使用仿真系统建立塔模型及简要分析.doc

1、C2H6/% C3H6/% C3H8/%应用过程模拟软件对脱乙烷塔工艺流程分析都炎飞，宋力恒（大庆炼化公司培训中心，黑龙江大庆 163411 ）摘要： 利用应用过程模拟软件PRO/II 和 Dynsim 对脱乙烷塔进行了工艺流程仿真模拟分析。由于装置的局部改造及外界干扰因素的影响，在建立动态过程模型之前，应先建好PRO/II 静态模型， 以便获得合理的物料平衡、能量平衡以及相关的重要工艺参数等数据，这些数据对使用Dynsim 建立动态过程模型尤为重要。关键词： 过程仿真；脱乙烷塔；PRO/II ； DynsimPRO/II 和 Dynsim均为功能全面的、 基于严格计算的、 成熟的过程模拟软件

2、，其中，PRO/II是静态版本， Dynsim则是动态版本。这2种软件在模型计算方面都运用了基于机理的技术和严格的热力学方法进行计算，能够通过计算获得准确可靠的结果，用于解决从工程分析、控制系统校核到操作员培训等动态模拟问题1 。1 塔模型的建立（ 1） 热力学计算塔动态模型搭建出现问题的重要的原因就是热力学和闪蒸的设置不合适，所以在开始Dynsim 建模前，应当先确认好热力学的设置。轻烃精馏通常可以采用PR、SRK以及 SRKM等热力学方法计算，在建模过程中，应当先使用PRO/II 通过选取各种热力学方法来对模型进行计算，对计算结果与生产工艺参数或设计参数进行对比，以最终确定在使用Dynsi

3、m 建立动态过程模型时所应用的算法2 。（ 2） 稳态模型搭建由于 PRO/II 在计算时只考虑稳态结果，不考虑流量调整对其产生的动态影响，因此，塔的模型中直接包含了塔底再沸系统和塔顶的回流系统，以某气体分馏装置中脱乙烷塔为例，该塔主要应用于裂解气分离，是用来将乙烷 ( 包括更轻组分) 与丙烯及更重组分进行分离的精馏塔， 塔顶出乙烷和更轻组分( 如乙烯、甲烷 ) ，塔底出丙烯和更重组分，在炼油装置中比较常见。该塔的主要进料包括乙烷、丙烯和丙烷等组分。由于文中所模拟的装置为已投产装置，因此在搭建过程中对原设计数据只进行了参考，模型搭建所采用的数据是来源于生产操作台帐及产品分析数据，在PRO/II

4、 中对塔的模型做了如下工艺规定：塔顶回流量38 t/h；塔顶温度58 。对塔模型的工艺条件进行了设置：理论塔板数为43 块，进料位置为第17 板，塔顶压力2.8 MPa ，工艺条件见表1。表 1 乙烷塔工艺条件项目温度 / 压力 /MPa 物流线中物流线中物流线中物流线气相流量物流线液相流量进料线塔顶气塔底液相产品线相产品线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根据工艺

5、条件及工艺规定，通过对PRO/II 中热力学方法进行设置3 ，分别采用了PR和SRK对该塔进行了稳态计算，计算结果较为近似，选取了 SRK方法应用于接下来的动态模拟中，采用 SRK方法计算的稳态结果见表 2。1表 2 稳态计算结果层数温度/压力 /MPa液相流速气相流速进料量产品-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 在模型搭建过程中的操作略有不同，因为在 Dynsim中需要考虑动态参数对整个系统的影响， 而对于塔顶冷凝的效果、塔顶回流量以及塔底再沸器循环量等参数而言，对其进行调整会对塔的整体操作参数产生影响，因此，塔身、塔顶冷凝和回流、 塔釜再沸器、中段回流、侧提塔等都需要单独建立，建立模型总的原则是由简单到整体4 。在 Dy

7、nsim中建立塔模型只包括塔身，而进料、回流、再沸器返回物料等都用恒流量的StreamSet 模拟。在正常情况下Dynsim是不采用固定流量的，但为调模型的方便，避免出现前文中所提到的动态参数在建模初期由于流量的波动对塔模型产生影响，从而使得塔很快能达到稳态工况的目的，采用StreamSet 作为边界条件来规定流量值，而暂时不考虑由于塔顶和塔釜设备的波动造成干扰的建模方法5 。FEED为塔进料物流， Boilup 为再沸器向塔釜返回物流， OVHD为塔顶产品物流， REFLUX 为塔顶液相回流物流， BOTTOMS为塔底液相产品物流，回流量和再沸器返回物料量都可通过在PRO/II 中模型的计算

8、获得，图1 主塔模型调试见图1。图 1 主塔模型调试虽然在 Dynsim 的精馏塔建模过程中可以直接采用实际塔板数，但为了在系统运行过程中不影响操作训练的体验感受，在Dynsim 的精馏塔建模过程中通常采用理论级模型，并通过在 HoldupFactor中调整塔上气液相的Holdup 参数以保证其动态响应和实际情况吻合，这种建模方式，不仅可以保证系统计算结果的可靠性，同时可以大幅度降低计算量6 。（ 4） 塔顶系统在塔模型稳态调整完成后，首先对塔顶产品后续流程进行细化，完成塔顶冷凝系统部分的流程， 但不要将回流直接连塔，暂时保留REFLUX边界设置。 通过对塔顶冷凝效果的调整，2确认其动态运行结

9、果中回流罐中液相组成和REFLUX边界设置中的回流组成相同，见图2。图 2 塔顶系统调试如果确认其动态运行结果中，回流罐液相组成和 REFLUX边界设置中的回流组成相同，且当塔顶产品的流量（ PRO/II 计算值） =回流量塔顶气相采出量后，采用回流泵、控制阀以及流量控制或液位控制代替上图中的 StreamSet （将原来的 REFLUX替换掉），连接回流罐和塔，见图 3。图 3 塔顶回流连接（ 5） 再沸器设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换边界条件BOILUP时保留了 StreamSet ，并根据PRO/II计算的再沸器返回物流量以及塔釜的设备设计参数，将再沸器返

10、回物流量进行回归得到动态计算方程，并将该方程赋予StreamSet 中。再参照换热器设计数据及PRO/II 计算的再沸器返回物流参数进行计算，求得换热器壳程和管程的换热系数。最后对照实际实际生产过程参数对换热系数进行调整得到所需的热负荷，见图4。图 4 再沸器调试2 控制策略分析以该气体分馏装置中脱乙烷塔为例，建成的动态过程模型及相关稳态参数见图5。3图 5 脱乙烷塔动态模型通过对图 5 中相关计算结果与生产过程参数记录值对比，拟合度较高， 逼真的模拟了对C2 及以下轻组分的分离过程。3 结束语在建立了本动态模型后，尝试了将脱乙烷塔操作压力由2.8 MPa降至 2.7 MPa的降压操作，过程中

11、塔釜温度由68.4降至 66.6，塔釜产品中C2 含量在 0.000 01% ，通过对这些数据进行分析可知，该生产方案的调整并未对装置加工量及产品质量产生不良影响，且可达到节能降耗的效果。通过这种方式， 员工不仅可以应用该仿真培训系统进行操作训练，也可以结合该系统开展一系列的优化操作方案研究工作，并应用于生产指导中。参考文献：1 都炎飞 . 气体分馏装置仿真培训系统的设计与开发D. 东北石油大学， 2011.2 王晓东, 都炎飞, 闫修杰, 等.35 万吨/ 年气体分馏装置动态模型的开发研究J. 中国科技纵横,2011(17) ：39-42.3 王树杰 . 精馏塔动态模型建立及故障模拟 D. 青岛：青岛科技大学， 2008.4 路浩宇 . 气体分馏装置的动态模拟 D. 北京：北京化