使用仿真系統(tǒng)建立塔模型及簡要分析.doc

1、C2H6/% C3H6/% C3H8/%應(yīng)用過程模擬軟件對脫乙烷塔工藝流程分析都炎飛，宋力恒（大慶煉化公司培訓(xùn)中心，黑龍江大慶 163411 ）摘要： 利用應(yīng)用過程模擬軟件PRO/II 和 Dynsim 對脫乙烷塔進(jìn)行了工藝流程仿真模擬分析。由于裝置的局部改造及外界干擾因素的影響，在建立動態(tài)過程模型之前，應(yīng)先建好PRO/II 靜態(tài)模型， 以便獲得合理的物料平衡、能量平衡以及相關(guān)的重要工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對使用Dynsim 建立動態(tài)過程模型尤為重要。關(guān)鍵詞： 過程仿真；脫乙烷塔；PRO/II ； DynsimPRO/II 和 Dynsim均為功能全面的、 基于嚴(yán)格計算的、 成熟的過程模擬軟件

2、，其中，PRO/II是靜態(tài)版本， Dynsim則是動態(tài)版本。這2種軟件在模型計算方面都運(yùn)用了基于機(jī)理的技術(shù)和嚴(yán)格的熱力學(xué)方法進(jìn)行計算，能夠通過計算獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，用于解決從工程分析、控制系統(tǒng)校核到操作員培訓(xùn)等動態(tài)模擬問題1 。1 塔模型的建立（ 1） 熱力學(xué)計算塔動態(tài)模型搭建出現(xiàn)問題的重要的原因就是熱力學(xué)和閃蒸的設(shè)置不合適，所以在開始Dynsim 建模前，應(yīng)當(dāng)先確認(rèn)好熱力學(xué)的設(shè)置。輕烴精餾通?？梢圆捎肞R、SRK以及 SRKM等熱力學(xué)方法計算，在建模過程中，應(yīng)當(dāng)先使用PRO/II 通過選取各種熱力學(xué)方法來對模型進(jìn)行計算，對計算結(jié)果與生產(chǎn)工藝參數(shù)或設(shè)計參數(shù)進(jìn)行對比，以最終確定在使用Dynsi

3、m 建立動態(tài)過程模型時所應(yīng)用的算法2 。（ 2） 穩(wěn)態(tài)模型搭建由于 PRO/II 在計算時只考慮穩(wěn)態(tài)結(jié)果，不考慮流量調(diào)整對其產(chǎn)生的動態(tài)影響，因此，塔的模型中直接包含了塔底再沸系統(tǒng)和塔頂?shù)幕亓飨到y(tǒng)，以某氣體分餾裝置中脫乙烷塔為例，該塔主要應(yīng)用于裂解氣分離，是用來將乙烷 ( 包括更輕組分) 與丙烯及更重組分進(jìn)行分離的精餾塔， 塔頂出乙烷和更輕組分( 如乙烯、甲烷 ) ，塔底出丙烯和更重組分，在煉油裝置中比較常見。該塔的主要進(jìn)料包括乙烷、丙烯和丙烷等組分。由于文中所模擬的裝置為已投產(chǎn)裝置，因此在搭建過程中對原設(shè)計數(shù)據(jù)只進(jìn)行了參考，模型搭建所采用的數(shù)據(jù)是來源于生產(chǎn)操作臺帳及產(chǎn)品分析數(shù)據(jù)，在PRO/II

4、 中對塔的模型做了如下工藝規(guī)定：塔頂回流量38 t/h；塔頂溫度58 。對塔模型的工藝條件進(jìn)行了設(shè)置：理論塔板數(shù)為43 塊，進(jìn)料位置為第17 板，塔頂壓力2.8 MPa ，工藝條件見表1。表 1 乙烷塔工藝條件項(xiàng)目溫度 / 壓力 /MPa 物流線中物流線中物流線中物流線氣相流量物流線液相流量進(jìn)料線塔頂氣塔底液相產(chǎn)品線相產(chǎn)品線3752.47668.4253.52.82.850.042 524.05400.000 578.423 970.862478.437 121.533 75.082621.562 4-1)-53.061-/(kg h-1)30 382-30 328.939/(kg h根據(jù)工藝

5、條件及工藝規(guī)定，通過對PRO/II 中熱力學(xué)方法進(jìn)行設(shè)置3 ，分別采用了PR和SRK對該塔進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)計算，計算結(jié)果較為近似，選取了 SRK方法應(yīng)用于接下來的動態(tài)模擬中，采用 SRK方法計算的穩(wěn)態(tài)結(jié)果見表 2。1表 2 穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果層數(shù)溫度/壓力 /MPa液相流速氣相流速進(jìn)料量產(chǎn)品-1-1-1-1/(kg h)/(kg h)/(kg h)/(kg h)152.52.8038 004.653.1258.02.8039 562.838 057.7361.52.8040 715.339 615.81767.62.8243 336.243 317.91867.72.8288 762.543 389.33

6、0 3821967.72.8288 801.658 433.64368.42.8589 750.659 405.8塔釜68.42.85391 908.8634.630 329再沸器68.52.85333 121.858 787.0（ 3） 主塔模型的搭建Dynsim和 PRO/II 在模型搭建過程中的操作略有不同，因?yàn)樵?Dynsim中需要考慮動態(tài)參數(shù)對整個系統(tǒng)的影響， 而對于塔頂冷凝的效果、塔頂回流量以及塔底再沸器循環(huán)量等參數(shù)而言，對其進(jìn)行調(diào)整會對塔的整體操作參數(shù)產(chǎn)生影響，因此，塔身、塔頂冷凝和回流、 塔釜再沸器、中段回流、側(cè)提塔等都需要單獨(dú)建立，建立模型總的原則是由簡單到整體4 。在 Dy

7、nsim中建立塔模型只包括塔身，而進(jìn)料、回流、再沸器返回物料等都用恒流量的StreamSet 模擬。在正常情況下Dynsim是不采用固定流量的，但為調(diào)模型的方便，避免出現(xiàn)前文中所提到的動態(tài)參數(shù)在建模初期由于流量的波動對塔模型產(chǎn)生影響，從而使得塔很快能達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況的目的，采用StreamSet 作為邊界條件來規(guī)定流量值，而暫時不考慮由于塔頂和塔釜設(shè)備的波動造成干擾的建模方法5 。FEED為塔進(jìn)料物流， Boilup 為再沸器向塔釜返回物流， OVHD為塔頂產(chǎn)品物流， REFLUX 為塔頂液相回流物流， BOTTOMS為塔底液相產(chǎn)品物流，回流量和再沸器返回物料量都可通過在PRO/II 中模型的計算

8、獲得，圖1 主塔模型調(diào)試見圖1。圖 1 主塔模型調(diào)試雖然在 Dynsim 的精餾塔建模過程中可以直接采用實(shí)際塔板數(shù)，但為了在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不影響操作訓(xùn)練的體驗(yàn)感受，在Dynsim 的精餾塔建模過程中通常采用理論級模型，并通過在 HoldupFactor中調(diào)整塔上氣液相的Holdup 參數(shù)以保證其動態(tài)響應(yīng)和實(shí)際情況吻合，這種建模方式，不僅可以保證系統(tǒng)計算結(jié)果的可靠性，同時可以大幅度降低計算量6 。（ 4） 塔頂系統(tǒng)在塔模型穩(wěn)態(tài)調(diào)整完成后，首先對塔頂產(chǎn)品后續(xù)流程進(jìn)行細(xì)化，完成塔頂冷凝系統(tǒng)部分的流程， 但不要將回流直接連塔，暫時保留REFLUX邊界設(shè)置。 通過對塔頂冷凝效果的調(diào)整，2確認(rèn)其動態(tài)運(yùn)行結(jié)

9、果中回流罐中液相組成和REFLUX邊界設(shè)置中的回流組成相同，見圖2。圖 2 塔頂系統(tǒng)調(diào)試如果確認(rèn)其動態(tài)運(yùn)行結(jié)果中，回流罐液相組成和 REFLUX邊界設(shè)置中的回流組成相同，且當(dāng)塔頂產(chǎn)品的流量（ PRO/II 計算值） =回流量塔頂氣相采出量后，采用回流泵、控制閥以及流量控制或液位控制代替上圖中的 StreamSet （將原來的 REFLUX替換掉），連接回流罐和塔，見圖 3。圖 3 塔頂回流連接（ 5） 再沸器設(shè)置因塔底再沸器是采用虹吸式再沸器，因此，在塔底再沸器部分替換邊界條件BOILUP時保留了 StreamSet ，并根據(jù)PRO/II計算的再沸器返回物流量以及塔釜的設(shè)備設(shè)計參數(shù)，將再沸器返

10、回物流量進(jìn)行回歸得到動態(tài)計算方程，并將該方程賦予StreamSet 中。再參照換熱器設(shè)計數(shù)據(jù)及PRO/II 計算的再沸器返回物流參數(shù)進(jìn)行計算，求得換熱器殼程和管程的換熱系數(shù)。最后對照實(shí)際實(shí)際生產(chǎn)過程參數(shù)對換熱系數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到所需的熱負(fù)荷，見圖4。圖 4 再沸器調(diào)試2 控制策略分析以該氣體分餾裝置中脫乙烷塔為例，建成的動態(tài)過程模型及相關(guān)穩(wěn)態(tài)參數(shù)見圖5。3圖 5 脫乙烷塔動態(tài)模型通過對圖 5 中相關(guān)計算結(jié)果與生產(chǎn)過程參數(shù)記錄值對比，擬合度較高， 逼真的模擬了對C2 及以下輕組分的分離過程。3 結(jié)束語在建立了本動態(tài)模型后，嘗試了將脫乙烷塔操作壓力由2.8 MPa降至 2.7 MPa的降壓操作，過程中

11、塔釜溫度由68.4降至 66.6，塔釜產(chǎn)品中C2 含量在 0.000 01% ，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該生產(chǎn)方案的調(diào)整并未對裝置加工量及產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，且可達(dá)到節(jié)能降耗的效果。通過這種方式， 員工不僅可以應(yīng)用該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行操作訓(xùn)練，也可以結(jié)合該系統(tǒng)開展一系列的優(yōu)化操作方案研究工作，并應(yīng)用于生產(chǎn)指導(dǎo)中。參考文獻(xiàn)：1 都炎飛 . 氣體分餾裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)D. 東北石油大學(xué)， 2011.2 王曉東, 都炎飛, 閆修杰, 等.35 萬噸/ 年氣體分餾裝置動態(tài)模型的開發(fā)研究J. 中國科技縱橫,2011(17) ：39-42.3 王樹杰 . 精餾塔動態(tài)模型建立及故障模擬 D. 青島：青島科技大學(xué)， 2008.4 路浩宇 . 氣體分餾裝置的動態(tài)模擬 D. 北京：北京化