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標(biāo)題: 常壓蒸餾塔模擬分析 [打印本頁(yè)]

作者: 中石油建設(shè)hy 時(shí)間: 2013-12-13 16:58
標(biāo)題: 常壓蒸餾塔模擬分析
常減壓煉油裝置作為石油化工行業(yè)的龍頭，其生產(chǎn)操作的穩(wěn)定性、控制手段的可靠性、管理技術(shù)的
先進(jìn)性，對(duì)企業(yè)的效益影響很大) 近年來(lái)，隨著常減壓裝置生產(chǎn)過(guò)程的在線優(yōu)化控制技術(shù)的推廣應(yīng)用，
如何利用高質(zhì)量的裝置操作數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)模擬與分析，確定裝置的最佳操作條件，提高石化企業(yè)的經(jīng)
濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，成為企業(yè)迫切需要解決的課題) 為充分利用裝置在線測(cè)量數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化操作參
數(shù)，降低成本和能耗，提高管理水平，對(duì)工藝過(guò)程嚴(yán)格在線模擬分析技術(shù)的應(yīng)用研究越來(lái)越受到人們的

重視，已成為!"#$ 的重要組成部分［% & ’］(
目前國(guó)內(nèi)使用的幾種化工流程模擬系統(tǒng)，如)$#*+ #,-$、#./0!、*!$$ 等雖可用于原油加工過(guò)程，
但需要有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，只能離線操作，不能直接用于裝置的在線模擬分析［’ & 1，%2］( 本工作通過(guò)分析
模擬優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合常減壓蒸餾裝置實(shí)際工藝流程，建立了常壓塔和減壓塔的嚴(yán)格數(shù)學(xué)模型，提
出了常減壓蒸餾裝置的模擬新策略，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成功過(guò)程模擬分析系統(tǒng)，并在齊魯石化公司某煉油裝置上
實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格在線模擬優(yōu)化分析( 計(jì)算得到的模擬和優(yōu)化數(shù)據(jù)既為實(shí)現(xiàn)裝置的實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化操作打下
了基礎(chǔ)，又可作為在線數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)的參考依據(jù)，用于過(guò)失誤差的偵破與剔除，同時(shí)還可作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)來(lái)源［1，%3］(
% 常壓塔數(shù)學(xué)模型
!(! 裝置簡(jiǎn)介
齊魯石化公司某常減壓裝置建于%423 年，原油處理能力為每年’55 萬(wàn)噸，主要加工孤島原油，并根
據(jù)孤島原油含輕質(zhì)油少的特點(diǎn)，采用了兩段汽化蒸餾、不設(shè)初餾塔的工藝流程，可生產(chǎn)重整原料、汽油、
燈油、航煤、輕柴、重柴、蠟油燃料油、瀝青共九種產(chǎn)品( 輕質(zhì)油收率約為657，總拔出率約為357［1］(
!(" 流程分析
進(jìn)料原油經(jīng)脫前換熱器、電脫鹽設(shè)備、脫后換熱器及常壓加熱爐加熱至一定的溫度，油汽和未汽化
原油經(jīng)轉(zhuǎn)油線進(jìn)入常壓塔被分餾切割為數(shù)個(gè)餾分油，分別是常頂油（汽油）、常一線（煤油）、常二線（輕柴
油）、常三線（重柴油）、常四線（過(guò)汽化油）和塔底重油等(
常壓塔設(shè)有% 個(gè)塔頂冷回流、6 個(gè)中段循環(huán)回流和% 個(gè)三段側(cè)線汽提塔，這是一個(gè)具有多級(jí)多組
分、多側(cè)線、多股換熱的復(fù)雜分離過(guò)程(
對(duì)于原油常減壓蒸餾裝置的過(guò)程模擬，其核心是常壓塔和減壓塔的建模和求解! 常規(guī)模擬方法是
把原油分割成虛擬組分，然后對(duì)各平衡級(jí)建立各虛擬組分的物料平衡方程（" 方程）、相平衡方程（# 方
程）以及各平衡級(jí)的熱平衡方程（$ 方程）和摩爾分率歸一化方程（ % 方程），最后聯(lián)立求解非線性"#%$
大型方程組，求得塔內(nèi)汽液相物流的流率、組成、溫度等逐板分布及各出口物流的溫度、組成等［3］! 目前
對(duì)該方程組的求解方法大致有下述幾種［2 & %’］(
%(6(% 逐板計(jì)算法這類算法的特點(diǎn)是將各類方程按板組合，逐板進(jìn)行求解( ,89:; 和<=>?8;@A 及
B?:8C8 和D8EE8; 提出了適合于各類精餾計(jì)算的逐板數(shù)學(xué)模型( 為了避免,89:;0<=>?8;@A 法在塔頂和塔底
組分契合時(shí)所出現(xiàn)的負(fù)組分流，F(xiàn)=AA8G 提出在組分修正時(shí)，只對(duì)輕組分和重組分進(jìn)行，中間組分可作部
分校正或完全不校正( 同時(shí)，,H;>8G 為了加快收斂速度，在全塔物料平衡方程式中，引入校正因子!( 為
了適合具有側(cè)線提餾蒸餾塔計(jì)算的需要，I:JK8H 和!8J?8>>: 修改了原!法的校正公式，采用了側(cè)線提餾
的校正因子(
由于逐板計(jì)算舍入的誤差傳播影響大，數(shù)值上不甚穩(wěn)定，尤其是在復(fù)雜塔計(jì)算時(shí)較難收斂，計(jì)算時(shí)
間長(zhǎng)( 因此，逐板計(jì)算法的應(yīng)用受到了限制( $=H=L= 提出了一種新的逐板計(jì)算法，使用拉格朗日乘子將
蒸餾計(jì)算轉(zhuǎn)化為多塔板的優(yōu)化問(wèn)題，但該法的計(jì)算量較大(
%(6(6 矩陣法這種算法將方程組按類別組合，用矩陣法對(duì)各板同時(shí)求解( 常用的有三對(duì)角矩陣法、
牛頓—拉普遜法等(
三對(duì)角矩陣法可分為流量加和法（$. 法），泡點(diǎn)法（F# 法）兩種( $. 法的計(jì)算速度較快，應(yīng)用于烴類
吸收過(guò)程和一些萃取過(guò)程頗有效，對(duì)于精餾過(guò)程不能保證其收斂性( F# 法主要適用于烴類物系的精餾
計(jì)算，對(duì)吸收塔則收斂性較差( 對(duì)于原油蒸餾這樣多組分多級(jí)分離過(guò)程，該法具有較大的局限性(
牛頓—拉普遜法直接求解% 和$ 方程組，收斂速度快，無(wú)需進(jìn)行費(fèi)時(shí)的泡點(diǎn)計(jì)算，但該法占用內(nèi)存
仍較大，且收斂性易受初值選取的影響(
,=AM #( 聯(lián)合使用F# 法和$. 法，提出一種用于原油蒸餾的新方法( 該法的特點(diǎn)是在精餾段使用
第6期孔玲，等：常壓蒸餾塔模擬分析N%
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
!" 法，提餾段和側(cè)線提餾段使用#$ 法% 仿真表明該法具有良好的收斂性，對(duì)初值要求不高，通常&’ (
)’ 次迭代后足以達(dá)到工程計(jì)算的精度要求% 但在解的附近，該法收斂較慢%
*%+%, - 因子法該法不是用虛擬組分來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而以各側(cè)線產(chǎn)品為基本“組分”，其計(jì)算特點(diǎn)是直
接由塔段的熱量平衡關(guān)系計(jì)算各側(cè)線、循環(huán)回流及進(jìn)料段的汽—液負(fù)荷，從而得到- 因子，并由./01234
提供的方法計(jì)算相鄰側(cè)線油品重疊度% 由溫度、壓力校正后直接估算產(chǎn)品性能和塔的操作狀況% 該法
計(jì)算簡(jiǎn)單、速度快、占用內(nèi)存少，比較適合于實(shí)時(shí)仿真過(guò)程，但計(jì)算精度不高%
綜上所述，現(xiàn)有的方法受求解速度、模擬精度、運(yùn)行環(huán)境等方面的限制，不能滿足在線嚴(yán)格模擬與優(yōu)
化控制的要求% 本工作結(jié)合實(shí)際工藝流程，通過(guò)研究分析原油常壓蒸餾塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了模擬常壓
蒸餾裝置的序貫?zāi)K法收斂求解策略［,，**，*+］，即把該裝置分解為精餾、吸收、閃蒸等單元操作的模塊組
合，可方便地利用已有的嚴(yán)格數(shù)學(xué)模型、解算方法等成熟模塊進(jìn)行常壓塔的模擬分析，克服了現(xiàn)有模擬
方法的局限性，為準(zhǔn)確有效地用于裝置的嚴(yán)格在線模擬，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化控制打下了基礎(chǔ)%
!%" 數(shù)學(xué)模型
通過(guò)分析原油常壓蒸餾塔設(shè)計(jì)和操作的特點(diǎn)，本文提出了單元模塊組合法，即以流程模擬的思想來(lái)
求解常壓塔的新策略% 該方法的基本思路是：將原油常壓蒸餾塔劃分為多個(gè)功能模塊，則該塔可作為一
般意義上的流程模擬，從而可用流程模擬的序貫?zāi)K法進(jìn)行系統(tǒng)模擬分析研究%
*%,%* 原油經(jīng)常壓加熱爐加熱后，部分汽化，生成的油汽混合物再經(jīng)常壓轉(zhuǎn)油線后進(jìn)一步汽化，溫度稍
降，進(jìn)入常壓塔% 該過(guò)程可視為一個(gè)兩相閃蒸器模塊，其閃蒸壓力為油汽分壓%
*%,%+ 入塔后汽相沿塔上升，液相沿塔下降，且含重組分較多% 對(duì)常壓塔底部來(lái)說(shuō)，塔內(nèi)無(wú)上部下流的
液相（液相全部采出），塔底通入大量的過(guò)熱水蒸汽以降低油汽分壓，并汽提其中的輕組分；重組分進(jìn)入
塔釜，形成常底重油% 所以常壓塔的底部可作為一汽提塔，采用復(fù)雜吸收塔的方法（#$ 法）進(jìn)行求解%
*%,%, 常壓塔的中上部上升的汽相含輕組分較多，塔中有多股側(cè)線采出及中段循環(huán)回流取熱，采用復(fù)
雜精餾塔的方法（!" 法）進(jìn)行求解%
*%,%5 側(cè)線汽提塔作為汽提模塊處理%
*%,%& 塔頂油汽經(jīng)過(guò)冷凝冷卻換熱，部分液化，在受液罐中再經(jīng)液液分層使油水分離% 液相水循環(huán)使
用（常頂注水），脫水后的常頂油冷回流入塔，移取大部分熱量% 未冷凝的油氣再經(jīng)冷凝冷卻后形成產(chǎn)品
油出塔% 可將該過(guò)程視為一個(gè)三相閃蒸器模塊，即產(chǎn)生液相油、液相水和氣相油汽，并將液相油作為冷
回流，氣相油汽作為常頂油產(chǎn)品%
!*：兩相閃蒸器!+：復(fù)雜吸收塔!,：收斂模塊
!5：復(fù)雜精餾塔!&：三相閃蒸器!)：收斂模塊
圖! 原油常壓蒸餾模塊化結(jié)構(gòu)
因此原油常壓蒸餾模塊化結(jié)構(gòu)，共由
6 個(gè)功能模塊所組成% 見(jiàn)圖*%
!%# 模型解算方法
*%5%* 復(fù)雜精餾塔模型塔為復(fù)雜的多
組分精餾塔，從上到下有!"
塊理論板，
如塔頂為全凝器時(shí)，有!" 7 *
塊理論板#
每級(jí)均可有進(jìn)料$%
，汽相采出&’%
，液相
采出&(%
及中間進(jìn)入或采出能流)%
，采用
三對(duì)角矩陣法求解［8，*,］%
*%5%+ 復(fù)雜吸收塔采用新松弛法與流
量加和法相結(jié)合的方法［*5］求解% 該法與

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