[分享] 数字孪生（Digital twin）优化催化裂化FCC装置中分离器的真实性能

以下案例都是涉及FCC装置客户的真实案例，已被公开发布。

这些案例包括应对市场变化的战略性全局调整的协同运营增效、效益与效率提升，以及涉及到FCC催化裂化装置的设备安全监控、新型催化剂应用、工作效率提高的数字化方案、计划优化的提升与跟踪等等。

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• 结论成果：炼化厂可以避免运营中断的发生，并减少因工艺分离器的分离水平不足不佳而造成的财务损失。当工艺工程师拥有专业而准确的建模工具时，他们可以快速确定最佳的技术经济解决方案。在整个工厂的范围内，使用通过MySep建模增强的Petro-SIM数字孪生模型完整地揭示了整个供应链的其他掩藏的约束和物理依赖性。基于过程Petro-SIM流程模拟的数字孪生模型，可以无缝克服在设计或运营阶段的限制，以达到优化工厂盈利能力；在这些方面数字孪生具有不可估量的价值。
• 背景：MySep Studio是一个成熟的过程工业工具，可用于设计、评估和模拟两相和三相分离器。Petro-SIM软件为整个资产链设计、性能优化和数字孪生监督管理监控提供全系统过程工艺的全流程模拟器和优化技术。MySep Engine与Petro-SIM技术的结合为运营支持工程师带来了更高准确性精度的建模技术，这些模拟结果可以准确地报告液体夹带的影响。
  
  

分离过程在石油和天然气的上游、中游和下游各个环节中都扮演着十分重要的角色。例如，在炼油厂中，塔顶回流罐、原油常压蒸馏装置和减压蒸馏装置中，需要将烃进行回流，与酸性水和塔顶蒸汽进行分离。在许多情况下，过量的液体夹带会影响产品质量或收率。为了确保适宜的产品收率，处理和反应转化装置采用两相和三相分离工艺对装置的正常运行至关重要。

其他重要的气液分离设备包括压缩机的吸入洗涤器或者是分液罐。设计的是否妥当合适对于确保压缩机的运行一致性与完整性是非常必要的。其中常见的问题主要包括吸入气体中过量的液体夹带或气体夹带的液滴尺寸过大。通常，当液体夹带的流速过大时，夹带液滴的尺寸也越大，反之亦然。

在大多数石油公司和工程、采购和施工（EPC）承包商中，相分离的专业知识比较缺乏或局限。因此，在新设备的设计阶段，石油公司和EPC承包商对相分离容器的尺寸或性能的评估在很大程度上依赖于供应商。此外，就传统而言，该行业也缺乏统一的分离设施设计实践经验。因此，他们在分离设备的设计上，主要基于各种传统的内部标准、经验法则以及大量不同的“电子表格工具”。通常，内部工具只提供基于标准的容器和内部构件尺寸，却无法预测气液夹带性能。这意味着工程师会在不了解分离设备将在多大程度上实现其目的的情况下进行设计。这就会导致一方面设计的容器尺寸可能过大，另一方面也可能没有足够的能力来处理非设计工况下的加工方案或者工艺升级。

由于石油和天然气工艺过程的复杂性，富有洞察力的工程团队敏锐地意识到，合适的数字孪生工具对实现关键业务目标来说至关重要，这些关键业务目标包括：

●通过具有自信和保证的投资回报率ROI，提高运营利润并减少开支，以提升盈利能力；

●从设施性能的整体关联关系角度去改进设施管理、生产计划和决策制定；

●通过持续的工艺单元严格机理的监控对比，实现并提高单元生产目标；

●识别系统瓶颈和主要运营、操作风险；

●设计制定可能的消除瓶颈策略并采取纠正措施。

流程模拟为炼油厂和石化生产的设计、监控和优化提供了一个强大的平台。模拟技术行业的最新发展成果提高了这些工具的准确性和用户友好性。KBC公司的Petro-SIM流程模拟软件非常适合构建数字孪生模型，因为它在资产层面上也为工厂运营的效率性和有效性提供了具有重要意义的相关数据与洞见。

此外，MySep软件擅于模拟分离设备的性能。从设计方面来讲，该软件可以指导工程师遵循可靠的实践以确保设备的性能。在评估现有设备方面，它为气液夹带量的预测带来了专有的[color=var(--weui-LINK)][url=]增量模型[/url]。KBC公司与MySep合作，将Petro-SIM的强大流程模拟与MySep严格的分离器建模相结合，这两个工具的有效组合有助于降低运营商的风险并可以优化运营，以确保实现以下内容：

●效率：提供了工厂完整、详细的描述与再现，可以全面评估整个资产中各个单元和资产组之间的相互作用；

●准确性：使用严格的热力学包和经过研究验证的评级技术，即使将模型外推到新的工况下或者是新的原料中，模型也可以准确的预测结果；

●更好的决策：Petro-SIM的时间序列功能使工艺工程师能够运行一系列稳态模拟，并观察到这些操作和预测结果对运营的中、长期影响；

●成本节约：工程设计、运营与操作、培训、规划和资本改善项目都可以在同一个平台与同一个模型中解决。所有关键利益相关的用户都使用相同的技术来简化、优化和提高工作流程效率。

在一个炼油厂的催化裂化FCC反应单元中，反应器产物进入主分馏塔(MFC)进行分馏。主分馏塔MFC上的侧汽提塔生产重石脑油和轻循环油，主分馏塔MFC塔顶流股中的轻质气体和轻质烃则送至气体处理装置 (GCU)吸收-稳定系统中进行处理。由于主分馏塔MFC的压力较低，塔顶流股中的气体里夹带有显著浓度的重质烃，液体产物中也含有一定量的轻质烃，所以将主分馏塔MFC塔顶的蒸汽经过两级湿气压缩机处理后输送到气体处理装置(GCU)，进行高压再接触和分离。

不当的分离器设计或者是内部构件的不当选择都会导致严重的液体夹带现象。夹带的液体会贯穿整个工艺流程，影响下游的一系列设备。最终，它可能会逐步的降低压缩机的性能或者导致机器过早地发生故障，由于设备故障导致的计划外停机会造成重大收入损失。FCC装置的意外关停可能导致每天高达150万美元的运营损失。而减轻这种大规模的安全与收入损失风险，是可以通过适度投资能够模拟所有关键设备的高保真数字孪生软件来实现的。

图1展示了FCC催化裂化装置中MFC和GCU系统的基本流程图。来自GCU的气体被压缩后，与主吸收塔底部和汽提塔顶部的气体混合。该混合流股冷却后输送至高分器，高分器顶部产生的气体则回送到主吸收塔的底部进行进一步的吸收。

根据工厂的经济分析结果以及生产计划，操作人员修改了催化裂化装置的生产目标。该计划包括将装置处理量增加15%（工况A），这个处理量比装置的设计产能高出了5%。此外，这将生产更多的丙烷和轻质产品，这正好反映与应对了石脑油市场疲软，石化产品市场的持续走强的市场。。该策略涉及到将增加ZSM-5催化剂添加到现有库存中（工况B），并将提升管出口温度提高到540℃（1004F）以增加转化率（工况C）。同时计算评估包括主分馏塔MFC周围的分离器在内的所有设备的设计负荷值。

本案例大研究背景中，调查了FCC装置中以下三个分离器的性能：

1.主分馏塔顶的冷凝器

2.吸收-稳定系统的两个压缩机气液分液罐

3.高压分离罐

为了适应主分馏塔MFC气体产量的增加，操作员在流程中增加了第三个压缩机组，其尺寸和容量与现有的两个压缩机组相同。

本案例研究旨在确定现有设备是否可以满足工艺要求，尤其是塔顶冷凝器、压缩机吸入分液罐和高压分离罐。关键操作要求涉及到包括限制夹带液滴的最大尺寸和夹带液体的过量体积。这些高精度的模拟计算、预测和分析研究的努力，有助于减轻对昂贵旋转设备的累积性的损坏，也有利于将设备非计划停机的风险降至最低。

表1列出了四个气液分离器的外形规格和设计指标。

图2是原始MF冷凝液接收罐的结构。

表1

使用Petro-SIM流程模拟器、MySep Studio和MySep Engine来分析研究上述三个气液分离罐的性能。模拟结果如表2-5所示。

表2

表3

表4

预计主分馏塔MFC塔顶冷凝器中塔顶气体夹带的液体将在第一级分液罐中被捕获。在工况B和工况C中，较高的气体体积流速会导致较高的雾化流速和较小尺寸的液滴进入到MFC顶部冷凝器。对流型的分析揭示了水平和垂直管道中的环形雾流。此外，第一级分液罐的容量不足以处理过多的雾化液体。由此得出的结论是，冷凝器需要进行除雾装置改装。这将会避免由于火炬气中液体过量而带来的相关问题，并可以捕获更多有用的产物，提高产率。

如果进入压缩机的液滴尺寸超过100μm则会被视为尺寸过大。此外，预测计算条件下所得的夹带液体量也会损坏工艺压缩机。图3显示了三种工况下主分馏塔MFC塔顶冷凝器入口和气体出口物流中雾化流体的体积频率分布。尽管分离器在所有工况下都能去除150μm及以上的液滴，但预测计算显示，在工况B和工况C中，气体出口物流中的液体夹带明显更高。第一级的压缩机分液罐无法处理这种负荷量的液体夹带，这将导致压缩机中存在严重过量的液体。

图3 气体入口和出口的液滴尺寸分布

MySep Studio提供了针对对各种可能性的详细分析。很明显，第一级压缩机和第二级压缩机液体的夹带量对压缩机将会是有损害的，并且会会危及压缩机的持续运行。因此，两个分液罐都需要进行改造。最后，分析表明，来自高压分离器（HP）的液体携带是适度的，并且可以很容易地收集在主吸收器中以再循环回HP接收器中，所以对高压接受器进行改造没有必要。

在这项研究中，MySep Studio软件提供了详细的性能分析和良好的实用指导，从而为主分馏塔MFC冷凝器和压缩机分液罐制定了最佳改造策略。最终也实现了令人满意的分离效率。表6总结了推荐的新内部构件配置。图4展示了改造后的MF冷凝器结构图，该图作为内部构件改造以优化系统性能的一个设计示例。表7-9总结了新内构件配置的性能模拟结果。模拟结果表明，新的设计消除了大量液体夹带至压缩机的现象。

表6

图4 改造后的MF凝液接收器

MySep Studio可以准确预测分离器的性能，帮助操作员预测并防止工厂发生成本高昂的非计划停工。作为流程的一部分，将数字孪生Petro-SIM技术和MySep模型相结合，可以快速模拟计算检查原料替代或产品分布等案例，以持续实时的改进工厂运营。

MySep Studio是一个成熟的过程工业工具，可用于设计、评估和模拟两相和三相分离器。Petro-SIM软件为整个资产链设计、性能优化和数字孪生监督管理提供工艺的全流程模拟和优化技术。MySep Engine与Petro-SIM技术的结合为运营支持工程师带来了更高精度的建模技术，这些模拟结果可以准确地报告液体夹带的影响。

炼油厂可以避免运营中断的发生，并减少因工艺分离器的分离不佳而造成的财务损失。当工艺工程师拥有专业的准确的建模工具时，他们可以快速确定最佳的技术经济解决方案。在整个工厂范围内，使用MySep建模增强的Petro-SIM数字孪生模型完整地揭示了整个供应链的其他掩藏的约束和物理依赖性。基于Petro-SIM流程模拟的数字孪生模型，可以无缝克服在设计或运营阶段的限制，以优化工厂盈利能力；在这些方面数字孪生具有不可估量的价值。