（化学工程专业论文）丙烯精馏塔过程模拟.pdf

中文摘要利用a s p e np l u s 及a s p e nd y n a m i c s 模拟软件对丙烯精馏塔的操作进行了稳态及动态模拟，通过模拟结果与实际操作结果的对比，验证了d j 型塔板具有高效率和大通量的优点，利用模拟结果与设计数据的对比关系，对液泛系数模拟值进行了7 6 的合理修正，开辟了以普通塔板代替d j 型塔板进行过程模拟的新方法，得出该塔的理论板数为1 2 8 块，多于改造设计的估算值1 1 8 块，表明改造设计对理论塔板数估算偏少导致实际塔板数不足是第一次改造不成功的主要原因。确立了合理的模拟优化步骤：确定模拟输入初值一最佳进料位置一最佳回流比一最佳产出量范围一其他优化参数。总结出了丙烯精馏塔的优化调整规律：在相同进料组成下，当进料量增加时，最佳回流比及最佳进料位置固定不变，塔釜产出量增大，产出量的可调整范围也相应扩大，塔顶冷却器负荷、塔釜再沸器负荷增大，塔釜温度基本不变，液泛系数增大；在相同进料量下，当进料组成中丙烷含量增加时，最佳进料位置板数增大，最佳回流比增大，塔釜产出量增大，产出量的可调整范围也相应扩大，塔顶冷却器负荷、塔釜再沸器负荷增大，塔釜温度降低，液泛系数增大。操作优化后，塔顶丙烯浓度在9 9 6 3 9 9 6 5 ，塔釜丙烯浓度在5 4 3 7 9 2 。两塔位置对换，有利于大加工量下的操作。动态特性表明，无论是进料量、进料组成还是回流量扰动，均对操作产生了较大影响，主要体现在4 0 6 塔釜温度、冷却器负荷、再沸器负荷、塔顶丙烯浓度、塔釜丙烯浓度、塔顶产出量、塔釜产出量的波动上，尤其是塔顶产出量和塔釜产出量不仅波动大，而且响应迅速，塔顶丙烯浓度及塔釜丙烯浓度的响应速度缓慢，波动持续时间均超过3 h ，动态特性要求操作人员必须采取比较平稳且循序渐进的方式进行操作调整。仪表调节规律对动态特性具有重要的影响。关键词：丙烯精馏塔；a s p e np l u s ：a s p e nd y n a m i c s ；稳态模拟；动态模拟；优化a b s t r a c tt h ep r o c e s so fp r o p y l e n er e c t i f i c a t i o nt o w e rw a ss i m u l a t e di ns t a b l e s t a t ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o nw i t ha s p e np l u sa n da s p e nd y n a m i c s t h eh i 曲e f f i c i e n c ya n dl a r g et h r o u g h p u to fd j 哆p ep l a t e sw e r ev e r i f i e db yc o m p a r i n gt h es i m u l a t e i o nr e s u l t sw i t hp r a c t i c a lo p e r a t i n gr e s u l t s t h es i m u l a t i o nv a l u eo ff l o o d i n gm o d u l u sw a sm o d i f i e dr e a s o n a b l yb v7 6 u s i n gt h ec o n t r a s tr e s u l t sb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd e s i g nd a t a an e ww a yo fp r o c e s ss i m u l a t i o nw i t hc o m m o np l a t e si n s t e a do fd jt y p ew a sc r e a t e da c c o r d i n g l y i tw a sf o u n dt h a tt h en u m b e ro ft h e o r e t i c a lp l a t e sw a s12 8 ，m o r et h a nd e s i g n e dn u m b e ro fl18f o rr e c o n s t r u c t i o n ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h em a i nr e a s o nf a i l e dt h er e c o n s t r u c t i o nf o rt h ef i r s tt i m ew a st h el a c ko fp l a t e sd u et oe s t i m a t e dl e s so fd e s i g n e dt h e o r e t i c a ln u m b e ro fp l a t e s r e a s o n a b l eo p t i m u ms i m u l a t i o np r o c e s sw e r e ：c o n f i r m a t i o no fs i m u l a t i o ni n p u ti n i t i a lv a l u e - - b e s tf e e di n l e t b e s tr e f l u xr a t i 伊一b e s ty i e l dm g e o t h e ro p t i m i z e dp a r a m e t e r s t h eo p t i m i z e da d j u s t i n gr u l e sf o rp r o p y l e n er e c t i f i c a t i o nt o w e rw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ：w i t ht h es a m ec o m p o s i t i o nb u ti n c r e a s e da m o u n to ff e e d t h eb e s tr e f l u xr a t i oa n df e e di n l e tk e p tu n c h a n g e d ，a n dt h ey i e l do fc o l u m nw e n tu p ，t h ea d j u s t i n gr a n g eo fy i e l de x p a n d e dr e s p e c t i v e l y , t h el o a do fo v e r h e a dc o n d e n s e ra n dc o l u m nr e b o i l e rr a i s e d t h et e m p e r a t u r eo fc o l u i n ns t a b i l i z e da n dt h ef l o o d i n gm o d u l u sa d d e dt o o ；w i t ht h es a m ea m o u n to ff e e db u ti n c r e a s e dc o n t e n to fp r o p a n e ，t h en u m b e ro fp l a t e si nt h eb e s tf e e di n l e t 。t h eb e s tr e f l u xr a t i oa n dt h ey i e l do fc o l u m ni n c r e a s e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h ea d j u s t i n gr a n g eo fy i e l de x p a n d e d ，l o a do fo v e r h e a dc o n d e n s e ra n dc o l u m nr e b o i l e rr a i s e d ，c o l u m nt e m p e r a t u r ed o w na n df l o o d i n gm o d u l u su p f o l l o w e dw i t ho p t i m i z e dp r o c e s s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fp r o p y l e n eo v e r h e a dk e p ta t 9 9 6 3 t o9 9 6 5 a n dt h ec o n c e n t r a t i o ni nc o l u m np o tl i e df r o m5 4 3 t o7 9 2 e x c h a n g i n gt h et w ot o w e r sp o s i t i o nw a sb e n e f i c i a lt op r o c e s su n d e rl a r g ea m o u n t d y n a m i c sp r o p e r t i e ss h o w e dt h a tt h ea m o u n to rc o m p o s i t i o no ff e e d ，o rq u a n t i t yo fr e f l u xd i s t u r b a n c ea l lh a dr e l a t i v e l yg r e a ti m p a c to nt h ep r o c e s s ，w h i c hm a i n l yr e f l e c t e do nt h ef l u c t u a t i o no f4 0 6t o w e rp o tt e m p e r a t u r e ，c o n d e n s e ra n dr e b o i l e rl o a d ，c o n c e n t r a t i o no fp r o p y l e n eo v e ra n di nt h ec o l u m n ，t h ey i e l do v e ra n di nt h ec o l u m nw h i c hn o to n l yf l u c t u a t e dg r e a t l y , b u tr e s p o n d e dr a p i d l y t h ec o n c e n t r a t i o no fp r o p y l e n eo v e ra n di nt h ec o l u m nr e s p o n d e ds l o w l ya n dt h ef l u c t u a t i n gp e r i o de x c e e d e d3h o u r s t h e s ed y n a m i cp r o p e r t i e sr e q u i r e ds t e a d ya n dg r a d u a lo p e r a t i o na n da d j u s t m e n t t h ea d j u s t i n gr u l e sf o ri n s t r u m e n t si m p a c t e dt h ed y n a m i c sp r o p e r t i e sg r e a t l y k e yw o r d s ：p r o p y l e n er e c t i f i c a t i o nt o w e r ；a s p e np l u s ；a s p e nd y n a m i c s ；s t a b l e - s t a t es i m u l a t i o n ；d y n a m i c ss i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：1龟签字日期：口7 年月z 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：菩字日期：p 夕年月76 日导师签名：劬签字日期：刀年6 月刖舌 j l莉置乙烯工业在国民经济中占有十分重要的地位，其中乙烯分离装置的能耗占整个乙烯系统能耗的6 0 ，有效提高乙烯分离过程的产品质量和产量、改善操作控制品质是企业增加经济效益的关键。乙烯分离装置的主要设备有脱甲烷塔、脱丙烷塔、乙烯精制塔和丙烯精制塔等，乙烯分离装置最重要的化工过程是精馏，长期以来，精馏过程的优化控制一直是人们研究的重要课题，国内外许多专家在精馏过程模拟方面做了大量的研究工作，在静态建模方面已取得了较多的成果，有关精馏塔的动态机理建模，国外论文发表虽然较多，主要局限于二元精馏体系的仿真与实验，有关多元精馏动态特性的研究，结果还不理想。计算机技术的迅速发展为化工模拟技术的发展提供了有利条件，一些化工模拟软件逐步趋于完善，其中美国a s p e nt e c h 公司的稳态模拟软件a s p e np l u s 及动态模拟软件a s p e nd y n a m i c s 作为目前世晃上较为流行的模拟软件，已在化工过程的设计与优化操作中得以推广应用，并取得了良好的经济效益。目前国内有数篇文献报导了使用不同模拟软件对类似的丙烯精馏塔进行了模拟分析，但在模拟过程中，塔板效率多数按1 进行核算，同时在对新型或特殊塔板进行模拟时，对塔板特点考虑不多，对模拟软件的应用不够灵活，模拟结果与实际操作并不十分吻合。在公开文献中，对模拟优化步骤及优化规律进行总结的报道尚未见到，另外对丙烯精馏塔进行动态模拟的报道相对较少。本文利用a s p e np l u s 及a s p e nd y n a m i c s 模拟软件对兰州石化公司乙烯分离装置中丙烯精馏塔操作进行了稳态及动态模拟，探索了以普通塔板代替d j 型塔板进行过程模拟的新方法，验证了d j 型塔板的效率和通过能力，修正了部分模拟参数，探讨了装置第一次扩容改造不成功的原因，建立了合理的模拟优化步骤，为装置第二次扩容改造后的双塔操作提出了优化建议，总结了不同进料量及不同进料组成下的优化规律，研究了进料量、进料组成和回流量等操作因素扰动下的动态特性，指导了目前的生产开停车和日常操作，也为将来的改造和实现先进控制提供了基础数据。第一章化工过程模拟技术的发展与应用第一章化工过程模拟技术的发展与应用1 1国内外化工过程模拟技术的发展化工过程模拟( 亦称流程模拟) 技术是2 0 世纪5 0 年代末期随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的，是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析，为装置的设计与操作提供指导。由于化工过程模拟并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，可在计算机上直接进行不同方案和工艺条件的探讨、分析，具有方便快捷、节省人力、物力的巨大优势，因而已成为研究、开发、设计、挖潜改造、节能增效、生产指导以至于企业管理等工作必不可少的工具，并且在科研和实际生产中发挥着愈来愈大的作用。1 1 1 稳态模拟技术稳态模拟又称静态模拟或离线模拟，它是最早出现的化工过程模拟技术，是根据化工过程的稳态数据，采用适当的模拟软件，用计算机模拟实际稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热量平衡。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。国外化工过程稳态模拟技术始于2 0 世纪5 0 年代中后期。1 9 5 8 年，美国k e l l o g g 公司率先推出了世界上第一个化工过程模拟程序灵活流程模拟系统( f l e x i b l ef l o w s h e e t i n g ) ，并在当时的化学工程界产生了很大的影响。6 0 年代，为化工过程模拟初始发展期，各有关大学、研究机构和炼油、石化公司纷纷开始研制自己的稳态模拟系统。美国c h e v r o n 公司的c h e v r o n 、h o u s t o n 大学的c h e s s 和p u r d u e 大学的p a c e r 等软件都在这一时期推出。从7 0 年代起，稳态过程模拟逐渐进入了它的成长壮大期，美国m o n s a n d o 公司的f l o w t r a n 和s i m s c i 公司的p r o c e s s 都是这一时期比较优秀的软件，当时模拟软件的运行环境主要是大型计算机。8 0 年代是通用稳态流程模拟软件商业化时代，涌现了一批著名的、影响广泛的商业化软件，如美国a s p e nt e c h 公司的a s p e np l u s ，s i m s c i公司的p r o i i ，c h e m s t a t i o n s 的c h e m c a d ，加拿大h y p r ot e c h 公司的h y s i m 等。现今a s p e nt e c h 公司的a s p e np l u s 、s i m s c i 公司的p r o i i 是当今国际上较为流行的两大稳态模拟软件n 吨1 。我国化工过程模拟起始于2 0 世纪6 0 年代末，整个7 0 年代是国内自行开发第一章化工过程模拟技术的发展与应用模拟软件的大发展时期。随着计算机硬件的飞速发展，工程技术软件从限于几个公式、几百个语句的程序发展成为具有良好界面、多种计算机语言、多功能的软件系统。1 9 7 7 年原化工部第五设计院在国内率先推出了大型烃类分离模拟系统，并成功地用于大型3 0 万t a 乙烯装置的计算。至7 0 年代末8 0 年代初，国内模拟软件水平已接近国外先进水平，比较有代表性的化工模拟软件是青岛化工学院8 7 年推出的e c s s 软件( e n g i n e e r i n gc h e m i s t r ys i m u l a t i o ns y s t e m ) ，e c s s的总体结构可以分为5 级：数据库、基础子程序、单元模块、功能子系统、系统。为进一步完善和商品化e c s s 软件，目前己推出了新版本e c s s - 化工之星。e c s s -化工之星采用了w i n d o w s 应用程序的总体结构，全系统共包括十几种数据库，其中基础物性数据库中含有1 6 4 2 种化合物的基础物性；知识库中含有大量的语言文字信息来支持软件的查阅功能；图形库中存放着大量的图形数据，支持系统的设备选型和提供图形图表；历史库记录整个系统运行时的信息；信息库中存放着各种标记的意义：工作数据库是各单元模块之间或同一模块的模拟计算与工程设计之间进行数据交换与信息共享的场所。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，以其结构合理、功能齐全，使用方便等特点，至今已在近百个单位的过程设计、流程模拟、综合调优、设备改造、专用系统的开发、数据处理及高校的教学与科研等方面得以应用，为技术人员提供了一个强有力的工具，创造了显著的经济效益和社会效益1 。目前，e c s s 系列软件还在进一步地改进完善之中。青岛科技大学贺来宾采用s q p 法开发了优化模块，拓展了e c s s - 化工之星的应用范围，使该系统的流程优化功能可满足一般化工过程的实际需要，并且收敛速度和精确度均得到了提高1 ；清华大学的贾小平等以e c s s 一化工之星为平台，开发出了环境影响评估模块，可为环境友好过程设计提供方便而快速的平台，实现过程模拟软件的环境影响定量分析功能，将过程数据信息转化为环境信息，获得定量化指标，为筛选清洁产品和过程方案提供量化决策支持h 1 。青岛科技大学曹晓荣等根据己知蒸馏数据的特点，选择不同的拟和蒸馏曲线的方法，与原e c s s 模拟软件所用的线性插值拟和石油蒸馏曲线的方法相比，更符合石油这种复杂混合物的物性，扩大了e c s s在处理石油方面的适用性，同时增强了其处理功能晦1 。齐鲁石化公司烯烃厂与青岛化工学院合作开发了乙烯分离系统模拟分析软件e p s s ( e t h y l e n ep l a n ts e p a r e t i o ns y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e ) 。该软件以目前流行的w i n d o w s 为操作平台，具有人机交互方式简单适用、维护方便、使用灵活的特点，所采用的数学模型合理、收敛速度快、稳定性好。对烯烃厂乙烯装置分离系统主要几个塔的模拟分析结果表明，该软件的计算分析数据与现场标定值基本一致，能够反映出各分离设备的操作规律，可以作为乙烯装置工程技第一章化 = = 过程模拟技术的发展与应用术人员进行辅助操作和设计的有力工具1 6 1 。华南理工大学的吴志辉等结合软件集成的设计思路，利用a c t i v e x 技术作为桥梁，在v b 环境中实现对a s p e np l u s 中的通用操作单元模块和神经网络模块的集成作了初步探讨，一方面可以充分利用现有化工过程模拟软件资源；另一方面可以灵活地结合实际生产，运用建模方法对流程中的特定装置进行建模，并与通用流程模拟软件常用装置的模块进行集成，从而实现资源的有效共享，对解决化工流程模拟问题具有一定的指导意义川。1 1 2 动态模拟技术化工过程的稳态是相对的、暂时的，而实际过程中由于存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化，因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。动态模拟是在化工过程动态条件下进行的模拟，用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。其主要功能是把该装置的内部生产流程及机理模拟出来，同时反映装置的控制和操作条件，尽量模拟与工业现场相近的生产条件及操作条件。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。随着计算机技术的发展，动态模拟逐渐成长，如应用于指导丁二烯抽提装置开停车的s y n s y s 软件；用于可控c s t r 反应器的d y f l o 软件以及用于s 0 。吸收装置开停车的d y s c o 软件等。这些初期的动态模拟软件虽然取得了很好的效果，但由于计算机运行速度的限制，软件处理的变量少，应用范围狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究，模拟结果有较大误差，通用化程度不高。进入8 0 年代后，计算机技术的发展为动态模拟软件的发展应用提供了平台，动态模拟走向了的成熟期，众多动态模拟软件纷纷推出，如美国普度大学的b o s s 、英国剑桥大学的q u a s l i n 、美国威士康星大学的p o l y r e d 、德国b a s f 公司的c h e m s i m 、l i n d e 公司的o p i s i m 等。8 0 年代后期，随着模拟软件的开发、研制走向专业化、商品化，模拟计算的准确性、可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能更加丰富，使用愈加方便，美国a s p e nt e c h 公司推出了著名的通用动态模拟软件s p e e du p ，美国a b bs i m c o n 公司推出了s i m c o n 系统，并成功应用于大型乙烯装置的动态模拟，在工业界有较大的影响。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。如加拿大h y p r o t e c h 公司推出的h y s i s ，美国a s p e nt e c h 公司推出的c u s t o mm o d e l e r 和a s p e nd y n a m i c s 等。可以说a s p e nd y n a m i c s 和h y s i s是到目前为止仅有的两个通用的、功能强大、使用方便、用户界面十分友好的将第一章化工过程模拟技术的发展与应用稳态和动态模拟合二为一的著名商品化软件【1 吨3 。在我国，更深层次的模拟技术先进控制和动态模拟起步于2 0 世纪9 0年代，并且仅仅在为数不多的大型工业装置中实现，实时优化基本上处于空白。国内化工模拟软件的开发力量主要集中在化工设计院、大型炼油石化企业和大专院校。清华大学开展了燃煤循环流化床( c f b c ) 反应系统的模拟研究。c f b c 锅炉由于其燃煤适应性广、高效、低污染等方面的优点而受到国内外学术界的普遍重视，并且正在不断向大型化发展，经过多年努力，其机理模型的研究已取得了丰富的成果。如李政建立了循环流化床锅炉通用、整体数学模型：倪维斗等人采用该模型对清华大学研制的2 2 0 t hc f 2 b c 的性能进行了仿真预测，其结果在趋势及数量级上与国外经试验验证的结果基本一致。北京化工大学在动态模拟方面进行了长期努力，在化学反应器人为非定态反应技术模拟方面取得了一定的成果。化学反应器人为非定态反应技术与传统的定态操作相比，除了流程的集成度很高外，反应热的利用率也较高，由于其对外界的抗干扰能力较强，运行更加稳定，显示了在改善反应系统时均性能方面的巨大潜力。继前苏联将此技术成功地应用于工业大规模低浓度s 0 ：的自热催化氧化后，国际上有许多学者对其他反应体系进行了非定态反应操作特性的实验研究。陈晓春等人完成了合成甲醇两功能集成反应器的动态模型化研究( 化学反应与直接式蓄热功能) ，并取得了较好的结果，为这种反应过程的行为研究奠定了基础。同时，北京化工大学在动态流程模拟方面也进行了广泛而深入的研究。如3 0 万t a 合成氨生产过程、1 3 万t a 尿素生产过程、催化重整过程、聚丙烯液相本体聚合过程、氯乙烯单体和聚氯乙烯的生产过程、空气深冷分离生产高纯氮气过程以及空气变压吸附制备氮气过程的动态模拟等哺，。石油大学的金学兰从丙烯聚合反应动力学出发，根据反应系统的质量守恒和能量守恒关系，建立了环管式丙烯聚合反应模型，并对动态数学模型进行仿真，考察操作条件、运行工况的变化对反应温度、浆液密度和产品熔融指数的影响。该数学模型可用于操作工况分析、产品质量预报等方面四1 。北京联合大学生物化学工程学院的陶风云建立了醋酸氧化塔动态仿真机理模型，提高了模型对动态过程的模拟精度n 引。西安交通大学的蔡国光等建立的恒沸精馏数学模型能够很好地计算出各个理论塔板上的气液相组成、理论塔板温度分布等，动态计算能够简单清楚地模拟不同条件下恒沸精馏塔内部三元组分的状况。该计算模型的建立有助于了解各种条件下精馏塔内部的情况，为恒沸精馏选择和设计提供一个很好的参考1 。北京化工大学的王二强等建立了苯与十二烯烷基化悬浮床催化精馏过程的动态平衡级模型，模型对过渡过程达到定态时的系统性能预测与定态实验数据和第一章化工过程模拟技术的发展与应用定态模拟结果吻合良好，为进一步拟定控制方案、优化操作以及非线性动力学研究奠定了初步基础n2 1 。华东理工大学的钱夕元等提出了乙烯氧化反应器定态和动态优化相结合的优化策略，开发了将模拟、参数估计和优化等任务集成的乙烯氧化反应器优化软件，使定态与动态优化相结合的优化策略易于实施n 引。华北电力大学的陈鸿伟建立了喷淋塔内脱硫过程实时仿真模型，模型具有较高的精度，为实现脱硫系统仿真奠定了基础n 制。中国石油大学的何仁初等利用m a t l a b s i m u l i n k 工具开发了基于严格动态机理模型的乙烯精馏塔仿真平台，通过对塔进行动态仿真分析，得到了塔内各级的各组分组成、温度的动态变化规律，同时，利用该平台可以为乙烯精馏塔的工艺改造、先进控制方案的设计及应用、系统的实时优化提供技术支持和理论指导n 引。吉林化工学院的魏奇业等充分利用m a t l a b s i m u l i n k 强大的计算、仿真功能与a s p e np l u s 模拟软件物性和热力学数据库的资源优势，将m a t l a b s i m u l i n k与a s p e np l u s 进行了软件集成，对精馏塔进行了动态仿真研究，实现了资源的有效共享，减少了编程的工作量，大大提高了开发效率，为利用m a t l a b s i m u l i n k强大的控制仿真功能进行化工过程控制规律及方法的研究奠定了基础n h 。浙江大学工业采用物理模拟和数字仿真相结合的形式，建立了石化工业生产过程模型库、生产实时数据库和生产管理数据库，构建了过程控制系统( p c s ) 和生产执行系统( m e s ) 的集成化实验仿真平台n 引北京化工大学的田文德等在处理具有多个反应的反应器模拟过程中，出于动态模拟本身的要求，从总体角度对各反应的最快速率进行了限制。使动态实时模拟精度和速度都得到了满足，效果良好n 引。近1 0 年来国内的仿真培训器发展很快，北京化工大学开展了从动态模拟转向仿真培训器的研发，并开发了燕山烟机发电仪表培训器，并逐步开发、完善了有自主产权的动态模拟软件平台。国防科技大学曾明等人把序贯模块法应用于实时仿真系统，在实际应用中取得了良好效果哺1 。浙江大学方红飞采用动态与稳态相结合的方式模拟实际生产流程，仅对其中的关键装置建立动态模型，而对其余的非常复杂、机理建模又比较困难的装置建立动态简化式模型，实现了对某大型炼油企业的流程模拟，产生了兼具灵活性和真实性的数据，进而通过信息集成建立与炼油全流程稳态模拟的关联，通过与系统辨识技术的关联，开发了系统辨识课件驯。1 2 模拟软件在精馏过程中的应用化工过程模拟技术开始只有适用于特定工艺流程( 如氨合成、烃类裂解制乙烯等) 的专用流程模拟系统，后来逐步发展到适用于各种工艺流程的通用流程模拟系统，成为化工过程的开发和设计以及现有生产操作改进的主要常规手段。稳第一章化工过程模拟技术的发展与应用态模拟技术主要应用于新装置设计、旧装置改造、新工艺流程的开发研究、生产调优、科学研究以及为动态模拟和实时优化提供支撑。对于乙烯装置、炼油工业中的常减压、催化裂化、气体分馏等装置，稳态模拟已经可以提供十分准确的数据，以至于达到了可以用模拟结果作为标准，反过来检验现场的生产操作是否存在问题他1 。由于动态模拟可以更加全面、正确地认识一个化工过程，故已被广泛地应用于动态特性研究、开停车指导、建立动态仿真系统和设计先进控制系统心。国外从6 0 年代末开始，已在工程设计中大量应用稳态模拟技术，现在动态模拟也已经大量地应用于先进控制系统的设计，并取得了极大的经济效益。国内对化工过程模拟技术的应用相对较晚，7 0 年代仅有少量应用，大量应用出现在8 0 年代，而9 0 年代已十分普及。国内对精馏过程的稳态模拟多采用a s p e np l u s软件，上海华谊丙烯酸有限公司的唐勇等利用a s p e np l u s 化工流程模拟软件对上海高桥石化丙烯酸厂精制单元的2 1 0 塔、2 2 0 塔、2 3 0 塔、2 6 0 塔及全流程进行了模拟优化分析，同时在国内首家建立了丙烯酸及酯的物性数据库，在根本上解决丙烯酸精制过程中的瓶颈问题，在引进技术的消化吸收方面取得突破性进展m 1 。中国石化扬子石油化工股份有限公司炼油厂的夏和青通过a s p e np l u s 模拟软件计算，找出扬子石油化工股份有限公司炼油厂气体分馏装置在高负荷下的瓶颈问题，通过整改，使总进料量达原设计负荷的1 2 7 ，在丙烯塔达原设计负荷的1 5 7 8 情况下，丙烯产品质量仍然合格，每年可多产丙烯9 9 1 2 6 t ，获得了良好的经济效益1 。茂名石化乙烯工业公司的颜景方等，利用a s p e np l u s 对丙烯分离过程进行模拟，分析了丙烷中丙烯含量高的问题，得出塔盘效率达不到设计值是问题的主要原因，对回流量变化、两塔釜抽出量调整、不凝汽量减少及降低丙烯产品规格对减少丙烯损失进行了模拟分析，提出了增加塔进料、改变流程、更换塔盘的改造建议方案幢引。江苏石油化工学院杨德明等利用a s p e np l u s 软件，对常规乙烯精馏塔的操作工况进行了模拟，提出了该精馏塔的两种开式热泵流程并作了模拟计算，确定了以上两种开式热泵流程的操作条件，计算结果表明，与乙烯常规精馏相比，两种开式热泵流程分别节能2 4 9 和1 2 6 口副。化工二部的曾芳勇应用a s p e np l u s 化工模拟软件针对聚乙烯装置改扩建后排放气回收系统运行不稳定导致物耗、能耗增加的问题进行了模拟分析，找到了该系统关键部位低压冷凝罐的最佳操作温度，将原设计的低、高压冷凝段共同回收冷凝液改为仅高压段回收，降低了系统能耗心刮。北京燕山石油化工公司设计院的寇业荣利用c h e m c a d 软件对燕化公司化工一厂乙烯废液处理塔进行了模拟核算，从塔板水力学计算该塔负荷能否满足6 6 0 k t 乙烯改扩建后废液处理量增加的要求，并提出了改造建议。相对于稳态模拟而言，国内对于精馏过程动态模拟的应用报道较少。中石化第一章化工过程模拟技术的发展与应用沧州石化分公司的王亮等采用h y s y s 流程模拟软件，对丙烯丙烷精馏塔进行了动态流程模拟，分析了丙烯丙烷精馏塔在操作条件和进料流量及进料流量及进料成分干扰变化时，整个塔的动态响应变化过程，研究了常规p i d 控制方案以及通常的先进控制方案所存在的问题，为改进的集实时优化与先进控制于一体的控制方案设计提供了依据旧1 。清华大学的吴凯等应用h y s y s 软件对乙烯生产过程中的脱丙烷工艺过程进行了稳态、动态模拟分析，对不同的进料工况提出了相应的最佳操作条件，其结果既可以用于离线指导实际生产操作，保证装置的产品质量，也可为在线优化控制打下基础m 1 。经过多年的研究和技术储备，我国在单元设备的建模、控制和优化上已经取得了丰富的成果，在一些关键技术上已经达到了国际先进水平。主要包括：原油蒸馏装置的建模和过程优化技术，催化裂化装置的建模和先进控制，聚合过程的建模和过程优化技术，板式精馏塔的非平衡级模型及过程优化等，这些技术基本上覆盖了炼油化工企业的主要生产装置。另外，在裂解炉系统的建模、控制和优化上也已做了大量的前期研究工作，为乙烯生产过程的流程模拟、先进控制和优化上也打下了必要的技术基础啪1 。目前，模拟技术的发展与应用还在迅速推进，现在存在的主要问题是：( 1 )物性数据不全，运算结果与实际有较大差距。( 2 ) 各软件尚不能模拟部分单位操作，例如鼓泡塔、流化床、转板塔、干燥器、真空泵等，影响了全流程模拟的实现。( 3 ) 集成能力不强，各段模拟的接口问题比较突出，尚不具备多装置流程模拟、先进控制和过程优化的条件。( 4 ) 模拟软件价格太昂贵，影响了在国内的推广应用。本文首先利用a s p e np l u s 模拟软件对兰州石化公司乙烯分离装置中丙烯精馏塔第一次改造后的操作进行稳态模拟，探讨装置第一次扩容改造不成功的原因。在模拟过程中为了实现以普通塔板代替d j 型塔板进行模拟，根据d j 型塔板通过能力较大的特点对模拟结果中的部分参数进行适当修正，为准确的模拟分析提供数据基础。其次，利用a s p e np l u s 模拟软件对装置第二次扩容改造后的现双塔操作进行稳态模拟，建立科学的模拟优化步骤，为装置操作提出优化建议。再次，利用a s p e nd y n a m i c s 模拟软件对现双塔操作进行动态模拟，研究进料量、进料组成和回流量等操作因素扰动下的双塔动态特性，以进一步指导装置目前的开停车和日常操作，也为将来的改造和实现先进控制提供基础数据。第二章丙烯精馏塔改造情况第二章丙烯精馏塔改造情况2 1 丙烯精馏塔改造经过兰州石化分公司原烯烃装置乙烯的生产能力为1 6 万吨年，配套的丙烯精馏塔( 4 0 6 塔) 共1 5 3 块浮阀塔板，在乙烯装置生产能力从1 6 万吨年扩大到2 4万吨年时，为提高加工能力，2 0 0 3 年8 月进行了第一次扩容改造，用浙江工业大学开发的d j - 3 型塔板一对一替换原1 5 3 块浮阀塔板，塔径( 3 0 0 0 m m ) 与板间距( 4 5 0 m m ) 不变，要求加工量为1 4 3 1 1 6 5k g h ，塔顶产出物的丙烯浓度不小于9 9 6 ( m 0 1 ) ，塔釜产出物的丙烯浓度不大于1 0 ( m 0 1 ) ，但4 0 6 塔在改造投产后，分离精度并没达到改造要求，虽对操作进行了反复多次调整，效果仍然不佳，为保证塔顶产出物的浓度要求，只能以塔釜产出4 0 5 0 ( m 0 1 ) 的丙烯损失为代价维持操作，扩容改造并不成功。2 0 0 5 年8 月装置进行了第二次扩容改造，新建了4 0 6 a 塔作为精馏段，将其与4 0 6 塔串联操作，4 0 6 a 塔塔径3 4 0 0 m m ，板间距4 5 0 r m ，共设8 4 块浙江工业大学开发的d j 一5 型塔板，装置改造后分离精度得以提高，达到了改造要求，但由于进料量及进料组成波动，装置操作一直不稳定。2 2d j - 3 和d j - 5 型塔板介绍d j 一3 和d j - 5 型塔板均系浙江工业大学研究开发的新型高效大通量d j 系列塔板，d j 系列塔板的结构特点是采用了矩形悬挂式降液管，降液管布置在塔板的中间，降液管底部并不沉浸在下层液体中，而是悬挂在气相空间，用底部开孔面积来控制降液管内液层高度，以保证液封不漏气。由于液体直接从底孔淋降到下一层塔板上，不需折转，故具有抗堵功能。d j 塔板的另一结构特点是受液区也开孔鼓泡，塔板有效面积大，压降低，所开孔型为具有防冲击漏液功能的诱导式斜孔，以免液体直接淋降下来引起冲击漏液。与此同时，在受液区的外侧安装导流装置，以改善液体的初始分布，增大操作弹性，液体流通能力可比一般塔板提高3 0 5 0 。4 0 6 塔所采用的d j - 3 型塔板是一种复合型塔板，通过复合技术，在塔板下复合了一薄层规整填料( 结构如图2 1 所示) ，填料层处于气相空间，当负荷高时，起到了抑制雾沫夹带作用，同时改善了塔板间的气相分布，使塔板效率提高1 0 1 5 ，气相通量提高1 5 一- 2 0 ，当负荷低时，筛板的随机漏液与上升第_ 章丙烯精馏塔改造情况的气相在填料层内进一步传质，增加了塔板的分离效果。因此，d j - 3 型塔板除具有大通量、高弹性的特点外，还具有高效率的优良特性，其板效率与浮阀塔板相当，塔板设2 根降液管，相邻两板的降液管互成垂直排列b 卜蚓。1 塔壁；2 降液管；3 一复合填料；4 一塔板；5 导流板图2 1d j 3 型塔板结构示意图f i g2 1s t r u c t u r eo fd j - 3t y p ep l a t e4 0 6 a 塔中d j - 5 型塔板的主要特点是采用了新型固定阀作为鼓泡元件。新型固定阀( 结构如图2 - 2 所示) 较好地综合了筛孔塔板和浮阀塔板的优点，克服了浮阀塔板耗材量大、制造成本高、易堵塞、浮阀容易吹掉或卡住和筛孔塔板雾沫夹带量大、漏液严重的缺点。一般的固定阀塔板，其气流均从固定阀侧孔中以水平方向吹入液层，与从相邻的固定阀侧孔中喷出的气流在两固定阀之间发生对冲现象，两股对冲的气流不仅使塔板上的液体向上飞溅，增大雾沫夹带，减小塔板的处理能力和操作弹性，而且流体对冲碰撞会消耗能量，增加塔板的压降。同时气流以水平方向吹入液层，会将液体吹入相邻固定阀侧孔中成为漏液，增大漏液量，减小塔板的操作弹性，降低塔板的传质效率。新型固定阀针对传统固定阀的缺点，塔板上的固定阀阀面侧边具有向下弯曲的折边，改变了从固定阀侧孔中吹出的气体的方向，使气体从固定阀侧孔中斜向下吹到塔板板面上，因此减少了雾沫夹带量和漏液量，提高塔板的处理能力和操作弹性，同时强化了塔板上气液接触传质，提高了塔板传质效率。在受液区设置新型固定阀还可以减少d j 一5 型塔板的冲击漏液量。新型固定阀塔板的造价接近筛孔塔板，而塔板效率和操作弹性则与浮阀塔板相当b 7 。3 刚。图2 2d j 5 型塔板新型固定阀结构示意图f i g2 - 2s t r u c t u r eo fd j 一5t y p ep l a t en e ws t a n d i n gv a l v e一1 0 第三章4 0 6 单塔稳态模拟第三章4 0 6 单塔稳态模拟3 14 0 6 单塔操作流程为了研究单塔改造不成功的内在因素，并给双塔模拟提供比较可靠的输入初值，首先对单塔操作进行模拟分析。4 0 6 单塔流程见图3 - 1 ，丙烯原料从4 0 6 塔第9 0 板进入，高浓度丙烯自4 0 6 a 塔塔顶产出，其余物料自4 0 6 塔塔釜产出，塔顶设有冷却器，塔釜设有再沸器( 视塔顶冷却器为4 0 6 a 塔第l 块塔板，塔釜再沸器为4 0 6 塔最后一块塔板) 。图3 - 14 0 6 单塔流程f i g3 1p r o c e s so f 4 0 6s i n g l et o w e r3 2 计算模型的选取a s p e np l u s 软件提供的s k - s o a v e 、p e n g - r o b 及乙烯工厂专用的s r - p o l a r三种模型比较适用于c ：及c 。的分离计算模拟口射，经过先期试算，其中s k - s o a v e模型比p e n g - r o b 模型更适合高压条件下c 。c 4 分离的操作模拟，与生产实际操作拟合更好，s r - p o l a r 模型参数由气液平衡实验数据回归得到，由于它考虑了极性分子的气液平衡，因此更适合模拟含有c o 、c 0 2 、h ：、s 0 2 等极性物质的裂解过程及裂解气的精制和压缩操作。本文中的丙烯精馏塔物料中不含以上极性物质，故选用了s k - s o a v e 模型进行模拟计算。3 34 0 6 单塔设计核算a s p e np l u s 软件可以对浮阀塔、筛板塔、泡罩塔和填料塔的操作进行模拟，但却不能直接模拟d j 型塔板形式n 引，为了实现a s p e np l u s 软件对丙烯精馏塔操作的模拟，本文在模拟过程中，用普通浮阀塔板代替了d j 型塔板。在精馏塔第三章4 0 6 单塔稳态模拟的设计与操作优化中，塔板通过能力是十分关键的因素，而d j 型塔板的流通能力比普通浮阀塔板要大，因此必须对塔板代替后的模拟数据进行合理修正，以保证模拟分析的准确性。如果忽略塔板通过能力，将普通浮阀塔板的模拟结果直接用于d j 型塔板的实际操作优化中，就会从