（化学工程专业论文）气体分馏装置流程模拟与优化操作研究.pdf

摘要 气体分馏装置流程模拟与优化操作研究 摘要 气体分馏装置的生产工艺是以催化裂化装置所产液化气( l p g ) 和延 迟焦化装置l p g 为原料，从中分离出较高纯度的丙烯产品，以满足不同 化工装置的需求。 本文以国内某石化公司6 5 万吨年气体分馏装置为研究对象，运用流 程模拟技术进行了稳态模拟，利用双层法对模型进行求解计算，采取序贯 模块法进行了全流程模拟。通过模拟结果与实测数据的对比，证明该模型 可在装置的不同层面上进行过程分析。本论文以模型为指导，以节能和增 产丙烯为目标，综合考虑各关键影响因素，对装置进行了优化分析，并提 出优化实施方案。通过优化塔顶回流、塔顶操作压力、进料位置以及塔顶 底温度等操作参数后，平均装置蒸汽消耗量降低4 3 5 吨小时，年增产丙 烯约1 9 6 0 吨，为企业挖潜增效1 2 0 5 万元年。 本文的研究成果对于大型石化企业气体分馏装置的操作进行优化，实 现节能降耗并提升装置经济效益具有指导意义和参考价值。 关键词：气体分馏，流程模拟，优化，节能降耗，经济效益 摘要 s t u d yo np r o c e s ss i m u l a t i o na n do p e r a t i o n o p t i m i z a t i o no fg a sf r a c t i o n a t i o nu n i t a b s t r a c t t h ep r o c e s so fg a sf r a c t i o n a t i o nu n i tc a l lp r o d u c eh i g hp u r i t yp r o p y l e n e t om e e tt h ed e m a n d so fv a r i o u sc h e m i c a lu n i t s ，b yu s i n gl p gg e n e r a t e db y c a t a l y t i cc r a c k i n gu n i ta n dd e l a y e dc o k i n gu n i ta st h er a wm a t e r i a l a6 5t o n y e a rg a sf r a c t i o n a t i o nu n i to fap e t r o c h e m i c a lc o m p a n yw a s t a k e na sar e s e a r c ho b j e c t ，a n da r o u n dt h eu n i t ，t h i st h e s i su s e dp r o c e s s s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt op e r f o r mas t a t i cs i m u l a t i o na n du t i l i z e dt w ot i e r e d a p p r o a c ht od oam o d e lc a l c u l a t i o n , a n da d o p ts e q u e n t i a lm o d u l a ra p p r o a c ht o e x e c u t et h ef u l lp r o c e s ss i m u l a t i o n c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tt ot h er e a l d a t a , i ts h o w st h a tt h em o d e lc a l lb eu s e dt oa n a l y z ed i f f e r e n ta s p e c t so ft h e u n i t f o rt h ee n e r g ys a v i n ga n dy i e l di n c r e a s eo ft h ep r o p y l e n e ，g u i d e db yt h e m o d e l ，t h et h e s i sc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e da l lt h ek e yi n f l u e n c ef a c t o r sa n d p e r f o r m e dt h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i so ft h eu n i t ，a n dt h e ni tp r e s e n t e da i l o p t i m i z a t i o ni m p l e m e n t i n gs c h e m e f o rt h eo p t i m i z a t i o no fs o m ep a r a m e t e r s ， s u c ha st h er e c y c l er a t i o sa n dt h eo p e r a t i o np r e s s u r e sa n dt h eo p e r a t i o n t e m p e r a t u r e so ft o w e ro v e r h e a da n dt h ef e e dp o s i t i o na n ds oo n ，a v e r a g ev a p o r c o n s u m p t i o no ft h eu n i tw a sd e c e a s e db y4 3 5t o n h o u ra n dt h ei n c r e a s eo ft h e i i i 北京化工大学硕士学位论文 p r o p y l e n ep r o d u c t i o nw a sa b o u t19 6 0t o n y e a r , w h i c hm e a n s12 0 5m i l l i o n y u a ni n c r e a s eay e a r t h er e s e a r c hr e s u l tw i l l p e r f o r ma l li m p o r t a n tr o l e i n o p e r a t i o n o p t i m i z a t i o n ，e n e r g ys a v i n ga n de c o n o m i cb e n e f i ti n c r e a s i n g o ft h eg a s f r a c t i o n a t i o nu n i to fal a r g e - s c a l ep e t r o c h e m i c a lc o m p a n y k e y w o r d s ：g a sf r a c f i o n a t i o n ，p r o c e s ss i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ， e n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，e c o n o m i cb e n e f i t 符号说明 符号说明 普适气体常数 临界温度 临界压力 偏心因子模型参数 组分交互作用参数 体系组分数 理想气体焓 理想气体焓系数 组分f 的摩尔分数 体系中组分数目 组分珀勺理想气体焓 总体积， 比容 总摩尔数 组分f 的分逸度系数 液相活度系数 纯组分逸度 气相分逸度系数 足 霉 彩 b c 日 岛 而 c 日 巧 y 刀 办 以 办 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者盘名：二日期：三旦生- 曼正 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 誓嘉蓁茎：一 ，- - 导师签名：2 坐型l 竺之 日期：丝f 里二：乡二羔 第一章文献综述 1 1 化工过程流程模拟 1 1 1 流程模拟基本概念 第一章文献综述 流程模拟技术是在近几十年中逐渐发展并形成起来的一门综合学科，作为过程系 统工程中的重要技术手段，流程模拟技术是过程系统分析与优化以及过程系统综合的 重要基础。 流程模拟技术，是对工艺流程进行“模仿”与“拟合一的手段，运用数学方法对 过程的静态与动态特性进行描述，即以应用软件为工具，对某个过程( 如反应、结晶、 精馏、萃取、吸收、换热等) 进行模仿。根据装置技术人员提供的过程条件( 如设备 规格、流量、温度、压力等) ，通过对相应过程的物料平衡、能量平衡、相平衡以及 化学平衡计算，预测生产装置运行过程中可能发生的状况，为科研、设计、生产单位 提供设计、优化等方面的指掣。 流程模拟技术应用于项目规划阶段，可以协助开展装置规划与建设的可行性分析 研究，评价各种建设方案；在研究开发阶段应用流程模拟技术，可以进行概念设计， 明确研究任务的目标与要点，也可以通过数学模型的研究开展模拟实验，通过与具体 实验的对比分析，提高研发进度与研究质量；在工程设计阶段应用流程模拟技术，可 对初步设计进行方案对比分析，寻求最优设计方案；在生产阶段应用流程模拟技术， 可以通过对生产装置运行状况的监控，开展优化分析，克服“瓶颈 ，实现优化操作， 指导生产企业实现节能降耗、挖潜增效目标，进一步提高经济效益。 1 1 2 化工过程流程模拟发展史 化工过程流程模拟系统的开发始于2 0 世纪5 0 年代末。1 9 5 8 年，美国k d l o g g 公司成 功开发出第一套流程模拟系统f l e x i b l ef l o w s h e e t 2 ，在当时的化学工程界产生了很大 的影响，此后，化学工程师们对流程模拟领域的兴趣不断提高，针对过程设计、控制、 优化的各类模拟系统相继问世。 在流程模拟系统的发展过程中，经历了一、二、三、四代发展【3 4 捌( 详细情况见 表1 1 ) ，并逐步成为研究、设计以及生产部门最有效的辅助工具。第一代系统在2 0 世纪6 0 年代，模拟对象以烃加工过程为主，但未广泛应用于工业中；第二代系统在2 0 世纪7 0 年代，模拟对象扩大到汽液两相过程，成为石油化工公司使用的开发与设计手 段，典型代表有m o n s a n t o 公司的f l o w t r a n 软件和s i m u l a t i o ns c i e n c e 公司的 北京化工大学硕士学位论文 p r o c e s s 软件；第三代系统在2 0 世纪8 0 年代，模拟对象涉及气、液、固三相过程，在 系统分解的技术方面有所改进，典型代表有a s p e np l u s 、p r o 、h y s i m 等；第四代 系统为2 0 世纪9 0 年代以来，将稳态和动态加以集成，典型的代表有h y s y s 、s i m s c i 、 a s p e no n e 等。可见，流程模拟软件的开发逐步在完善，功能也越来越强大。 表1 1 流程模拟系统发展阶段及各阶段代表 t a b l e l - id e v e l o p i n gs t a g e sa n dt h e i rr e p r e s e n t a t i o no f p r o c e s ss i m u l a t i o n 代表 特点 公司名称 第一代 不完善的数据库 简单的数学模型 k e l l o g g f l e x i b l es y s t e m ( 6 0 年代)h o u s t o nu l l ic 髓s s 物料、能量计算 第二代 较完善的数据库 复杂而精确的数学模型 m o n s a n t of i o w 职a n ( 7 0 年代) s i m u l a t i o ns c i e n c e p 目o c e s s 物料、能量、设备计算 较完善的数据库 第三代复杂而精确的数学模型 ( 8 0 年代)物料、能量、设备计算 a s p e nt e c h a s p e np l u s 经济评价、工况分析 较完善的数据库 h y s y s 第四代复杂而精确的数学模型 h y l p r o j r e c h c u s t o mm o d u l e r ( 9 0 年代)物料、能量、设备计算 a s p e nt e c h a s p e nd y n a m i c $ s 【m s c i 从离线到在线 p r o 在流程模拟技术的应用方面，国外公司在二十世纪五六十年代开始应用流程模拟 技术，最近十几年该技术的发展和应用更为迅速和广泛。由于流程模拟及优化技术的 发展前景很好，国外公司从七十年代开始在化工流程模拟与优化研究方面投入了大量 的人力和物力，开发了一批较高水平的化工流程模拟和优化软件，专门从事推广化工 流程模拟和优化技术的公司相继成立。近年来，国外软件公司如a s p e nt e c h 公司、 s i m s c i 公司等纷纷进入中国市场，占据着较大的市场份额。 国内流程模拟软件开发和应用起步并不太晚【6 1 。早在二十世纪六十年代中期，兰 州石化设计院就开始了相关的开发工作。到七十年代前期，北京石化工程公司、洛阳 石化工程公司和北京设计院相继成立计算站( 室) ，开展流程模拟软件开发和应用工 作，开发了一批油品分馏塔、多组分精馏塔、冷换设备、塔板水力学计算等工艺计算 程序，尤其是兰州石化设计院的合成氨模拟程序，北京设计院的催化裂化模拟程序具 有较高水平。青岛科技大学( 前身为青岛化工学院) 开发了国内唯一的汉化通用化工 流程模拟软件e c s s 和3 2 位w i n d o w s 升级版e c s s 一化工之星。e c s s - 化工之星具有过程 模拟、工况分析、灵敏度分析、过程优化设备设计等功能，界面全部采用图形界面 2 第一章文献综述 ( g u i ) ，操作非常简单、方便、易用。这批程序在设计中应用，对于提高设计效率 和设计水平起过重要作用。1 9 8 3 年化工部计算中心引进a s p e nt e c h 公司的a s p e np l u s 软件，缩短了在流程模拟技术上我国与世界先进水平的差距。现阶段，国内化工模拟 软件的开发力量主要集中在化工设计院、大型炼化企业和高校。但就国内综合水平看， 普及程度和应用深度远不及国外发达国家。 1 1 3 化工过程模拟系统分类 流程模拟系统有四种分类方法，如图1 1 所示： 时态 范围 图1 1 流程模拟系统分类图 f i g l 1c l a s s i f i c a t i o nc h a r to f p r o c e s ss i m u l a t o n ( 1 ) 按模拟对象时态分类 流程模拟系统依据模拟对象时态可分为：稳态流程模拟系统和动态流程模拟系 统。 稳态流程模拟在这几十年的发展中，己经趋于成熟。稳态流程模拟从模拟系统结 构角度而言，一直沿着两条平行的路线发展，即序贯模块法和联立方程法【1 1 。在实际 工业生产中，物料依次地进入加工过程，前一个的输出就是后一个的输入，直至获得 最终产品。在模拟计算中，物料流被抽象成物质流和能量流，加工过程被抽象成单元 过程，加工流程被抽象成信息流图，然后按在信息流图中物流或能流的流向依次地对 模块进行计算，把前个的输出作为后一个的输入，遇到循环流进行迭代收敛，直至 完成全部模拟，这就是序贯模块法。联立方程法是为克服序贯模块法的不足而提出的， 北京化工大学硕士学位论文 它把针对过程系统模拟为目的，所列的全部方程同时联立求解。这些方程可以是物料 平衡方程和能量平衡方程，也可以是状态方程、约束方程和控制方程。因为是方程联 立求解，只要方程数目和性质与所求变量相协调，就不用设置收敛模块了。因此它所 解决的问题范围比序贯模块法广泛，收敛效率也高。 动态模拟的发展较稳态模拟略迟。有关动态模拟研究成果的报道出现于7 0 年代初 期，随着计算机的普及和计算能力的不断提高，加上近似计算方法( 如有限元法、有限 差分法、有限体积法等1 的发展，基于数值计算的计算流体力学( c f d ) 方法形成，并 得到了蓬勃的发展【7 1 。这些初期的动态模拟软件虽然都取得了很好的效果，但由于处 理的变量少，应用范围狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究。这一时期尚未能形 成通用化的动态模拟系统。 进入8 0 年代后，化工过程模拟走向了它的成熟期，众多动态模拟软件纷纷推出， 模拟软件的开发、研制走向专业化、商品化。9 0 年代是化工动态模拟的深入发展期， 从“离线”走向“在线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的离线稳态计 算发展到和工业装置紧密相连的动态模拟。这一时期，动态模拟得到了长足的发展， 新的模拟软件不断问世【8 】。如加拿大h y p r o t e c h 公司的h y s y s ( 2 0 0 2 年与a s p e n t e c h 公司合并) 、美匡l a s p c n t e c h 公司的c u s t o m m o d e l c r 和d y n a m i c s 等。a s p e n t c c h 公司的a s p e np l u s 软件和s i m s c i 公司的p r o i i 软件是当今国际上较为流行的两个流 程模拟软件【9 j 。 ( 2 ) 按应用范围分类 流程模拟系统依据应用范围可分为：专用模拟系统和通用模拟系统。 专用流程模拟系统是专门过程开发的系统，只能用于特定流程的模拟研究。由于 专用系统只考虑特定的流程结构，而不需要考虑通用性，因此系统的各方面都可针对 流程特点进行专门的深入研究，建立准确的模型，产生齐全的数据。但也正由于其针 对特定流程的特点，所以其应用有很大的局限性【埘。 通用流程模拟系统是指对各种流程均可适用的流程模拟系统，因此系统尽可能考 虑到各种不同情况，使得系统与专用软件相比要复杂庞大的多。如在模型化方面，应 包括过程中常用的各种过程单元的模型，并应考虑一些特殊过程的处理方法，还应考 虑允许使用者加入自己的模型：在物性计算方面，除要搜集尽可能多组分的基础数据以 外，还应对各种数据进行评价、筛选，使各物性具有较大的适用性i l l , 1 2 , 1 3 , 1 4 。因此， 这类系统的结构比专用系统要复杂的多。 ( 3 ) 按模拟方法分类 流程模拟系统依据模拟方法可分为：序贯模块法模拟系统( 如a s p e np l u s ， p r o i i e c s s 化工之星) ：联立方程法模拟系统( 如s p e e d u p , a s c e n d ) ；联立模 块法模拟系统l i 引。 序贯模块法是通过模块依次序贯求解系统模型的一种方法。在应用序贯法进行计 4 第一章文献综述 算时，需考察循环物流各个变量的计算值和假定值之间的拟合程度，如果不拟合，应 对循环流的假定值进行修正，重复进行迭代计算，直至计算值与假定值拟合。序贯模 块法是目前应用得最广的化工系统模拟计算方法。序贯法的基本问题是迭代变量的选 择、计算顺序的确定和修正循环流假定值的迭代方法。 联立方程法的基本思想是对系统的模型方程联立求解。联立方程法的主要问题在 于如何保证收敛的稳定性和众多变量的初值的合适假定。至今，文献报道的联立方程 法大多是试验性的，目前这种方法主要用于方程数不多( 例如小于1 0 0 ) 的系统。 联立模块法的基本思想是用近似的线性模型来代替各单元过程的严格模型，使传 统模型成为一个线性方程组，可以采用较简单的方法求解。它结合了序贯模块法和联 立方程法二者的优点。联立模块法的基本问题是系统模型的求解和单元模型的线性 化。 ( 4 ) 按软件结构分类 流程模拟系统依据软件结构可分为：灵活结构和固定结构两类。 固定结构系统的执行无论模拟何种过程，其执行逻辑都是相同的，也就是说对大 小不同的问题执行程序都是相同的，都需把所有模块( 单元模块、热力学模型) 一次 调入内存，根据模拟问题及用户选择调用有关模块计算。灵活结构系统对不同过程有 不同的执行程序( 可由用户编写或软件自动产生) 。自动产生的执行程序是用一种面 向问题语言p o l ( p r o b l e m - - o r i e n t e dl a n g u a g e ) 被直接解释成执行代码或p o l 一次产 生高级语言程序，然后编译、连接、执行。固定结构系统缺少灵活性，且过于复杂。 灵活结构系统，程序仅装入实际需要的模块，数据存贮空间按实际需要分配，因此， 可以得到更大的灵活性，执行速度快。但解释或编译、连接需要增加额外的开销。 1 1 4 流程模拟系统的组成 任何一种流程模拟系统均由系统模型、物性数据和解算方法三个部分组成，即模 拟三要素。 1 1 4 1 系统模型 系统模型是描述化工系统性能的数学模型，包括组成系统的各单元的模型，还包 括可对系统结构给予明确表述的部分。数学模型是流程模拟的基本依据，模拟结果的 可靠性与准确程度和数学模型有极大的关系。数学模型通常是一组代数方程或微分方 程，是在数学本质的前提下对实际过程系统进行抽象。数学模型由过程系统的本质决 定，要准确定量地对过程进行描述，重要的是要根据有关的基本定律，对过程进行分 析，按照模拟的要求，建立起相应的模型。数学模型建立过程中要依据质量守恒定律、 s 北京化工大学硕士学位论文 能量守恒定律、传递速率方程、相平衡方程、状态方程及化学反应动力学等基本定律。 数学模型由描述过程的数学方程及限制条件所组成，根据不同的分类方法，可分 为如下几种基本类型【1 ”7 l ： ( 1 ) 机理模型和经验模型 依据模型建立的方法划分。机理模型就是通过分析过程的物理和化学本质和机 理，利用化学工程的基本理论来建立一组描述过程特性的数学方程式及边界条件。这 类数学方程组往往比较复杂，但具有明确的物理意义。经验模型是指直接以小型实验、 中间试验或生产装置的实测数据为依据，模型方程完全依靠回归实验数据得到，只着 眼于输入输出关系，对过程的本质不管，没有任何理论依据：只有那些过程十分简单， 关系极其明确的少数操作，如只需做物料衡算的混合、分流等的模型属于此类。该种 模型的数学函数关系通常比较简单，但只能表达有限范围内的关系，不能外推。 ( 2 ) 稳态模型和动态模型 依据对象的时态本质划分。稳态模型所描述的系统内部各处工作状态参数都不随 时间而变，从数学上看，这种模型常常是代数方程组。连续输出装置在正常条件下的 运行可用稳态模型描述。动态模型考虑过程对象的参数随时间变化的关系，反映过程 在外部干扰作用下，不稳定的开、停车过程，从数学上看，模型常常是微分方程组。 ( 3 ) 集中参数模型与分布参数模型 依据过程对象的数学描述方法划分。在集中参数模型中，忽略过程变量随空间位 置的变化，即与过程有关的性质在所研究的范围内可以看作是均一的，如全混流反应 器模型。数学上表现为代数方程组( 稳态) 或常微分方程组( 动态) 。在分布参数模 型中，过程变量随空间位置的不同而变化，如平推流反应器模型。数学上表现为常微 分方程( 稳态) 或偏微分方程( 动态) 。 ( 4 ) 确定性模型与随机模型 依据对象的属性划分。确定性模型是指每个变量和参数均对任意一组给定的条件 有一个或一系列的确定值。过程状态变量的变化是由输入变量本身决定的，如物质的 p v t 状态方程。随机模型是描述不确定性的随机过程，一个输入变量不能产生一个确 定的输出变量，输出变量的值服从统计概率规律，需根据一个具体的概率分布的期望 值而求得。如聚合反应器中高分子聚合物的生成。 1 1 4 2 物性数据 用于流程模拟的物性数据可分为两类【1 3 1 ：热力学物性数据和传递过程物性数据。 前者反映了过程在平衡方面的特性，如导热系数，粘度、扩散系数等；后者反映了过 程在速率方面的特性，如密度、压缩因子、焓、熵、自由能、生成热、反应热及进行 气液平衡常数计算所需的逸度系数、活度系数等。由于物性的复杂性和多样性，到目 6 第一章文献综述 前还没有一种很好的能适用于各种物性及其混合物的各种条件的通用物性计算方法。 人们通过长期努力，开发了不同的计算方法，这些方法各有优劣，适用于不同的物系、 不同的操作条件。通常，有多种方法适合于所考虑的问题，这时需依靠经验和知识选 择一种最好的方法。流程模拟的质量在相当程度上依赖于物性数据的准确性和可靠 性，在流程模拟的有关计算中，调用有关物性数据模块进行物性数据估算的次数和占 用计算量的比例也十分庞大。因此，向流程模拟提供可靠、有效的物性数据服务受到 高度的重视，从计算机存储、管理、加工数据的角度看，提供物性支持的方式经历了 无管理、文件系统管理和数据库系统三个阶段。目前，许多化工模拟系统都装备有自 己的数据库，以供用户使用。 1 1 4 3 求解方法 以化工流程的物料衡算和热量衡算为基础的化工过程系统模型，从数学角度看， 最后归结为数学方程的求解问题。但对于复杂的方程或方程组，解析解的求取非常困 难或不可能实现，因此数值解法就成为一种十分重要的手段。对于线性代数方程组， 常用的解法有消去法、迭代法、u j 分解法；非线性方程组常用解法有牛顿拉夫森法、 韦格施坦法、布洛伊顿法、优势特征值法等；微分方程常用显式欧拉法、隐式欧拉法、 龙格库塔法等。 1 2 气体分馏装置概述 1 2 1 精馏基本原理 石油是极其复杂的混合物，为多种不同沸点烃类组成的混合液。要从原油中提炼 出多种多样的燃料、润滑油和其它产品，基本的途径是：将原油分割为不同沸程的馏 分，然后按照油品的使用要求，除去这些馏分的非理想组分，或者是经过化学转化形 成所需要的组成，进而获得合格的石油产品。因此，炼油厂必须解决原油的分割和各 种石油馏分在加工过程中的分离问题【1 9 1 。蒸馏是石油加工过程中最常使用的分离手段 之一，而且常常也是一种最经济、最容易实现的分离手段，它能将液体混合物按其所 含组分的沸点或蒸汽压的不同而分离为轻重不同的各种馏分，或者分离为近似纯的产 物。 蒸馏有多种形式，如闪蒸、简单蒸馏和精馏，可以根据分离要求和被加工物料的 性质及数量的情况选用【2 0 1 。闪蒸又称平衡汽化，即进料以某种方式加热至部分汽化， 经过减压设施，在一个容器( 如闪蒸罐、蒸发塔、蒸馏塔等) 内，于一定温度和压力 7 北京化工大学硕士学位论文 下，气、液两相迅速分离，得到相应的气相和液相产物。由于平衡汽化的所有组分同 时存在于气、液两相中，而两相中的每一个组分处于平衡状态，因此这种分离是比较 粗略的。简单蒸馏是实验室或小型装置上常用于浓缩物料或粗略分割油料的一种蒸馏 方法。液体混合物在蒸馏釜中被加热，在一定压力下，当温度到达混合物的泡点温度 时，液体开始汽化，生成的蒸汽当即被引出并经冷凝后收集起来，同时液体继续加热， 继续生成蒸汽并被引出。简单蒸馏的效果要由于平衡汽化，但分离程度也还是不高， 一般只是在实验室使用，如广泛应用于测定油品馏程的恩氏蒸馏就可以看作是简单蒸 馏精馏是分离液相混合物的很有效手段，借助于精馏，可以得到一定沸程的馏分， 也可以得到纯度很高的产品，例如纯度可达9 9 9 9 的产品。 精馏塔内装有提供汽、液两相接触的塔板或填料，塔顶馏出物冷凝后，取其一部 分作为塔顶回流，其余部分作为塔顶产品。塔底有再沸器，加热塔底流出的液体以产 生一定量的气相回流，塔底气相回流是轻组分含量很低而温度较高的蒸汽【2 0 】。由于塔 顶回流和塔底气相回流的作用，沿着精馏塔的高度建立了两个梯度：温度梯度，即 自塔底至塔顶温度逐级下降；浓度梯度，即气、液相物流的轻组分浓度自塔底至塔 顶逐级增大。由于这两个梯度的存在，在每一个汽、液接触级内，由下而上的较高温 度和较低轻组分浓度的液相互相接触，进行传质和传热，达到平衡而产生新的气、液 平衡两相，使气相中的轻组分和液相中的重组分分别得到提浓，最后在塔顶得到较纯 的轻组分，在塔底得到较纯的重组分。 1 2 2 精馏技术的工业应用 精馏是蒸馏的一种，蒸馏操作是有着悠久的历史，早在公元初，人们已应用蒸馏 来提纯酒精饮料。1 9 世纪初，随着工业生产发展的需要，相继出现了泡罩塔、填料塔 和筛板塔。上世纪初，蒸馏已从酒精的提浓扩展成为化学工业中的主要分离方法，广 泛应用于原油分离制取各种油品。随着石油化工的发展，无论在精馏装置的规模上， 还是在分离的难度上，都提出了更高的要求。分离效率高、处理能力大、阻力小的新 型分离设备不断涌现，各种节能的、特殊精馏的分离流程得到迅速发展，精馏的设计 方法逐步实现了规范化，先进、优化的控制方案不断开发并获得成功应用，精馏技术 的发展已达到了相当成熟的程度【2 l 】。 精馏是石油化工工业上应用最广的传质分离操作，主要是因其通常只需提供能量 和冷却剂，即能得到高纯度产品，操作简单，一般比较经济。它适用于各种浓度混合 液的分离，只需改变操作压力，可将气体混合物或固体物料液化后分离提纯，可将热 敏物料在低温下操作而避免变质。正因为精馏具有这些特性，使其获得广泛应用，并 因此得到不断研究和发展，技术日趋成熟。 8 第一章文献综述 1 2 3 精馏技术在气体分馏装置上的应用 炼油厂气体分馏装置的任务是根据精馏原理，以催化裂化装置产的经脱硫化氢、 脱硫醇、脱水后的液态烃( 现也有掺加部分焦化液态烃) 为原料，经脱丙烷塔、脱乙 烷塔、和丙烯精馏塔分离成不同的馏分。丙烯精馏塔塔顶分离出来的纯度为9 9 6 以 上的聚合级精丙烯是主要产品。丙烯精馏塔塔底的高纯度丙烷作为溶剂出厂或掺入混 合碳四作为民用燃料出厂圈。 丙烯精馏塔属于精密精馏的分离过程，其特点之一是能量消耗大，因此对精馏塔 进行优化操作，已引起国内外的极大重视。一般来说，提高气体分馏装置的经济效益 主要是通过两条途径，即提高主要产品的回收率和降低装置能耗。 1 2 4 国内炼厂气体分馏装置现状 随着石油化学工业的发展，炼油企业不断向化工方向延伸，炼厂气的综合利用也 越来越受到人们的重视，其中丙烯、丙烷、异丁烯馏分、反、顺丁烯、正丁烷、戊烷 馏分都是生产高附加值化工产品的重要原料。 在炼油企业中，除了生产各类车用燃料、润滑油以外，还伴随有大量的气体产物， 主要是延迟焦化和催化裂化装置的气体产物，前者组成是以甲烷为主，后者则以c 3 及 c 4 的烯烃和烷烃为主。由于我国炼油企业加工的原油普遍偏重，所以各炼油企业中以 重油催化裂化及延迟焦化为主的重油加工能力相当大，其气体产物的产量也就非常可 观了【1 9 1 。我国在早期开发了催化裂解、m g d 2 3 1 ( 多产液化气和柴油技术) 、m i p 2 4 l ( 增产丙烯的催化裂化工艺技术) 、a r g g 2 5 】( 多产液化气和高辛烷值汽油技术) 等 一系列多产气体烯烃的催化裂化工艺，这就使得炼油厂的乙烯、丙烯及丁烯产量成倍 增长，为化工利用提供更多的原料，也使得气体分馏装置加工能力增加较快。 催化裂化装置气体产物由于含有较多低碳烯烃，往往作为气体分馏装置进料，进 一步进行分离为低碳烃类加以利用。延迟焦化装置气体产物含有较多的甲烷，一般用 来做瓦斯燃料供炼厂自用或用作制氢原料，但随着目前对低碳烃类利用的增加，也有 少数气分装置掺炼部分焦化l p g 作为原料。长期以来，由于催化裂化、焦化等重油轻 质化装置的效益十分显著，具有举足轻重地位，世界炼油行业针对这类装置的研究也 比较多，而对气体分馏装置关心较少【2 6 1 。对于气体分馏装置，研究成果大多数是对单 元过程和局部工艺参数的改进，而较少从流程结构的角度来分析问题。也有些观点认 为，气体分馏装置的工艺流程已经非常成熟，不会再有大的工艺改进了。目前整个炼 油界对气体分馏装置的重视是很不够的，致使多数气体分馏装置不能在优化的流程和 工艺条件下运行，导致装置能耗偏高，具有高附加值的丙烯收率偏低，从而引起了较 大的经济效益流失。在此背景下，本论文以气体分馏装置为研究对象，利用流程模拟 9 北京化工大学硕士学位论文 软件对其工艺参数进行优化，以节能降耗、降本增效。 1 2 4 1 气体分馏装置的用能现状 精馏操作是工业上应用最广泛的分离操作，也是能量消耗最大的化工单元操作之 一，特别是石油炼制和某些化工企业中，精馏过程几乎消耗了主要的能量。由于分馏 过程是传质传热的过程，尤其是气体分馏装置，产品纯度要求高、回流比大、能耗很 大，主要是塔底消耗低压蒸汽，塔顶又要消耗大量的冷却水或空冷取走冷凝热【2 7 2 8 】。 丙烯、丙烷分离系统，能耗一般占装置的6 0 以上( 三塔流程) ，而装置能耗的 水平高低直接决定其经济效益的好坏。可见，精馏塔的节能越来越受到人们的重视。 目前国内气分装置用能有以下四种形式： ( 1 ) 采用蒸汽作为气分再沸器热源 气分塔底再沸器一般用1 0 m p a 低压蒸汽作热源。 ( 2 ) 采用其它装置工艺物流的低温余热 催化裂化装置与气分装置就近联合布置，同步开停工，实现装置问的热联合是近 年来的发展趋势。催化裂化分馏塔顶循环回流的低温热足以用作气分装置的热源。其 利用方式有两种：一是直接采用催化顶循油气作为气分塔热源【2 9 】；另一种是利用软化 水与催化顶循换热，热水作为气分塔热源【3 0 ，可大大减少蒸汽的消耗。后者相比操作 安全可靠；直接换热可减少换热器投资，但对设备的性能以及加工的连续性要求较高。 ( 3 ) 设置中间再沸器 在塔的中间设置中问再沸器，可将气分塔底再沸器出口的热水打入中间再沸器换 热，降低回水温度，从而可利用温度更低的低温热，如分馏塔塔顶冷凝冷却热量，可 降低塔底再沸器热负荷。 ( 4 ) 采用热泵技术 将塔顶温度较低的蒸汽压缩升温，再做为塔底再沸器的热源，可取得良好的节能、 节水效果。目前国内有四套装置采用热泵。如镇海炼化公司十几年前已采用开式热泵， 投用初期电价比较便宜，节能和经济效益比较显著。但随着电价上涨，加之热泵系统 中需增设一台气体压缩机及相应的配套设备，因此与常规流程相比，一次性投资较大、 设备费用高，靠耗电来节省热能的经济效益变差【3 1 1 。 1 2 4 2 丙烯分离工艺的进展与选择 通常一般的气分装置采用的工艺路线为常温加压分离，而现代丙烯分离技术主要 以深冷分离常温加压分离为主，两种分离方式比较如下： ( 1 ) 深冷分离： l o 第一章文献综述 常压下主要组分的沸点分别为：乙烷一4 4 7 、丙烯- - 8 8 6 、丙烷- - 4 2 7 。根 据c 3 中各组分的挥发度不同，在低温下将各种烃全部冷凝下来，再进行蒸馏，将各 组分分离开来。这种分离方法需要制冷剂制冷，采用热泵流程将精馏塔和制冷循环结 合起来。 优点：分离比较容易，可防止因釜温升高两造成釜底重组分聚合现象。 缺点：工艺流程复杂，同时很大程度上增加了扩能改造的投资，而且生产中的“三 废”不好处理。 ( 2 ) 常温加压精馏法 根据压力升高，沸点升高的原理，加压使各组分物料沸点升至常温，通过精馏达 到分离的目的。 优点：塔的操作压力比较高，塔顶蒸汽冷凝温度大于环境温度，“三废”易处理， 设备简单易操作，有利于提高产品质量，投资小。 缺点：耗压缩功多，同时高温时易引起釜内重组分聚合，烃的挥发度下降，增大 分离难度，但可通过采用增加塔高、增加塔板数目来达到分离目的。 综合考虑两种方法的安全、环保、质量、投资成本等因素，对于一般的炼油化工 企业通常采用常温加压精馏法来得到高纯度丙烯。 1 2 5 气分装置流程模拟应用成果 近年来，随着聚丙烯工业的发展和车用液化气的推广应用，市场对高纯度丙烯、 丙烷的需求日趋扩大，气体分馏装置的处理量也逐渐增加。目前整个炼油界对气体分 馏装置的重视是很不够的，致使多数气体分馏装置不能在最优的状态下运行，导致装 置能耗偏高，具有高附加值的丙烯的收率偏低，从而引起了较大的经济效益流失。 气体分馏装置工艺流程简单，馏分较轻，组分比较明确，应用流程模拟技术可以 较准确模拟气体分馏装置流程。下面简单阐述国内学者对气体分馏装置模拟的情况： 孙献菊以齐鲁石化气分装置为模拟对象，运用流程模拟技术对其进行模拟计算 【3 2 1 。通过分析脱丙烷塔的操作弹性，确定该塔的最大处理能力；通过优化脱丙烷塔的 回流比后，提高塔的进料量，丙烯产率得到提高：通过模拟计算气分装置进料波动， 及时调整操作，使得一方面对产品质量不会造成影响的同时，另一方面达到节能降耗 的目的。 劳业荣以广州石化两套气体分离装置为研究对象，运用a s p e np l u s 流程模拟软件 进行稳态模拟，并提出优化调整措施【2 6 1 。调优后，丙烯塔底丙烷平均含量由以前的 8 3 3 提高至1 j 9 7 以上，最高值达至m 9 9 9 ，塔顶丙烯纯度为9 8 5 9 ，从塔顶、底产 品浓度来看，丙烯、丙烷已接近完全分离。调优后的丙烯回收率已由以前的9 1 3 1 提 高至9 4 6 4 ，提高了3 3 3 个百分点。 北京化工大学硕士学位论文 祝捷通过流程模拟对九江石化气体分馏装置进行流程模拟，为装置改造提供依据 【3 3 1 。调优后，压缩机负荷由6 0 2 提高到6 6 7 。在正常的工作范围内，丙烯回收率达 到9 7 3 ，而改动方案极其简单，只需增加两根管线及相应的管件和阀门，投资小， 操作费用几乎不变。 1 3 本课题的目的和意义 本课题以国内某石化公司6 5 万吨年气体分馏装置为研究对象，运用流程模拟技术 建立其稳态模型，以模型为指导优化其工艺参数，以实现装置的节能降耗、降本增效。 气体分馏装置一般采用三塔流程，由脱丙烷塔、脱乙烷塔和丙烯精馏塔组成，其 主要目的是生产纯度为9 9 6 以上的丙烯为聚合装置提供原料。经济效益是企业的生 命线，目前炼厂中气体分馏单元丙烯产品的收率约在9 2 一9 5 左右，丙烯在液化气 中占3 0 - - 4 0 左右，而液化气产量约占催化裂化处理量的1 3 1 8 ，在保证丙烯纯 度的前提下，如果能将其收率进一步提高到9 9 以上，将会大大提升气分装置经济效 益。对于处理量为3 0 万吨年的气分装置，若液化气中丙烯的含量为3 6 ，那么回收率 每提高1 个百分点，每年可增加效益1 0 0 万元以上，故不能小看气分装置通过操作参数 优化后所带来的经济效益。 能耗指标也是考核生产装置操作水平的一个重要指标，节能降耗也是炼化生产企 业提高经济效益的重要途径之一。通过流程模拟模型，可以在丙烯纯度卡边的前提下， 优化塔顶回流量和塔底再沸量，使装置能耗最低，也就是说以最小的能耗代价获得合 格的产品。 故通过对气体分馏装置进行流程模拟，并以模型为指导进行优化分析，可以帮助 企业找到解决导致丙烯流失的原因，提高丙烯的回收率以提升装置经济效益，也可以 帮助企业也以较小的能耗代价获得合格的产品，以降低装置的能耗。 1 2 第二章数学模型与求解 第二章数学模型与求解 2 1 流体热力学性质模型 在化工流程模拟中，所需的数据主要来源于两种方法：一是从数据库中查询使用， 另一种是通过热力学方法进行估算。数据库中主要是关于纯组分的物性数据，并且资 源有限，但是作为计算各种混合物物性的基础，它们是非常重要的，通常称之为基础 物性数据。对于混合物相关物性的试验数据很少，因此它们的物性数据主要通过估算 得到。前人做了大量的理论研究工作，以提高对混合物性质的预测精度，例如，物质 的p v _ t 关系是重要的物性数据。在化工过程设计中，通过p - v 坷数据对物流质量和 体积进行换算，以确定管道和容器的规格，还用于对一些不易测得的热力学性质的计 算，如熵、焓、逸度等。选择正确的物性方法经常是决定模拟结果精确度的关键步骤， 选用错误的物性方法甚至得不到计算结果。 2 1 1 流体p ，t 关系 针对流体p 关系的数学模型非常多，最常见的就是理想气体状态方程 p v = r t 3 4 , 3 5 1 。为了精确描述真实物料体系的物性关系，对于不同物料体系的流程模 拟，通常使用各种较为复杂的状态方程。气体分馏装置系统中的主要组分为小分子烃， 丙烷和丙烯两个关键组份的相对挥发度又极相近，由于临界因素会导致模拟不易收 敛，考虑这些问题，考虑选择对解决二元交互作用系数有较强优势的p e n g - r o b i n s o n 状态方程( p r 方程) 物性方法集来解算气体分馏装置的物料体系【3 6 如。具体如下： 尸：旦一 堡 y 一6 v ( v + 功4 - b ( r - b ) 或写为关于比容矿的立方型方程： v 3 + p 一等v 2 + ( a - 2 r r t b - 3 b 2 ) 矿4 - b ( b 2 + 字) - 0 其中模型参数定义如下： a 2 a c o t 删筋7 2 4 譬 6 ：o 0 7 7 8 0 r t c ， 1 3 北京化工大学硕士学位论文 口= 【“胁( 卜厄) 】2 霉= 乏为对比温度，是与体系状态有关的变量。 m = 0 3 7 4 6 4 + 1 5 4 2 2 6 国一0 2 6 9 9 2 缈2 式中：r 为普适气体常数，彩为偏心因子模型参数，乏为临界温度、为i 晦界压 力，这几个参数只与组分有关，与状态无关，可视为基本物性参数。 对于多组分体系，参数a b 可按照如下混合规则计算： 口- - z x i x y a 剪 吻= 厩( 卜毛) c 6 = 确 i 1 式中岛为组分交互作用参数，c 为体系组分数。 2 1 2 焓模型 按热力学原理，焓表达为【3 8 1 ： h = h 。+ f 【p r 丽a p ) ， a g + r t ( z 一1