chemcad在精馏塔动态模拟中的应用

chemcad在精馏塔动态模拟中的应用

1动态模拟软件简介近年来，静态过程模拟技术在设计和选择现有工厂的操作方案方面发挥了重要作用，并为化工行业所广泛接受。但由于化工稳态过程只是相对的、暂时的,实际过程总是存在各种各样的波动、干扰及条件变化,因而化工过程的动态变化是必然且经常发生的,在这一背景下,动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用。进入80年代以来,众多动态模拟软件纷纷推出,如美国普度大学的BOSS、英国剑桥大学的QUASLIN、美国威士康星大学的POLYRED、德国BASF公司的CHEMSIM、Linde公司的OPTSIM等。然而,商品化、通用性较好的动态模拟软件还是出自专业化的化工过程模拟公司。如80年代后期,美国ASPENTECH公司推出了著名的动态模拟软件SPEEDUp,美国ABBSimcon公司推出了SIMCON系统。90年代中期,加拿大HYPROTECH公司在其稳态模拟软件HYSIM的基础上,又推出了动态模拟软件HYSIS。HYSIS同时兼有稳态模拟和动态模拟的功能,用户可以方便的实现在稳态和动态之间切换。ChemCAD动态流程模拟软件由美国的Chemstaions公司开发,它建立在静态流程模拟平台上,只需将原有的静态流程模拟应用进行转换即可得到动态流程模拟应用。它既继承了静态流程模拟的预测计算结果,保持动态模拟的逼真度,又简化了应用,并且其模拟平台采用面向对象技术开发,具有良好的扩展能力。本文以丙酮、甲醇、乙醇、水的精馏分离回收丙酮过程为例,介绍ChemCAD在精馏塔动态模拟中的应用,分析操作条件变化、进料组成及进料量出现扰动时精馏塔的动态响应、变化过程,为精馏过程控制方案的选择提供依据。2混合体系精馏流程丙酮是重要的有机合成原料和溶剂,本文以工业上常见的甲醇(1)、丙酮(2)、乙醇(3)、水(4)混合体系为例,通过精馏方式回收体系中的丙酮,要求塔顶丙酮回收率不低于99.5,同时塔釜中丙酮含量不宜太高。其装置的工艺流程简图如图1所示。该精馏塔的理论板数为50,原料分别进入精馏塔第3、5、21块板,塔顶气相冷凝后一部分作为产品采出,另一部分作为塔的回流;塔釜液相直接采出。3采用丙酮回收塔动态模拟3.1模型建立及控制部分利用ChemmCAD提供的CC-DYNAMICS模块,可以在稳态流程模拟的基础上直接转换为动态模拟,而不需专门为动态流程模拟进行大量设置,其实现动态流程模拟的主要步骤有:(1)建立并完成稳态流程模拟;(2)在稳态流程模拟中添加阀门;(3)加入控制器;(4)定义设备结构、尺寸;(5)定义控制器及阀门参数;(6)固定动态模拟参数。据上述步骤建立丙酮回收的动态模拟流程图如图2所示。该精馏塔的控制系统主要包括:精馏塔的塔顶压力控制,它主要通过调节冷凝水流量实现;回流罐液位及回流流量控制;再沸器液位及塔釜产品采出控制;通过向模拟流程图中添加采出量非常小的侧线产品流股控制灵敏板温度,灵敏板温度控制采用串级控制系统,考虑到精馏塔操作温度变化和调节的滞后性,在模拟流程中添加了滞后器,如图2所示。3.2模型主要参数设计考虑到体系中水的存在,体系的热力学模型选用NRTL模型方程,气相视为理想气体,各组分的模型参数如表1所示。(1)原料数据文中原料分为3股进入精馏塔,其组成及进料状态如表2所示。(2)设备参数(3)控制仪表作用及整定参数4操作分析利用以上建立的动态模拟模型,讨论影响精馏塔操作的主要因素如灵敏板温度变化、进料量和进料组成发生变化时精馏塔操作的动态响应过程。4.1塔能够及灵敏度板操作温度情况通过稳态模拟确定精馏塔45块板为灵敏板,当前操作条件下灵敏板温度为76.3℃,在此,将灵敏板温度调整为82.4℃,运行动态模拟可以得到灵敏板温度随时间的变化如图3所示,由图可见经过280min后,灵敏板温度基本稳定在设定的82.4℃左右。图4所示为精馏塔塔顶采出及塔釜采出量的变化趋势,由图可见,当灵敏板操作温度发生变化时,精馏塔塔顶采出及塔釜采出量都出现了较大幅度的波动,其中,塔顶采出量由33.88t/h变化为50.03t/h,塔釜采出量则相应地由177.60t/h变化为161.50t/h。同时,精馏塔塔顶中丙酮质量含量由90.0%降至80.5%,而塔釜中丙酮质量含量则由5.56%降至0.08%,通过质量衡算不难得出,丙酮的回收率由75.5%提高到99.7%,但是该操作条件下的塔顶冷凝水耗量和塔釜蒸汽耗量也分别由568.26t/h、35.85t/h上升到707.03t/h和44.90t/h,如图5所示。4.2进料热及组成变化的影响为考察进料变化对操作过程影响,在图3所示的动态过程模拟流程图中的3号流股后添加斜坡控件(rampcontroller),将3号进料流股的流量由2721.55kmmol/h改为3000kmol/h,运行该动态模拟过程,得到进料流股3发生变化后,精馏塔各操作参数均发生相应调整,该过程中灵敏板温度变化如图6所示,由图可见,灵敏板温度可在较短时间内达到基本稳定。同时,精馏塔塔顶采出量由50.03t/h变化为55.00t/h,塔釜采出量则相应的由161.50t/h变化为166.83,值得注意的是,由于流量发生变化的进料流股3中甲醇质量含量为54.02%,该组分与丙酮的相对挥发度较为接近,因此,基本达稳定时,精馏塔塔顶采出流股中丙酮含量由80.5%降至78.5%,同时塔釜采出产品中丙酮质量含量由0.08%降为0.004%,相应地由于过程处理量的增大和丙酮产品回收率的提高,使得该条件下精馏塔顶冷凝水耗量和塔釜蒸汽耗量也分别由707.03t/h、44.90t/h上升到819.53t/h和49.30t/h。通过模拟进料热状况及组成发生变化时对塔操作过程的影响,发现这种变化引起的扰动远比单纯进料量的变化对塔操作的影响大得多,各指标都出现较大幅度振荡且持续时间很长。本文同时研究了精馏塔塔顶压力、温度,塔釜温度,操作回流比发生变化时对操作过程中塔顶、塔釜产品采出量及组成的影响,发现这种操作条件的变化会对塔顶塔釜产品采出、冷凝水及加热蒸汽消耗量、精馏产品组成等都有较大幅度的影响,各指标大都在出现较长时间的振荡后趋于稳定。4.3基于chemcad的精馏过程控制优化研究精馏塔动态响应时,一般会考虑以下几个指标:上升蒸汽和回流的影响、组分滞后的影响、回流罐引起的滞后影响、塔釜持液量的滞后影响和塔底液位的反向响应、能量变化的影响等。利用ChemCAD建立的动态精馏模型,可以方便地分析精馏塔操作参数、控制指标等发生变化时精馏塔的动态响应情况,进而剖析特定精馏过程的特性,开发合适的优化及控制方案。然而,同时应看到,ChemCAD中精馏过程的控制方案采用国内精馏塔控制常用的常规PID控制,由以上动态模拟结果不难看出,采用常规PID控制时,常会存在响应时间长、调节幅度不易确定等问题,因此,采用单纯的PID控制方案将会很难控制产品质量及操作稳定性。当然,针对这些问题,各类先进控制策略也被应用于精馏塔控制中,如推断控制、鲁棒控制、自适应控制、预测控制、智能控制、非线性控制等,其中预测控制的应用最为成功。利用ChemCAD模拟这些控制方案在精馏过程中的应用还有待于进一步研究。5进料量、热状态对精馏塔运行影响本文研究ChemCAD在精馏塔动态模拟中的应用。以丙酮回收塔为例,建立了带有控制系统的动态精馏模型。利用该模型,分析精馏塔操作条件及进料状况发生变化时,精馏塔在当前控制方案下的动态响应过程,发现精馏塔操作条件如灵敏板温度、回流比、塔顶压强、