（控制科学与工程专业论文）原油蒸馏系统的建模仿真与操作优化研究.pdf

r 学位论文数据集 中图分类号 t p 3 9 1 9 学科分类号 51 0 8 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 8 2 0 密级 公开 学位授予单位代码1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名黄文 学号2 0 0 8 0 0 0 8 2 0 获学位专业名称 控制科学与工程获学位专业代码0 8 1 1 课题来源 国家计委、科委项目研究方向 过程建模与仿真 论文题目 原油蒸馏系统的建模仿真与操作优化研究 关键词 石油蒸馏装置，稳态模型，参数校正，操作优化 论文答辩日期2 0 l l - 5 2 6论文类型 开发研究 学位论文评阕及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位 学科专长 指导教师楚纪正研究员 北京化工大学 过程建模与仿真 评阅人l 黄克谨教授北京化工大学 化工过程、系统工程 评阅人2王晶 副教授北京化工大学 先进过程控制 评阅入3 评阅人4 评阅人5 智能系统与数据挖 椭员会捕朱群雄 教授北京化工大学 掘、过程模拟 答辩委员l 黄克谨教授北京化工大学 化工过程、系统工程 间歇过程建模、控制 答辩委员2王友清教授北京化工大学 与优化 答辩委员3耿志强 副教授北京化工大学 计算智能与系统 答辩委员4王晶 副教授北京化工大学 先进过程控制 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其他 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 原油蒸馏系统的建模仿真与操作优化研究 摘要 原油蒸馏系统是炼油加工的第一道工序，是原油深度加工的基础，其 生产操作的稳定性、控制手段的可靠性、管理技术的先进性，对炼油企业 的产品收率、质量、原油的有效利用以及企业的效益都有重要影响。 本文首先介绍了原油的组成及评价方法，并阐述了原油实沸点蒸馏曲 线的拟合、特征化、物性计算，常减压蒸馏塔模拟模型的建立、求解、模 型参数在线修正等关键技术，建立了原油蒸馏系统的稳态模型。用某炼油 厂常减压蒸馏装置的实际操作数据对模型的进行了测试，验证该模型具有 较好的模拟精度和运算速度，能够预测原油蒸馏塔的实际工艺状态。然后 在已有稳态模型基础上对操作参数做敏感性分析，得出了常压炉炉口温 度、塔底汽提蒸汽和各侧线产品抽出量等操作参数对产品质量或拔出率的 影响结果，并以此为依据，以产品质量工艺卡和蒸馏塔操作工艺作为约束 条件，利用粒子群算法对装置进行寻优。优化结果表明：在各产品质量指 标得到保证的前提下，通过对操作变量进行调整，原油收率提高，实现了 优化的目标。 关键词：石油蒸馏装置，稳态模拟，参数校正，操作优化 a b s t r a c t s t u d yo ns i m u l a t i o na n do p e r a t i n g o p t i m i z a t i o no fc d u a b s t r a c t c d ui sm ef i r s tp r o c e s si no i lr e f i n e 哆s y s t e m ，a n di st h ef o u n d a t i o no f t h eo i l sd e 印p r o c e s s i n g t h es t a b i l i t yo fi t so p e r a t i o n ，t h er e l i a b i l i t yo fi t s c o n t r o l l i n ga n dt h ea d v a n c e m e n to fi t sm a n a g e m e n tb r i n gg r e a ti n f l u e n c eo n t h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo ft h eo i lp r o d u c t s ，u t i l i z a t i o no ft h eo i la n dt h e r e v e i m eo ft h ec o 印o r a t i o n t h ec o r n p o s i t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o d so fc n l d eo i la i d e s c r i b e di n t h i sp 印e r s o m e k e yt e c h n o l o g i e so ft h es t e a d ys t a t em o d e lo fc d u ，i n c l u d i n g c m d eo i lt b pc u r v e ，c h a r a i c t 舐z a t i o n ，p r o p e m e sc a l c u l a t i o n ，p r o c e s sm o d e l ， o n - l i n ep a r a m e t e r se s t i m a t i o n ，a r ed e v e l o p e d t h es t e a d ys t a t em o d e lo fc d u i se s t a b l i s h e d i nc o m p a d s o nw i t hs i m u l a t i o nr e s u l to fa t m o s p h e r i c v a c u u m d i s t i l l a t i o nu n i t s ，t h i sm o d e ld e m o n s t r a t e sb e t t e rp e r f o m a n c ei ns i n m l a t i o n a c c u r a c ya n dc o i n p u t a t i o ns p e e d i tc o u l dp r e d i c tt h ea c t u a lo p e r a t i o ni nc r u d e o i ld i s t i l l a t i o nc o l u m n sa sw e l l s e n s i t i v i t ya n a l y s i st ot h ei 汜yf a c t o r s ，s u c ha s t e m p e r a t u r eo ft h ea t m o s p h e r i c 如m a c e ，n o wr a t eo fb o t t o ms t e a ma n ds i d e p r o d u c t s ，a 低c t i n go np r o d u c tq u a l i t yo rt h es t r i p p i n gr a t eo fc r u d eo 订w a s d o n eo nm es t e a d ys t a t em o d e lo fc d u b a s e do nt h er e s u l t so fs e n s i t i v i t y a n a l y s i s ，q u a l i t yp a r a m e t e r so fa t m o s p h e r i cp r o d u c t sa i l do p e r a t i n gt e c h n i c s i i i 北京化工大学硕士学位论文 s e l e c t e da sr e s t r i c t i o n s ，o p t i m i z a t i o no fa t m o s p h e r i ct o w e rw a sc a l c u l a t e db y p s o r e s u l t so fo p t i m i z a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h es t r i p p i n gr a t eo fc m d eo i lw a s i n c r e a s e da n dt h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v ew a s a c c o m p l i s h e db ya d j u s t e d o p e r a t i n gv 撕a b l e s k e yw o i i s ： c d u ， s t e a d y s t a t em o d e l ， c a l i b r a t i o nt h e p a r a m e t e r s ， o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究背景。1 1 1 1 课题来源l 1 1 2 课题研究背景及意义1 1 2 原油蒸馏装置和工艺流程概述。2 1 2 1 原油蒸馏装置的地位2 1 2 2 原油蒸馏蒸馏原理3 1 2 3 原油常减压装置概括4 1 3 课题研究的发展与现状5 1 3 1 原油蒸馏过程模拟5 1 3 2 原油蒸馏系统的操作优化7 1 4 论文主要研究内容8 第二章原油馏分分析和物性计算9 2 1 原油组成9 2 2 石油物系的特征化方法1 0 2 2 1 石油物系实沸点蒸馏曲线的拟合1 0 2 2 2 石油物系的假组分划分。l1 2 2 3 石油物系假组分的物性一1 2 2 2 4 明确组分的性质1 4 2 3 石油物系的热力学性质计算方法1 7 2 3 1 混合物的液体体积17 2 3 2 混合物的气体体积1 7 2 3 3 混合物的热性质1 8 2 3 3 混合物的气液平衡模型18 2 4 本章小结1 9 第三章原油蒸馏塔的稳态机理模型2 1 3 1 原油蒸馏塔的稳态模型2 1 3 1 1 典型塔板的数学模型2 1 v 北京化工大学硕士学位论文 3 1 2 塔顶模型2 3 3 1 3 中段回流模型2 4 3 1 4 塔底模型2 5 3 2 原油蒸馏塔求解策略2 6 3 3 原油蒸馏塔参数校正方法错误l 未定义书签。 3 4 本章小结错误! 未定义书签。 第四章原油蒸馏塔稳态模型在常减压装置中的应用2 9 4 1 装置的工艺流程- 。2 9 4 1 2 初馏塔工艺流程2 9 4 1 2 常压塔工艺流程。3l 4 1 3 减压塔工艺流程3 3 4 2 原油特征化结果3 6 4 3 常减压装置模拟一3 9 4 3 1 初馏塔模拟。3 9 4 3 2 常压塔模拟4 1 4 3 3 减压塔模拟4 5 4 4 本章小结4 7 第五章原油蒸馏系统的操作优化4 9 5 1 原油蒸馏塔稳态工艺模型操作优化问题提出4 9 5 2 原油常压蒸馏塔操作参数的敏感性分析4 9 5 3 模型优化实施5 2 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 工作总结5 5 6 2 工作展望5 5 参考文献5 7 致谢5 9 研究成果及发表的学术论文6 l 作者和导师简介6 3 v i c0 n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n l 1 1p r o j e c tr e s o u r c e 锄dr e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 1p r o j e c tr e s o e 1 1 1 2p r o j e c tr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i 弘i f i c a n c e 1 1 2o 矿e i e wo fc d u 锄dp r o c e s s 。2 1 2 1t h es t a t u so fc n j d eo i ld i s t i l l a t i o nu 1 1 i t 2 1 2 2t 1 1 em e o r 、ro f d i s t i l l a t i o no f c r u d eo i ld i s t i l l a t i o n 。3 1 2 3c 1 1 l d ed i s t i l l a t i o nu i l i ts l l i n m 龇y 4 1 3d e v e l o p m e r l ta i l ds t a t u so f r e s e a r c i h 5 1 3 1c r u d eo i ld i s t i l l a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n 5 1 3 2o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n0 f c d u 7 1 4m a i nc o n t e i l t s 8 c h a p t e r2a n a l y s i sa n dp r o p e r t i e so fc r u d e o i l 9 2 1o i lc o m p o s i t i o n ：9 2 2 ( r u d eo i lc h a r a c t i e r i z a t i o n 1o 2 2 1t b pc l l r v e 矗t t i n g 1o 2 2 2p s e u d o c o m p o n e n td i v i s i o n ：1l 2 2 3p r o p e n i e so f p s e u d o - c o m p o n e n t 1 2 2 2 4p r o p e r t i e so fs p e c i 6 cc o m p o n e l l t s 1 4 2 3c a l c u l a t i o no f 廿1 e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s 17 2 3 1c a l c u l a t i o no f l i q u i dv o l u m eo f m i x t u i e 1 7 2 3 2c a l c u l a t i o no fg a sv 0 1 u m eo f m i x t u r e 17 2 3 3t l le n ：n a lp r o p e f t i e so f m i x t 盯e 1 8 2 3 3v a p o r _ 1 i q u i de q u i l i b r i 啪m o d e lo f m i x t l 鹏18 2 4s u m m a r y 19 c h a p t e r3t h es t e a d y s t a t em o d e lo fc d u 2 1 3 1t h es t e a d v s t a t en l o d e l 2 l 3 1 11 1 1 em a t h e i n a t i c a lm o d e lo f at ) ，p i c a lp l a t e 2 1 3 1 2t h em o d e lo f t h et o po f c o l 啪n 2 3 3 1 3t h em o d e lo f m i d d l er e n u x 2 4 v l l 北京化工大学硕士学位论文 _ 一 3 1 41 1 1 em o d e lo f m eb o 怕mo f c 0 1 u 砌2 5 3 2s m e o l u t i o no f m o d e l 2 6 3 3c a l i b r a t i o nm ep 踟e t i e r s ：2 7 3 4s u n l m a r y 2 8 c h a p t e r4a p p l i c a t i o no f s t e a d y r - s t a t em o d e l 2 9 4 1o v e n 喧e wo f m ed e v i c ep r o c e s s 2 9 4 1 2p m c e s so f p r i m a d rt o w e r 2 9 4 1 2p r o c e s so fa 臼：r l o s p h e r i ct o w c r 3 1 4 1 3p i ，o c e s so f v a c u 眦t o w e r 3 3 4 2r e s u l t so fc _ h a r a c t 耐z a t i o n 3 6 4 3s i 瑚l u l a t i o no fc d u 3 9 4 3 1s i m u l a t i o no f p r i m a r yt o w e r 3 9 4 3 2s i m u l a t i o no fa 仃n o s p h e r i ct o w e r 4 1 4 3 3s i m u l a t i o no f v a c u 呦t o w e f 4 5 4 4s l 】m m a r y 4 7 c h a p t e r5o p e r a t i o no p t i m i z a t i o no f c d u 4 9 5 1o p e r a t i o no p t i m i z a t i o ni s s u e s 4 9 5 2s e n s i t i v i t v a n a l y s i s 4 9 5 3o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n 5 2 5 4s u n 衄a r y 5 4 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n d e x p e c t a t i o n 5 5 6 1c o n c l u s i o n 5 5 6 2e x p e c t a t i o n - 5 5 r e f e r e n c e s 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 s c i e n c ep a p e r sp u b l i s h e d 6 1 b r i e fi n t r o d u c t i o nt oa u t h o ra n dt u t o r s 6 3 v l l l 第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 1 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源于浙江大学( 甲) 和北京化工大学( 乙) 合作承担8 6 3 计划先进制造与 自动化技术领域现代制造集成技术专题，课题名称流程工业企业级仿真及优化技术 平台( 课题编号2 0 0 7 a a 0 4 2 1 9 1 ) 。 1 1 2 课题研究背景及意义 我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价， 经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。在严峻的能源、 环境形式面前，节能减排是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，已受到人 们越来越多的重视。 但是由于我国经济增长模式粗放，电力、钢铁、有色、建材、石油加工、化工等 六大行业高耗能、高污染，占全国工业能耗和二氧化硫排放近7 0 ，成为理所当然的 节能重点领域。其中尤其以石油加工行业值得引人关注：早在2 0 0 3 年起我国就已经 超过日本成为全球第二大石油消费国，据国家能源局近期公布的数据，2 0 0 9 年，中国 生产原油1 8 9 亿吨，净进口原油却高达1 9 9 亿吨，原油进口依存度首次超过警戒线 5 0 ，达到5 1 2 9 ；石油加工、炼焦能耗占全国能源消费总量6 o 。中国原油进口 依存度过高、原油利用率低、能耗大，以及由此引发的国家能源安全问题，成为与会 政府官员、专家学者和业界人士关注的热点。 必须承认，随着技术和装备的进步，我国炼油企业的已具有相当规模，不少装置 接近世界先进水平。但我国的炼油综合能耗( 吨油消耗7 8 公斤标煤) 和乙烯综合能 耗( 每吨耗油6 9 5 公斤) 相对较高，与国际先进水平相比，节能潜力分别为3 2 1 和 3 6 7 。综合上述分析，石油炼化行业的能源利用效率，即使在高耗能工业中，也是 比较低的，与国际先进水平相比，节能潜力相当大【1 1 。 而在石油加工中，常减压装置是整个炼油工业的首要生产环节，素有炼油企业的 “龙头”之称，是原油深度加工的基础。其主要作用是把原油按照沸程范围切割成汽油、 煤油、柴油、润滑油原料、裂化原料和渣油等不同流程的馏分产品。有文献报道称在 这个过程中，原油蒸馏装置消耗能量约占炼厂总用能的2 5 3 0 【2 1 。常减压蒸馏操 作水平的高低决定了蒸馏的效果，决定了石油产品的质量和收率，也决定了能耗的高 低。因此优化常减压蒸馏塔的操作条件，最大限度有效地利用能量，降低能耗，提高 北京化_ t 大学硕士学位论文 石油拔出率，对炼油企业节能减排、增加效益有着重要的意义。 在对炼油企业蒸馏塔的研究过程中，以石油炼化为代表的连续流程工业在流程工 业的c i p s ( c o m p u t e ri n t e 伊a t e dp r o d u c i n gs y s t 锄，计算机集成生产系统) 的企业集成化 建模研究中【3 1 ，美国先进制造研究中心( a m r ) 的e r p ( e m e r p r i s er e s o u r c ep 1 a r i i l i n g ) m e s ( m a n u f - a c t l l r i n ge x e c u t i v es y s t e m ) p c s ( p r o c e s sc o i l t r o ls y s t 锄) 三层企业集成 体系结构( 如图1 1 所示) ，成为当今西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论 和产品的主流框架，并在实际应用中取得了显著的效益 4 1 。在三层企业集成系统结构 中，底层的流程模拟、优化控制是上层的基础。 图1 1 三层体系结构示意图 f i g 1 - 1s c h 锄a t i cd i a g r a mo ft l | r e e - t i 盯a r c h i 眦t 哪 综上所述，开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用 具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题【5 1 。 1 2 原油蒸馏装置和工艺流程概述 常减压蒸馏装置是原油加工的第一道工序，素有炼油企业“龙头”称号，地位及其 重要。根据原有蒸馏原理，常压蒸馏一般可以切割出重整原料、溶剂油、煤油( 或航 空煤油) 、轻柴油、重柴油等产品；在减压蒸馏中可以切割出几个润滑油馏分或催化 裂化或加氢裂化原料。剩下的减压渣油根据生产总流程的安排可有不同用途，如用做 溶剂脱沥青原料、焦化或减粘裂化原料，或直接出厂做燃料油或做生产沥青的原料。 原油常减压蒸馏装置一般包括电脱盐、初馏塔、常压蒸馏和减压蒸馏四部分， 1 2 1 原油蒸馏装置的地位 石油蒸馏是原油加工的第一道工序，原油经过蒸馏分离成各种油品和下游加工装 置原料。常减压装置作为石油化工业的第一道工序，其生产操作的稳定性、控制手段 的可靠性、管理技术的先进行，对炼油厂的产品质量、收率、原油的有效利用以及企 业的效益都有很大的影响【6 】。 炼油工业在我国国民经济中属于优势行业之一，是重要的燃料和化工原材料供应 的工业系统，在国民经济中有着重要的作用和地位。石油及其产品是现代文明的神经 2 第一章绪论 动脉；炼油工业是国家综合国力的重要组成部分，对任何一个国家都是一种生命线， 对经济、政治、军事和人民生活的影响极大【7 】。 分析认为，从长期来看，随着国民经济持续高速发展，人均收入的提高，国家在 原油加工及石油制品制造方面投入加大都会使原油加工及石油制品制造需求增加。炼 厂规模扩大，炼化一体化程度提高。目前我国已形成1 7 个千万吨级炼油基地，国内 炼油能力1 0 0 0 万吨年以上的炼油厂原油一次加工能力已接近全国总加工能力的一 半。根据新近出台的国家石化振兴规划，未来新出炉的中国十大炼油基地将是：规模 超过年3 0 0 0 万吨的大型炼油基地宁波、上海、南京、大连，规模超过2 0 0 0 万 吨年的大型炼油基地茂名、广州、惠州、泉州、天津、曹妃甸。 得益于国内经济的快速发展，经济运行情况良好，油品需求量旺盛。截至2 0 0 9 年 底，我国的原油一次加工能力已从2 0 0 0 年的2 7 6 亿吨、2 0 0 5 年的3 2 4 5 亿吨，猛 增到4 7 7 亿吨，稳居世界第二。在进入新世纪的第一个l o 年，我国炼油能力增加了 7 2 8 ，年均增长率达6 3 ，成为新中国成立6 0 年来炼油能力增长量最大、增速最 快的l o 年。中国国家统计局今年1 月2 0 日公布的数据显示，2 0 1 0 年全年原油产量 达2 0 ，3 0 1 万吨，同比增长6 9 ；全年原油加工量同比增1 3 4 ，达4 2 3 亿吨。据最 新的中国新闻社报道，为了缓解部分地区的燃料供应短缺，中国最大的石油公司中国 石油天然气股份有限公司( 中国石油p 咖c h i n a ) 将增加原油加工量并减少其炼油厂 的维修作业。把4 月份的原油加工量比去年同期增加1 5 ，并把石油产品产量提高 1 9 ，将把其麾下的炼油厂的开工率维持在设计能力的9 8 5 。 但是炼油装置属于能源密集型过程工业，是我国的耗能大户，其能耗占整个石化 行业总能耗的4 0 以上【8 】，而原油蒸馏装置是其中的首要设备，其过程好坏，对炼油 厂的产品质量、收率以及对原油的有效利用都有很大影响。对原油蒸馏装置的研究意 义重大。 1 2 2 原油蒸馏蒸馏原理 原油是不同沸点的复杂组分组成的混合物，馏出同样体积的馏出物可以有不同的 沸点范围，不同沸点范围的馏出物称为馏分。一定温度下蒸馏出来的馏分就表示石油 产品的馏程。石油蒸馏是指在常压和负压条件下，根据原油中各组分的沸点不同，把 原油“切割”成不同馏分的工艺过程。 蒸馏有多种形式，如闪蒸、简单蒸馏和精馏，也可以根据不同分离要求和被加工 物料的性质及数量情况选用。加热混合物使其沸点较低的轻组分气化和冷凝粗略分离 的操作称为蒸馏。同时并多次运用部分气化和部分冷凝，使各组分达到精确分离的操 作称为精馏。按被加工介质的形态，精馏可分为液体精馏和气体精馏两类。常减压蒸 馏装置是将原油分离为汽油、煤油、柴油、润滑油原料、化工原料和渣油，是属于分 北京化工大学硕士学位论文 离馏分的液体精馏。 精馏的依据是液体混合物中各组分的挥发度( 挥发度是指液体混合物中任一组分 气化倾向的大小) 有明显差异，即各组分的沸点不同。精馏的实质是气相多次冷凝， 液相多次气化进行传热传质。 常减压装置采用的就是精馏原理，把原油在经过多次部分汽化和多次部分冷凝， 经过多次重复得到纯度较高的轻组分和重组分。石油蒸馏塔由多层塔盘组成，每层塔 盘均是一个气液接触单元。加热到一定温度的混合液体流进塔的汽化段，一次汽化为 平衡的气液两相，气相沿着塔上升到精馏段，液相继续往下流。由于在塔顶送入一股 与塔顶产品组分相同或相近的较低温度的液体回流，使上升蒸汽在各个塔层上不断地 部分冷凝，使其中的重组分转入液相逐层往下流，最后在塔顶得到纯度较高的轻组分。 汽化段产生的平衡液相则沿塔继续下流，进入提馏段，并在塔底得到纯度较高的重组 分。整个塔的内部蒸汽与液体逆向流动，密切接触进行传热与传质，使轻重组分多次 分离，达到精确分开的目的。 1 2 3 原油常减压装置概括 常减压蒸馏作为原油加工的首要工序，一般包括电脱盐、初馏、常压蒸馏、减压 蒸馏四部分。 1 电脱盐过程。主要作用是脱除原油中的盐和水。原油中含水过高，会使装置操 作不稳定，严重影响塔的处理能力和产品质量，增加装置的负荷；原油中含盐过高， 会加快设备腐蚀，影响产品质量。处理方法是原油中加入一定量的水，将油中的盐分 溶解，再加入破乳剂破坏原油中乳化液的稳定性，将加热到既定温度的原油送入电脱 盐罐，在高压电场作用下，原油中微小水滴聚集成大水滴，利用油水密度差的作用， 促使水滴在油中沉降分离，原油中的盐随水一起脱除。 2 初馏过程。初馏塔的主要作用是将原油换热升温过程中已经汽化的轻质油及时 蒸发，使这部分油气不进入加热炉，从而降低加热炉的热负荷和原油换热系统的操作 压力，来节省装置的能耗和操作费。同时，初馏塔去除了原油中的气体烃和水，使常 压塔的操作稳定，保证了煤油、柴油等侧线产品的质量。 3 常压蒸馏过程。常压塔一般包括多个侧线，把原油切割成汽油、煤油、轻柴油、 重柴油和重油等产品。常压塔采用复合塔形式，设置有多个中段回流、塔顶回流，同 时在各侧线上安装汽提塔来调整各侧线产品的闪点和蒸馏范围。 4 减压蒸馏过程。润滑油和催化裂化、加氢裂化的原料是原油中3 5 0 以上的高 沸点馏分。但是由于原油在常压下加热到3 7 0 3 8 0 以上时，热裂解反应急剧增加， 影响产品质量，并引起炉管结焦，所以在常压塔的操作条件下不能获得这些馏分，只 能通过减压蒸馏取得。通过减压蒸馏可以从常压重油中蒸馏出5 5 0 以前的馏分油。 4 第一章绪论 根据生产任务的不同，减压塔可以分为润滑油型和燃料型两种。润滑油型减压塔是为 提供粘度合适、残炭值底、色度好和馏出较窄的润滑油料。燃料型减压塔主要是为了 提供残值低、和金属含量低的催化裂化和加氢原料，对馏分组成的要求是不养的。无 论哪种类型的减压塔，都要有尽可能高的拔出率【9 1 。 1 3 课题研究的发展与现状 1 3 1 原油蒸馏过程模拟 底层实时控制层是以先进控制、操作优化为主要目标，强调的是设备的控制和优 化，减少人为因素的影响，提高产品的质量与系统的运行效率。底层的流程仿真关注 对装置的操作和控制，因此需要细致地描述装置生产状态的变化情况。得益于分离工 程和物理化学科学知识的发展；得益于计算领域，包括硬件和软件的突飞猛进；得益 于现代控制理论的不断进步，包括一系列相关理论的产生和发展，使得原油蒸馏系统 的模拟成为可能并付诸工业应用，流程模拟得到长足的进步。 按照模型的状态参数与时间相关与否原油蒸馏建模可分为稳态模型和动态模型。 其中稳态模拟是蒸馏塔模拟应用中最为普遍且重要的技术之一，发展较快，在近几十 年的发展中已经趋于成熟。稳态模拟对蒸馏塔的优化、动态模型的建立都有着重要的 意义，因此一直受到人们的重视。对于稳态模型，首先需要将原油按照其实沸点曲线 温度区间进行分割，划分成一定数目的窄馏分，然后对这些窄馏分按照多元精馏的方 法进行建摸。工艺流程状中状态参数的分布情况就被物料平衡方程、相平衡方程、分 子加和方程、热平衡方程等构成的数学模型所描述，即m e s h 方程。事实上，这些高 维非线性方程组很难求解。其求解方法往往是把这些方程按照不同的方式组合，不同 的组合方法，就形成不同的解法。而组主要的两种方法包括：包括逐板计算法和矩阵 法。 二十世纪三十年代由l e w i s m a t l l e s o n 法和1 1 1 i e l e g e d d e s 、法【1 0 】为代表的逐板计算 法产生。受制于当时的技术，在手算的情况下，其精度较差且难以收敛，因而难以推 广。b o 皿d 1 1j 于1 9 5 6 年组分提出了新的修正方案，避免了l e w i s m a t h e s o n 法在塔顶 和塔底组分契合时所出现的负组分流现象。为加快1 1 1 i e l e g e d d e s 法的收敛速度， l y s t d l 2 l3 】于1 9 5 9 年在全塔物料平衡方程式中引入校正因子0 ，即所谓的0 法。 舍入误差大、数值稳定性差都制约着逐板计算法的应用，尤其是对复杂塔的计算， 收敛性差，计算时间长。但从模型的发展的角度考虑，它对以后的矩阵法具有很好的 启示作用，逐板计算法中的很多思想都在矩阵法中得到了应用。直到现在仍有人对逐 板法进行改进，甚至提出新的逐板法算法。9 0 年代，s y a y a n m a 【1 4 1 5 】就使用拉格朗日 乘子将蒸馏计算问题转化为多塔板优化问题，避免了之前所述的计算收敛问题。 5 厂r 北京化工大学硕士学位论文 矩阵法是蒸馏塔建模中另一种重要的建模方法，对精馏塔的平衡方程与其它方程 均用矩阵的形式组织迭代求解。矩阵求逆法、牛顿拉普逊法和三对角矩阵法是三种主 要的矩阵法。 矩阵求逆法是a m 吼d s o n 和p o m i n 【1 6 】1 9 5 8 年提出，该方法将m k 方程以矩阵 形式表示组合后的各热平衡方程，对于该方程组应用逆矩阵的方法进行求解。该算法 虽然通用性强，但计算塔板数和组分数较多时运算时间较长，对复杂的原油蒸馏不能 胜任。 n e 叭o n r a p h s o n 由于不用计算费时泡点计算而直接求解s 和h 方程组，因此收 敛速度快。但该方法需要计算复杂而占大量内存的j a c o b i a i l 矩阵。b a r b a r a s h 和s e a d 盯 j d 的对n a p h t a l i s 锄d h o l m 法【1 7 】进行，c h a v e z 等也提出了新的求解方法【1 8 】，但这些 方法只有在简单的物流与蒸馏塔结构下收敛性较好。h o l l a i l d 和h e s s 【1 9 - 2 l 】修改了原有 的0 法，提出了求解分线性方程的多0 法，收敛速度明显变快，通用性大大增强，在 多类精馏和吸收过程中广泛应用。 流量加和法( s r 法) 【2 2 2 4 1 和泡点法( b p 法) 【2 5 1 是三角矩阵法中两种主要方法。这两 种方法使用的范围不同。对于普通精馏过程，混合物组成决定了各塔板的温度，热平 衡也决定了流量，适宜采用b p 法；但对含有挥发度相差悬殊( 宽沸点情况) 的组分 的进料，证明b p 法遭遇失败，而建议采用流量加和( s r ) 法。对于介于二者之间的 情况，方程无法收敛；对于这种情况，f r i d a y 和s m i t h 建议采用n e w t o n r a p h s o n 法或 者切断法与n e 讯o n r a p h s o n 法相结合。1 9 7 4 年b o s t o n 和s u l l i v 肌【2 6 】提出了一种求取 m e s h 方程的解的强大方法。他们定义能量和挥发度参数，将这些参数用作主连续近 似变量；每级的相流量和温度相结合的第三参数被用于主要参数的迭代，这种方法被 成为内外层法。当前的实际计算主要有b p 法、s r 法、n e 叭o n r a p h s o n 法和内外层 法。，由于在规定变量的选择方面有相当大的灵活性，而且通常能求解大多数问题， 后两种方法应用广泛。但是，b p 法或s r 法的第一次迭代常用于为n e 州o n r a p h s o n ( n r ) 法和内外层法提供初值。 比较以上几种重要的计算方法，其中逐板计算法适用范围较窄，解算方法误差较 大；三对角矩阵法以方程解离为基础，不进行导函数运算，因此占有内存少，计算效 率较高，但只适用于汽液平衡常数的变化范围较窄的物系；n e 叭o n r a p h s o n 法收敛性 较好，但对初值要求较高，而且需要较大的内存进行求导运算，效率不如三对角矩阵 高；而采用松弛法解非线性方程组时，虽然对初值要求不高，但收敛困难。同伦拓展 法具有较强的全局收敛性，若选择合适的初值，可得到系统的多解，可靠性较高，但 是计算效率比n e 叭o n r a p h s o n 低。 从流程模拟角度来看，稳态模拟又分为序贯模块法、联立方程