降低汽油精制過程中的辛烷值損失模型

一、背景
汽油是小型車輛的主要燃料，汽油燃燒產(chǎn)生的尾氣排放對大氣環(huán)境有重要影響。為此，世界各國都制定了日益嚴格的汽油質(zhì)量標準（見下表）。汽油清潔化重點是降低汽油中的硫、烯烴含量，同時盡量保持其辛烷值。

我國原油對外依存度超過70%，且大部分是中東地區(qū)的含硫和高硫原油。原油中的重油通常占比40-60%，這部分重油（以硫為代表的雜質(zhì)含量也高）難以直接利用。為了有效利用重油資源，我國大力發(fā)展了以催化裂化為核心的重油輕質(zhì)化工藝技術(shù)，將重油轉(zhuǎn)化為汽油、柴油和低碳烯烴，超過70%的汽油是由催化裂化生產(chǎn)得到，因此成品汽油中95%以上的硫和烯烴來自催化裂化汽油。故必須對催化裂化汽油進行精制處理，以滿足對汽油質(zhì)量要求。
辛烷值（以RON表示）是反映汽油燃燒性能的最重要指標，并作為汽油的商品牌號（例如89#、92#、95#）。現(xiàn)有技術(shù)在對催化裂化汽油進行脫硫和降烯烴過程中，普遍降低了汽油辛烷值。辛烷值每降低1個單位，相當于損失約150元/噸。以一個100萬噸/年催化裂化汽油精制裝置為例，若能降低RON損失0.3個單位，其經(jīng)濟效益將達到四千五百萬元。
化工過程的建模一般是通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)或機理建模的方法來實現(xiàn)的，取得了一定的成果。但是由于煉油工藝過程的復(fù)雜性以及設(shè)備的多樣性，它們的操作變量（控制變量）之間具有高度非線性和相互強耦聯(lián)的關(guān)系，而且傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型中變量相對較少、機理建模對原料的分析要求較高，對過程優(yōu)化的響應(yīng)不及時，所以效果并不理想。
某石化企業(yè)的催化裂化汽油精制脫硫裝置運行4年，積累了大量歷史數(shù)據(jù)，其汽油產(chǎn)品辛烷值損失平均為1.37個單位，而同類裝置的最小損失值只有0.6個單位。故有較大的優(yōu)化空間。請參賽研究生探索利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來解決化工過程建模問題。

二、目標
依據(jù)從催化裂化汽油精制裝置采集的325個數(shù)據(jù)樣本（每個數(shù)據(jù)樣本都有354個操作變量），通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來建立汽油辛烷值（RON）損失的預(yù)測模型，并給出每個樣本的優(yōu)化操作條件，在保證汽油產(chǎn)品脫硫效果（歐六和國六標準均為不大于10μg/g，但為了給企業(yè)裝置操作留有空間，本次建模要求產(chǎn)品硫含量不大于5μg/g）的前提下，盡量降低汽油辛烷值損失在30%以上。

三、問題

數(shù)據(jù)處理：請參考近4年的工業(yè)數(shù)據(jù)(見附件一“325個數(shù)據(jù)樣本數(shù)據(jù).xlsx”)的預(yù)處理結(jié)果，依“樣本確定方法”（附件二）對285號和313號數(shù)據(jù)樣本進行預(yù)處理（原始數(shù)據(jù)見附件三“285號和313號樣本原始數(shù)據(jù).xlsx”）并將處理后的數(shù)據(jù)分別加入到附件一中相應(yīng)的樣本號中，供下面研究使用。

尋找建模主要變量：
由于催化裂化汽油精制過程是連續(xù)的，雖然操作變量每3 分鐘就采樣一次，但辛烷值（因變量）的測量比較麻煩，一周僅2次無法對應(yīng)。但根據(jù)實際情況可以認為辛烷值的測量值是測量時刻前兩小時內(nèi)操作變量的綜合效果，因此預(yù)處理中取操作變量兩小時內(nèi)的平均值與辛烷值的測量值對應(yīng)。這樣產(chǎn)生了325個樣本（見附件一）。
建立降低辛烷值損失模型涉及包括7個原料性質(zhì)、2個待生吸附劑性質(zhì)、2個再生吸附劑性質(zhì)、2個產(chǎn)品性質(zhì)等變量以及另外354個操作變量（共計367個變量），工程技術(shù)應(yīng)用中經(jīng)常使用先降維后建模的方法，這有利于忽略次要因素，發(fā)現(xiàn)并分析影響模型的主要變量與因素。因此，請你們根據(jù)提供的325個樣本數(shù)據(jù)（見附件一），通過降維的方法從367個操作變量中篩選出建模主要變量，使之盡可能具有代表性、獨立性（為了工程應(yīng)用方便，建議降維后的主要變量在30個以下），并請詳細說明建模主要變量的篩選過程及其合理性。（提示：請考慮將原料的辛烷值作為建模變量之一）。

建立辛烷值（RON）損失預(yù)測模型：采用上述樣本和建模主要變量，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立辛烷值（RON）損失預(yù)測模型，并進行模型驗證。

主要變量操作方案的優(yōu)化：要求在保證產(chǎn)品硫含量不大于5μg/g的前提下，利用你們的模型獲得325個數(shù)據(jù)樣本(見附件四“325個數(shù)據(jù)樣本數(shù)據(jù).xlsx”)中，辛烷值（RON）損失降幅大于30%的樣本對應(yīng)的主要變量優(yōu)化后的操作條件（優(yōu)化過程中原料、待生吸附劑、再生吸附劑的性質(zhì)保持不變，以它們在樣本中的數(shù)據(jù)為準）。

模型的可視化展示：工業(yè)裝置為了平穩(wěn)生產(chǎn)，優(yōu)化后的主要操作變量（即：問題2中的主要變量）往往只能逐步調(diào)整到位，請你們對133號樣本（原料性質(zhì)、待生吸附劑和再生吸附劑的性質(zhì)數(shù)據(jù)保持不變，以樣本中的數(shù)據(jù)為準），以圖形展示其主要操作變量優(yōu)化調(diào)整過程中對應(yīng)的汽油辛烷值和硫含量的變化軌跡。（各主要操作變量每次允許調(diào)整幅度值Δ見附件四“354個操作變量信息.xlsx”）。

附件：
附件一：325個樣本數(shù)據(jù).xlsx
附件二：樣本確定方法.docx
附件三：285號和313號樣本原始數(shù)據(jù).xlsx
附件四：354個操作變量信息.xlsx

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2020年第十七届中国研究生数学建模竞赛B题 汽油辛烷值建模的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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