度之某一高度時，該成分即凝結。在塔該高度設置的塔盤收集這些被冷凝的烴類組分。
實際上，由蒸餾塔內任一塔盤收集的餾出物都不是純形態(tài)的某種具體烴類。事實上，這種餾出物盡管以某種具體烴類為主，但它仍包含雜質。這些雜質對餾出物的性能產生影響。與石油部分蒸餾有關的一個困難是維持對餾出物選定性能的控制。這些選定性能包括其物理和化學性能，如餾出物的芳香度、沸點、閃點、濁點、粘度、傾點、API比重、凝固點、辛烷值、PIONA值及雷德蒸氣壓(RVP)。這些性能通常是工業(yè)或市場上對餾出物作為產品品質的度量標準，因此，在這里通常被細化為產品品質因素或即品質因素。
通過控制某些或所有該塔操作變量，有可能控制上述品質因素。塔操作變量的實例包括餾出物流率、汽提蒸汽流率、回流流率、進料流率、泵唧循環(huán)熱負荷、塔壓力和塔進料溫度條件。合用的確切操作變量取決于蒸餾體系的具體構型。但是，對餾出物品質因素的精確控制要求對餾出物成分的選定性能值有最新的信息。
獲取餾出物選定品質因素值的一種方法是對該餾出物的樣品進行實驗室檢測。但是，這種做法既昂貴又耗時。其結果，難以進行頻繁實驗室測試，不能對蒸餾塔任一時刻產出的所有餾出物的選定品質因素充分提供最新值。因此，這種方法不適合于快速控制餾出物的選定性能值。
另一種獲得餾出物選定品質因素值的方法承認這些性能在很大程度上受到蒸餾塔內溫度分布的影響。在這種方法中，由分布在塔內的傳感器進行沿塔各高度的溫度測定。將這些測定值提供給一臺處理機，使之與品質因素值關聯(lián)。利用經驗推導結果的查表，或利用數學模型產生作為溫度函數的數值，可實現(xiàn)這種關聯(lián)。
盡管蒸餾塔餾出物性能和溫度分布間存在關聯(lián)，但這種關聯(lián)遠非完美。因此，上述已知方法均依賴于人們對僅根據溫度分布可以導出餾出物品質因素數值的假設。這種假設一般是有誤的，從而導致不準確。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種用于由蒸餾塔產出的一種或多種餾出物獲取有關產品品質因素最新信息的方法和體系。
本發(fā)明的另外一些目的將列舉于下，而且根據以下描述也應是清楚的。
發(fā)明綜述本發(fā)明方法，通過對蒸餾塔至少一種餾出物和任選塔進料的選定性能值的在線核磁共振(NMR)測定，克服了已有技術的缺陷。將這種在線測定的結果，和對餾出物選定品質因素的期望值一起，作為輸入提供給一個自動控制器。該控制器根據這些信息，計算為獲得符合期望品質因素的餾出物的塔操作變量值。因為測定是在線執(zhí)行的，采納本發(fā)明的體系對塔輸入的進料和蒸餾塔產出的變化可迅速和自動地作出響應。因為核磁共振測定不依賴于光學或紅外輻射，因此它們不受被測物料的高不透明度的影響。另外，核磁共振測定作為溫度的函數是比較穩(wěn)定的。因此，對于蒸餾塔產出的寬溫度范圍的各種餾出物，都可得出可靠的核磁共振測定。
在本發(fā)明大多數的實施中，確保對瓦斯油進料與產出成品的二種測定，并根據兩組測定來控制過程的變量，被認為是優(yōu)選的。但是，本發(fā)明的特點可擴展至實行僅測定瓦斯油進料的場合，或僅測定一種或多種產出餾分的場合，并根據這種測定調節(jié)一個或多個過程變量。根據對瓦斯油進料物料測定，調節(jié)過程變量進行前饋控制，和根據對成品物料的測定，調節(jié)過程變量，進行反饋控制。
本發(fā)明的一個實施方案，包括對蒸餾過程所涉及的烴類物料即餾出物或進料樣品施加穩(wěn)定磁場的步驟。由于存在穩(wěn)定磁場，核磁共振傳感器對餾出物或進料產生一瞬間磁場，并測定其對瞬間磁場的響應。核磁共振傳感器一般不直接提供對餾出物或進料的有關選定品質的性能數值，卻提供餾出物或進料的化學組成。因此，本發(fā)明方法包括根據其所測定組成估計所測物料品質因素的步驟。然后將這些估計值用于選擇性地控制塔的操作變量，從而產生符合期望品質因素的餾出物。這些品質因素的實例包括芳香度、沸點、閃點、濁點、粘度、傾點、API比重、凝固點、辛烷值、PIONA值、雷德蒸氣壓(RVP)、或其它化學或物理性能。
目的產品品質因素一般是通過市場競爭能力、環(huán)境保護法規(guī)以及包括進料、產品價格和生產費用等經濟因素決定的。它們也可能受到煉油廠包括設備構型和有效性和操作約束等具體特征的限制。
因此，本發(fā)明方法可提供對蒸餾塔所產各種產品的選定性能數值的快速測定。因為本發(fā)明方法是基于核磁共振而非光學測量技術的，所以這些測定準確度基本上與餾出物的不透明度或溫度無關。
實施本發(fā)明的種體系任選包括一個最佳化器，用于規(guī)定對生產符合期望品質因素的成品所選塔操作變量的長久期望數值，同時計及其中進料及操作費用和產值，對該塔經濟營運進行最佳化。該最佳化器也可計及煉油廠的具體特征，包括設備構型、有效性及包括產品產量極限的操作約束。
該體系進一步包括一個或多個傳感器，用于測定至少一種餾出物和任選進料的選定性能。將這些傳感數值，與由該最佳化器對所選操作變量規(guī)定的長久期望值一起，提供給一個控制器。該控制器根據該傳感器的信息、期望品質因素和長久期望值，決定形成符合期望品質因素餾出物所必須的操作變量當前值，同時對該塔的經濟性能進行最佳化。
根據以下詳細說明及附圖，本發(fā)明的這些及其它特征及優(yōu)點都會是清楚的，其中圖1是體現(xiàn)本發(fā)明特征的多變量蒸餾控制體系示意方框圖；和圖2是表明圖1蒸餾控制體系細節(jié)的示意方框圖。
說明性實施方案描述圖1表示采納本發(fā)明原理的一種多變量控制體系10。該多變量控制體系10包括一個與多變量控制器12連通的蒸餾體系11。蒸餾體系11的產出為多個烴類餾出物，各以其選定品質因素值表征。這些數值，在圖1中是以反饋到多變量控制器12的輸出向量y來表示的，是若干用于多變量控制體系10的受控制變量。進料品質性能的實測值，以向量z表示，是被前饋進入多變量控制器的。多變量控制體系10進一步包括一個最佳化器13，用于對生產期望品質的產品所選塔操作變量產生長久期望值，同時對塔的經濟營運實行最佳化。在圖1中這些期望值以給定值向量r表示，給定值向量r由最佳化器13產生，并提供給多變量控制器12。向量r的元素計及了煉油廠的特征，包括設備構型、有效性及包括產品產量極限的操作約束。最佳化器13是體系10的任選增加。另一種用于控制器14送入給定值數據的實施方案包括一種用于人工輸入及其它在自動控制域為已知方法的鍵盤器件。
根據給定值向量r、期望產品品質因素之間的一種或多種差異、輸出向量y及/或前饋向量z，多變量控制器12產生一組在將其提供給蒸餾體系11時調節(jié)蒸餾操作的控制變量向量x，以改變輸出向量中的元素值，逼近對應的期望值。
如同圖2所示，該說明性蒸餾體系11包括通向蒸餾塔15的輸入管道14。在到達塔15之前，管道14穿越加熱爐16，加熱爐操作溫度在多變量控制器12控制之下。與輸入管道14相連的泵20驅使原油穿過加熱爐16，并進入蒸餾塔15。
蒸餾塔15為石油煉油廠常用型。這樣的蒸餾塔15一般包括沿塔15不同高度設置的多個餾出口。圖2所示蒸餾塔15僅是說明性的，而且可采用各種樣式的蒸餾塔。蒸餾塔15各餾出口對應于由石油進料所餾出的一個具體餾分。處于塔15下部的餾出對應于重質餾分，如燃料油或煤油。處于塔15上部的餾出對應于輕質餾分，如汽油或石腦油。此蒸餾塔可以包括一種或多種泵唧循環(huán)流50，以便從塔各段撤熱，調整內回流量，并改變給定品質下所產餾出物的體積。塔餾出和泵唧循環(huán)流的數目會影響多變量控制器12的計算負荷，而非本發(fā)明的內容。因此，為了明晰和易于說明，圖2僅表示了塔的第一和第二餾出口22、24和一個泵唧循環(huán)流50。
第一閥36連通塔第一餾出口22，并控制由蒸餾塔15抽出第一餾出物的速率。同樣，第二閥38連通塔第二餾出口24，并控制由蒸餾塔15抽出第二餾出物的速率。第一和第二閥動器40、42受多變量控制器12操縱，分別控制第一和第二閥36、38的狀態(tài)。
第一核磁共振(NMR)傳感器24是與塔第一餾出口22連通，和經由第一旁路管26對第一餾出物或餾分采樣。同樣，第二核磁共振傳感器28是與塔第二餾出口24連通，并經由第二旁路管30對第二餾出物或餾分采樣。同樣，所示控制體系10包括第三核磁共振傳感器51，它經由旁路管52與該塔進料連通。盡管圖2所示蒸餾體系表現(xiàn)了三個不同核磁共振傳感器24、28、51，但應當知道，可以采用一個核磁共振傳感器按分時制連通塔的第一和第二餾出口22、24以及進料14。將由核磁共振傳感器24、28、51所讀出的輸出信息提供給校準器32、34、53。此校準器優(yōu)選是化學計量模擬單元，并將此核磁共振傳感器24，28、51的輸出變換成為適合于與其所連接的多變量控制器12的格式。
一種優(yōu)選傳感器采用I/A SeriesProcess NMR的設備技術，由FoxboroCompany(Foxoboro，Massachusetts)公司提供，但是，也可使用各種類型的核磁共振傳感器。
對各校準器32、24、53及適合于實施本發(fā)明的化學計量模擬單元優(yōu)選提供一種數字處理器，根據樣品實測氫化學執(zhí)行對選定物理性能的估值指令。這些指令實施本領域一般技術人員眾所周知的程序。這些程序包括制定檢查表、按檢查表在數值間進行插值、和實施數學模型對所選性能進行估值。各化學計量模擬單元對圖2所示的核磁共振傳感器可以是局部的。在本發(fā)明另一種實施方案(未表明)中，蒸餾體系11中的核磁共振傳感器按分時制共享一個普通化學計量模擬單元。
對最佳化器13和多變量控制器12都優(yōu)選以軟件提供在可編程數字處理器上執(zhí)行的指令。實際上，這些指令都在通用數字計算機上執(zhí)行。但是，具體滿足所需性能要求，對最佳化器13及多變量控制器12可提供專用集成電路。實施本發(fā)明的適宜最佳化器及多變量控制器是由Simulation Sciencesof Brea(California，USA)公司銷售的，其商標分別為ROMeoTM及ConnoisseurTM。多變量控制器12及最佳化器13的具體裝配細節(jié)屬于本領域普通技術人員水平范圍，不影響本發(fā)明的范圍。
圖1及2所示體系的操作中，泵20驅使原油穿過加熱爐16，進入蒸餾塔15，使其分離成多個餾出物。這些餾出物經由多個餾出口離開蒸餾塔15，其中圖2顯示為兩個。第一餾出物流向第一閥36，并在第一閥打開時離開體系。將第一餾出口22的第一餾出物樣品，經第一旁路管26，通入第一核磁共振傳感器24。因此，第一餾出物的流率處于第一閥36控制之下。同樣，第二餾出物流向第二閥38，并在第二閥打開時離開體系。將第二餾出口24的第二餾出物樣品經由第二旁路管30進入第二核磁共振傳感器28。所示體系10體現(xiàn)了任選特性，其中進料樣品穿過旁路管52進入進料核磁共振傳感器51，并返回進料物流中的。
核磁共振傳感器24對來自第一餾出物樣品施加一穩(wěn)定磁場，對準該樣品中相關分子的磁偶極矩。由于存在穩(wěn)定磁場，核磁共振傳感器24產生一種瞬間磁場，其方向不同于且優(yōu)選正交于穩(wěn)定磁場。此瞬間磁場暫時對準其方向不同于該靜態(tài)磁場所對準偶極方向的樣品磁偶極子。當切斷此瞬間磁場時，樣品中偶極彈回由穩(wěn)定磁場對其所施加的對準定位。正由于此，此偶極產生一射頻(RF)信號。具體偶極彈回穩(wěn)定磁場對準定位的速率，以及由此產生的RF信號的頻率，是該樣品分子結構的特征。由此產生的射頻譜圖以及核磁共振傳感器24對其的檢測，構成了一種確定樣品化學組成的方法。
核磁共振傳感器24由此提供了有關來自塔第一餾出口22的餾出物的化學組成信息。根據樣品所測組成推算其選定性能的對應值，在本領域是已知的。這種將所測樣品組成變換為選定性能數值的操作是通過第一校準器32，優(yōu)選通過與多變量控制器12和核磁共振傳感器24兩者連通的化學計量模擬單元32完成的。對第一化學計量模擬單元32輸入的信息是如通過核磁共振傳感器24所測定的該樣品化學組成。第一化學計量模擬單元32的輸出是一組選定性能的對應實測值。第二以及第三核磁共振傳感器28和51以及相關的校準器34、53都以相同方式操作，并將有關第二餾出物和進料的性能信息提供給多變量控制器12。
該多變量控制器12，根據核磁共振傳感器24、28、51所提供的數據，及與一般來自另外的傳感器(未顯示)的通用數據如本領域常規(guī)和所已知的諸如壓力、溫度、時間和流率一起，決定所示蒸餾體系11的控制操作變量值。所確定的這些數值可使產品品質因素的期望值與對應選定性能的實測值間的差異減到最小，如同由第一和第二核磁共振傳感器24、28與第一和第二化學計量模擬單元或另外的校準器32和34結合進行操作所提供的。如同由最佳化13所確定的，此操作變量的長久期望值也在控制器12之內得到考慮。進料核磁共振傳感器51，結合與化學計量模擬單元53的操作，對控制器12提供有關進料質量的信息，以致可在進料變化對產品的影響變得明顯之前調整塔的操作。這種前饋能力在處理因原油由一類變至另一類而引起的進料變化方面是重要的。這種控制器12利用本領域已知方法決定各控制變量值。這些方法一般包括查閱檢查表和執(zhí)行經驗推導的數學模型。
決定這些控制變量值后，多變量控制器12將控制信號傳遞至第一和第二閥動器40、42。然后，這些閥動器40、42選擇性地調節(jié)第一和第二閥36、38，從而調節(jié)來自蒸餾塔15的第一和第二餾出口22、24的餾出物的流率。此外，多變量控制器12還可對加熱爐16提供控制信號，以控制原油進入蒸餾塔15的溫度?？刂破?2可同樣按本領域所已知方法調節(jié)任何其它的各種操作變量。
盡管這里對本發(fā)明進行了披露，如它可應用于對兩種餾出物進行選定性能的控制，但顯然，根據這些描述，本發(fā)明可是易于擴展到對兩種以上的餾出物進行選定性能的控制。同樣，本發(fā)明可用于對多種進料的各物料進行測定和響應。
在描述本發(fā)明和其一個優(yōu)選實施方案后，新的要求專利保護的范圍如下。
權利要求
1.一種在石油煉制體系中對石油餾出物的選定性能進行控制方法，所述方法包括步驟獲取石油餾出物的核磁共振(NMR)譜圖，根據所述核磁共振譜圖，確定所選餾出物的品質因素值，和根據所確定的數值，決定控制操作變量值，以達到所述選定品質因素的期望值。
2.按照權利要求1的方法，其中所述獲取核磁共振譜圖的步驟包括對石油餾出物的至少一種樣品施加一穩(wěn)定磁場，對所述穩(wěn)定磁場疊加一瞬間磁場，和測定所述石油餾出物對所述瞬間磁場的磁偶極響應。
3.按照權利要求1的方法，其中所述選定品質因素是選自芳香度、沸點、閃點、濁點、粘度、傾點、API比重、凝固點、辛烷值、PIONA值、雷德蒸汽壓(RVP)。
4.按照權利要求1的方法，進一步包括根據市場條件規(guī)定所述控制操作變量的期望值的步驟。
5.按照權利要求1的方法，進一步包括選擇包括所述石油餾出物流率的所述控制操作變量的步驟。
6.按照權利要求1的方法，進一步包括選擇包括形成所述餾出物的溫度范圍的控制變量的步驟。
7.按照權利要求1的方法，進一步包括從由餾出物流率、汽提蒸汽流率、回流流率、進料速率、泵唧循環(huán)熱負荷、塔壓力和塔進料熱條件組成的所述變量組合中選擇所述控制操作變量的步驟。
8.一種控制石油餾出物的選定品質因素的體系，所述體系包括一個與石油餾出物源流體連通的核磁共振傳感器，所述配置的核磁共振傳感器為了獲取至少一種石油餾出物樣品的核磁共振譜圖，和一個與所述核磁共振傳感器連通的多變量控制器，所述多變量控制器，根據由所述核磁共振傳感器提供的譜圖應答數據，產生為獲得對石油餾出物所述選定品質因素的期望值的指令。
9.按照權利要求8的體系，其中所述核磁共振傳感器包括對樣品施加穩(wěn)定磁場的手段，對所述穩(wěn)定磁場疊加瞬間磁場的手段，和測定該石油餾出物對所述瞬間磁場的磁偶極響應的手段。
10.按照權利要求8的體系，進一步包括用于由芳香度、沸點、閃點、濁點、粘度、傾點、API比重、凝固點、辛烷值、PIONA值、雷德蒸氣壓(RVP)所組成的組合中選擇所述性能因素的手段。
11.按照權利要求8的體系，進一步包括與所述多變量控制器連通的一個最佳化器，用于決定所述塔操作變量的期望值。
12.按照權利要求11的體系，其中所述最佳化器根據市場情況決定塔的操作變量。
13.按照權利要求8的體系，其中所述多變量控制器包括用于規(guī)定選自石油餾出物流率、汽提蒸汽流率、回流流率、進料流率、泵唧循環(huán)熱負荷、塔進料的塔壓力和熱條件的塔操作變量的手段，規(guī)定所述操作變量是為了控制所述石油餾出物的選定性能。
14.按照權利要求8的體系，其中所述多變量控制器包括用于規(guī)定其中形成所述石油餾出物的溫度范圍的手段，規(guī)定所述溫度范圍是為了控制所述石油餾出物的選定性能。
15.一種裝備有蒸餾塔的石油化學煉制體系的控制方法，所述方法包括步驟在線核磁共振測定煉制體系所處理的至少一種物料，以確定被測物料的選定性能的實測值，規(guī)定被測物料的所述選定性能期望值，和為了控制蒸餾塔至少一種產出餾分的選定性能，根據對所述選定性能的實測值，決定該煉制體系的控制變量值。
16.按照權利要求15的方法，其中所述進行核磁共振測定的步驟測定該煉制體系中至少一種進料物料和其中所述決定步驟決定用于對該煉制體系至少前饋控制的控制變量值。
17.按照權利要求15的方法，其中所述進行核磁共振測定的步驟測定該煉制體系中至少一種產出產品的物料和其中所述決定步驟決定用于對該煉制體系至少反饋控制的控制變量值。
18.一種裝備有蒸餾塔的石油化學煉制體系的控制設備，所述設備包括一個配置的核磁共振傳感器，被用來測定該煉制體系所處理的至少一種物料的性能，和一個與所述核磁共振傳感器連通的多變量控制器，所述多變量控制器根據由該核磁共振傳感器提供的測定-應答信息，產生用于調節(jié)該煉制體系的操作的控制信號，以獲得至少一種產出餾分選定性能的期望值。
19.按照權利要求18的設備，其中所述核磁共振傳感器測定該煉制體系至少一種進料物料的性能，和其中所述控制器產生至少用于該煉制體系前饋控制的控制信號。
20.按照權利要求18的設備，其中所述核磁共振傳感器測定該煉制體系至少一種產出產品物料的性能，和其中所述控制器產生至少用于該煉制體系反饋控制的控制信號。
21.一種裝備有蒸餾塔的生產石油化學餾分的石油化學過程的控制方法，所述過程包括步驟在線核磁共振測定輸入該石油化學過程的至少一種進料物料的有關組成的參數，在線核磁共振測定由該蒸餾塔產出的至少一種石油化學餾分的有關組成的參數，將實測信息提供給該石油化學過程的控制器，將識別該石油化學過程至少一種餾分的期望參數的目標信息提供給該控制器，和根據實測信息和目標信息，由該控制器產生用于調節(jié)該過程的控制信號，以針對該目標信息達到實測信息的選定值。
全文摘要
在蒸餾體系中，核磁共振傳感器確定來自蒸餾塔的石油餾出物的組成，并也優(yōu)選確定輸入進料體系的組成。處理這種信息，以獲取該餾出物或進料的選定性能的估計值。將這些數值，與根據市場競爭力、環(huán)境法規(guī)以及包括對進料和產品價格及操作費用所選擇的期望品質因素的設定值結合一起，提供給一個多變量控制器。該多變量控制器根據核磁共振對選定品質性能的實測值產生在將其提供給蒸餾體系時調節(jié)蒸餾操作的控制操作變量值，以減小該控制變量與各自設定值間的差異。對這些操作變量的最終值優(yōu)選結合最佳化器來決定，以便保持產品的品質，并對塔針對煉廠具體特征以經濟最佳方式進行操作。
文檔編號C10G7/12GK1427877SQ01806559
公開日2003年7月2日 申請日期2001年1月12日 優(yōu)先權日2000年1月14日
發(fā)明者P·J·吉亞馬特奧, J·C·愛德華茲 申請人:?？怂贡Ａ_Nmr有限公司