精馏过程模拟与优化.doc

石油化工过程模拟与优化作业在开学一周内交到作业：参考精馏过程的模拟与优化过程，选择一个你们熟悉的炼油、石油化工过程进行模拟与优化分析。以下过程仅供参考选择：常减压蒸馏装置、催化裂化装置、加氢裂化装置、催化重整装置；也可以自己选择工艺过程。实例：目录： 前言（13页） 建模（410页） 求解分析（1162页） 优化（6365页） 实例应用（6575页） 总结（7576页） 附录（7780页） 精馏过程的模拟与优化关键词: 精馏、动态模拟、优化、回流比一 前 言 精馏的动态特征的研究和模拟具有重要的实际意义。其中，研究精馏塔的动态特征时通常要使用数学模拟的方法，这在精馏过程特别是现代石油，化工生产中被广泛使用。长期以来，精馏过程的优化节能高效一直是人们研究的重要课题。特别是自从七十年代以后，随着计算机技术的飞速发展，使各种先进控制策略应用于精馏控制成为可能，与此相适应，这就需要有能快速，准确反映精馏动态特性的数学模型。事实上，很久以来，人们就对精馏的动态特性进行了深入的研究，对其传质，传热的内在机理有了深刻的认识。然而遗憾的是：就如何建立精馏塔的动态模型，简化这一模型，以及对精馏过程的优化，这些问题却始终没有很好的得到解决！众所周知，精馏塔逐板机理动态模型可以很精确的描述精馏过程的动态行为，但是由于模型复杂，不能将其应用于在动态控制问题的研究。因此，简化模型近年来引起人们更多的关注：传统的大系统理论降阶方法，虽然能够显著的降低精馏塔精确动态模型的维数，但是所得简化动态模型的结构及参数的物理意义却非常模糊，不能体现出机理建模的优越性。工业上普遍存在非稳定状态的精馏过程，实际的生产过程不可避免的受到各种人为或非人为因素的扰动，使一些操作参数和过程变量随时间发生变化，因此对于连续精馏过程先需要建立一个模型，然后对模型的各个塔板作非稳态物料衡算，热量衡算等，得到动态精馏过程的数学模型，在一定的初始条件下经过求解，可以得到操作条件发生扰动使各个精馏过程参数随时间变化的历程，即动态响应。所有这些过程的最终目标是得到这些动态模型的解，然后就可以将这些影响精馏过程的因素综合起来，对精馏这一个化工工程工艺过程进行优化调节，使得我们进行生产的过程更经济，更合理！在精馏过程中很重要的是精馏塔设备的操作和优化，对塔设备的优化具有现实的经济意义，因为精馏过程的经济性主要取决于操作费和备费,而这二者的大小又与回流比有关。回流比的选择首先应根据物系特性和分离要求,其次应过经济权衡,使操作费和设备费的总和为最小。实际设计中往往难于计算出回流比R值,而是取经验数据,通常选取最小回流比1.12倍。随着能源价格的上涨,操作费用应增加,适宜回流比的选择就更为重要。目前有很多科研机构和大学都在研究这一方面，也提出了好多极其有参考价值的模型和优化方案。这一篇文章就是根局所学理论知识将其应用与化工生产实际，将化工生产中的精馏过程进行动态模拟，得到一个关于精馏过程的动态模型。其中模型中有微分方程和偏微分方程，利用龙格库塔法，并使用计算机编程和Excel将所建模型中的未知参数求出，然后将所得结果应用于工业实际，进一步对所研究的精馏过程中的多个参数进行调整，进行调优，可以得到在操作范围内的最佳回流比，最终达到优化整个精馏动态过程，缩短达到稳定所需要的时间,降低生产和操作费用的目的。二 精馏的流程模型的建立在实际生产中整个精馏过程是一个比较复杂的过程，其具体的精馏流程见下图：在具体的求解过程中我们可以应用序贯模块法，面向方程法，联立模块法来对整个流程进行模拟，分析，计算，优化。由于序贯模块法比较直观,而且对于只有一个回路的模块解决起来比较容易,主要是利用迭代求解,所以对整个过程采用序贯模块法进行模拟.由于整个流程中精馏塔的操作是控制步骤，而且其动态特性的变化会影响整个过程，所以我们优先对精馏塔的动态特性（开，停工）进行了模拟与分析。 全凝器 精 馏 塔 贮罐 预热器 泵 泵 列管式冷却器再 沸器 开停工动态数学模型的建立： 分析：实际的精馏过程是一个复杂的动态过程，由于建立模型是所作的假设不同，动态精馏过程数学模型的简繁程度也不同，模拟的计算结果与实际情况之间有大小不同的偏差。在进行模拟求解的过程中,我们可以把整个精馏塔的每一块塔板当成一个理想的mixed flow reactor。本文主要运用最常见的机理模型来进行分析与优化。遵循的规则是通过对塔顶冷凝器，塔底再沸器及全塔进行机理分析建立逐板物料衡算方程，能量衡算方程，相平衡方程，应用归一化的方法得到如下的机理模型：为了简化模型，首先进行一些必要假设基本假设： i）每块塔板上汽相与液相分别为理想混合，因而两相都可以采用集中参数模型； ii）两组分的摩尔汽化潜热近似相等，汽相和液相在沿塔轴向运动过程中，显热变化对热量衡算的影响以及热损失的影响均可忽略不计； iii）整个塔中苯对甲苯的相对挥发度保持恒定； 图 1图1是精馏塔示意图，塔内共有N-1块塔板，以J表示塔板序号，自上而下，将冷凝器和塔顶储罐作为一块塔板将再沸器和塔釜作为第N块塔板。进料中含有苯和甲苯两种组分。每块塔板均有出料或进料，与外界热量交换可忽略不计。 iv）塔内压力恒定； v）离开每一块塔板的汽液两相处于平衡状态； vi）每块塔板上的持液量远大于持汽量，后者及其变化可以忽略不计； vii）每块塔板上的液相充分混合且温度分布均匀； viii）塔板间汽液相的传递滞后忽略不计 xi）忽略再沸器和冷凝器的动态行为即能量平衡方程为拟稳态的； 根据基本假设可推出任意两块塔板上升蒸汽量恒定的结论，即恒摩尔流假定。 全凝器及馏出罐总物料衡算dMD/dt=V-F(1-q)-Ln-D 全凝器及馏出液罐易挥发组分物料衡算d（MDXD）/dt=VY1-（LR+D）XD 第n块板总物料衡算dMn/dt=Ln-1-Ln 第n块板易挥发组分衡算 d（MnXn）/dt=Ln-1Xn-1-LnXn+V（Yn+1-Yn） 离开第n块塔板汽液相平衡关系Yn=f（Xn）=X/1+（-1）X 对于加料板，与第n块塔板相似可得到下列守衡关系d（MF）/dt=LF-1-LF+F d（MFXF）/dt=LF-1XF-1-LFXF+FXF+V（YF+1-YF） 再沸器及塔底总物料衡算dMB/dt=LN-V-B 再沸器及塔底易挥发组分衡算d（MBXB）/dt=LNXN-VYB-BXB 离开再沸器的汽液相浓度关系YB=XB/1+（-1）XB 再沸器热量衡算V=Q 此外，根据流体动力学原理，还可以得到每一块塔板上经降液管回流的液体量与该板上的持液量的函数关系：Ln=（Mn）塔板水力学公式： =800Kg/m3 Aj=0.66m2 Hw=0.05m L=0.9m 代入数据得 归一化：yin=1 具体迭代过程如下： 开始 给定Q，F，D，B；赋M，X值 计算Y计算F，L 为T迭代设定 初始值Yin=1求解常微分方程初值问题 结束XDXD设计值XBXB设计值是 否苯和甲苯的物性：温度 相对密度 饱和蒸汽压 汽化焓相对挥发度 苯甲苯 苯 甲苯 苯 甲苯810.76331 0.82501104.16440.185397.746383.0922.592820.761390.82432107.39241.582396.699382.3802.583830.75950 0.82364110.69743.019395.610381.6692.573840.75600.82295114.08144.494394.606380.9572.564850.7557210.82227117.54646.011393.475380.2452.555860.753820.82158121.09247.568392.596379.6172.546870.751930.82089124.72249.168391.508378.8642.537880.750040.82021128.43550.810390.377378.2772.528890.748150.81952132.23452.496389.247377.5242.519900.746260.81883136.12054.227388.116376.8122.436910.744360.81815140.09456.003387.488376.1842.502920.742470.81746144.15757.825386.860375.5562.493930.740580.81677148.31259.694386.232374.9282.565940.733460.81609152.55861.611385.604374.3002.476950.736800.81540156.9063.577384.976373.6722.468960.734910.81471161.33365.593384.348371.7692.459970.733020.81403165.86567.659384.055371.1602.452980.731120.81334170.49369.777383.302370.9502.465990.729230.81265175.21171.946382.589370.7412.4351000.721340.81197180.04974.170381.836370.5322.4281010.725450.81128184.97976.447380.915370.1132.4191020.723560.81059190.01378.780379.994369.6942.4121030.721670.80991195.15081.168379.073369.2762.4041040.721960.80922200.39483.613378.152368.8572.3971050.717890.80853205.74786.117377.231368.4382.3891060.715990.8078211.20588.680376.310368.0202.3821070.714100.80716216.77691.301375.388367.6012.3741080.712210.80647222.45893.994374.467367.1822.3671090.700320.80579228.25396.729373.546366.7632.3721100.708430.80510234.16299.536372.625360.3452.352三 求解及分析首先我们对开停工过程进行了求解，然后在此基础上通过对模型参数塔釜加热量Q，进料热状况q，回流比R分别进行调整，根据所得数据作出了相应的图形，然后结合数据和图形作了具体的分析，通过各种情况的比较，可以得出哪些工艺条件的改变对整个过程具有决定性的影响。以下是对此过程的分析：qRQ-1.871000000-2.11500000-2.62000000以下是我们分别对塔顶、精馏段、进料板、提馏段、塔釜的持液量与时间，和组成与时间变化情况的讨论。其中精馏段是以第三块塔板为例，进料板是第五块板，提馏段是第八块板。（一）1、q对塔顶持液量的影响q=-0.5-0.3-0.1MnMnMn45454547.5246.62445.72850.0448.24846.45652.5649.87247.18455.0851.49647.91257.653.1248.6460.1254.74449.36862.6456.36850.096当q0时处于过热蒸汽进料，从图和数据可以得出进料热状况对持液量的影响比较大。蒸汽的焓值越大，其影响越大，从整体上来看持液量先增大后达到稳定，q越大达到稳定所需要的时间越短。q对精馏段持液量的影响MnMnMn34.3346534.3346534.3346534.9681634.9681634.9681635.6132335.6132335.6132336.283436.283436.283436.9967836.9967836.9967837.7754437.7754437.7754438.6448138.6448138.6448139.6327139.6327139.63271从图和数据可以看出在q0其值的变化对精馏段塔板的持液量的影响非常小，更准确地说q值的改变，塔板上的持液量保持不变，对开工达到稳定的时间几乎没有什么影响。q对进料板持液量的影响MnMnMn34.3346534.3346534.3346533.0977633.8444334.591131.9174433.3939134.8687930.7896332.9831435.1685929.7105932.6123235.4913528.6767732.2818535.8378927.6846831.9923636.20907q值对进料板的持液量的影响刚开始变化比较缓慢，对于不同的q值起初的变化比较缓慢，随着时间的增加其影响逐渐明显，同样q值越大达到稳定所需要的时间越短。q对提馏段持液量的影响MnMnMn34.3346534.3346534.3346534.9718734.9718734.9718735.6207735.6207735.6207736.2815536.2815536.2815536.9542736.9543436.9544137.638837.6391237.6394838.334838.3357738.33685从图可以看出，q对提馏段持液量的影响与精馏段的影响几乎一致，持液量随着时间而逐渐变大，理论上应达到稳定但实际上由于许多因素的限制并未达到这一结果。而且q值的变化并不是很大所以不同情况下它的持液量保持不变。q对塔底持液量的影响mnmnmn34.22234.22234.22229.0067229.0067229.0067223.7217823.7217823.7217818.367518.367518.367512.9442912.9442912.944297.4525457.4525457.4525451.8927361.8927361.892736q值对塔釜持液量的影响不是很明显，从图上可以看出塔底持液量随着时间的增长而急剧下降最后趋于零。出现这种情况的原因可能是因为：因为塔釜是处于精馏塔的最后部位，所以工况的改变对其的影响最弱。2、q对塔顶持液量的影响MnMnMn45454544.38443.0441.69643.76841.0838.39243.15239.1235.08842.53637.1631.78441.9235.228.4841.30433.2425.17640.68831.2821.8720q1属于过冷液体进料，从图中可以看出随着时间的增长，塔顶的持液量急剧下降且持液量与时间的函数关系近似为一直线随着q的增加，持液量的下降趋势明显加大。q对精馏段持液量的影响MnMnMn34.3346534.3346534.3346534.9681634.9681634.9681635.6132335.6132335.6132336.283436.283436.283436.9967836.9967836.9967837.7754437.7754437.7754438.6448138.6448138.6448139.6327139.6327139.63271此范围内q值对塔顶持液量的影响趋势同以上范围内的q值一样，且数值比较接近，可见在一定范围内改变q值对同一块塔板的影响并不是很大。q对进料板持液量的影响MnMnMn34.3346534.3346534.3346539.071139.8177640.5644343.6879345.1532446.6173648.1424450.284952.4223352.4047455.1743957.9319856.4548559.7969263.1165660.280964.1385167.96028 从图中可以看出随着时间的增加塔板的持液量也缓慢增加，在初始阶段，q值的影响并不是很明显，但是过了初始阶段q值的影响很明显的表现了出来。同前面的相比，持液量的范围变化更大。q对提馏段持液量的影响MnMnMn34.3346534.3346534.3346534.9718734.9718734.9718735.6207735.6207735.6207736.2815536.2815536.2815536.9548936.9549836.9550837.6420937.642637.6431338.3452538.3469438.34872 从图和数据可以看出在小范围内变化q值塔板持液量的变化非常小，其总的增长趋势是随着时间的延续持液量加大。q对塔釜持液量的影响mnmnmn34.22234.22234.22229.0067229.0067229.0067223.7217823.7217823.7217818.367518.367518.367512.9442912.9442912.944297.4525457.4525457.4525451.8927361.8927361.892736同以上几种情况的q值改变相比，塔釜持液量的变化趋势几乎保持一致，而且数值上也没有太大的变化，可见塔釜对q制的改变相应并不是很灵敏。（一）1、q对塔顶产品组成的影响Xdxdxd0.750.750.750.8238320.81983230.81582360.8703320.8658670.86123080.900470.89673310.89277110.9205030.91775440.91482560.9341220.93227910.93034630.9435680.94245020.94133670.9502390.94966160.9491657 首先塔顶产品组成随着时间的变化而逐渐增加最后趋于稳定，从数据表格中可以看到q值越小其得到产品的纯度越高，达到稳定所需求的时间几乎相同。在此范围内改变q值对缩短开工时间不会达到很好的效果。q对精馏段产品组成的影响X1X1X0.5643410.5670870.5698330.5415580.5457180.5499380.5265380.531490.5365590.5156630.521230.5269420.506960.5131460.519480.4995390.5063930.513384以第三块板为例，离开板的液相组成随着时间的变长而逐渐下降最后达到一个稳定的状态。从上面的数据通过对比可以得到q值越大，离开塔板的液相组成也大，这样不利于塔顶产品的纯度要求。q对进料产品组成的影响XfXfXf0.430.430.430.401520.4060060.4104790.3801530.3901040.3995590.3640230.3802530.3949180.3513740.3746530.3946120.3406280.3717750.3970690.3303690.370340.401038 从图的变化趋势可以看出进料板的组成随着时间的变长而缓慢下降进而达到为稳定。同上图相比改变q，进料板上的液相组成变化稍微加大，但达到稳定的时间没什么大的差异。q对提馏段产品组成的影响X1X1X0.1630590.1630590.1630590.1362240.1362240.1362240.1174290.1174290.1174290.1050160.1050010.1049870.0976930.0976150.0975420.094480.0942350.094013在这一组q值的变化过程中，提馏段的组成变化趋势同其他几块板相比变化的坡度比较大，说明进料热状况对进料板的液相组成来说是一个敏感参数。总的来说达到稳定所需要时间近似不变。q对塔釜产品组成的影响 x1x1x10.070.070.070.06780.06779980.06779980.0652550.06525490.06525490.0624930.06249310.06249310.0596450.0596450.0596450.0568060.0568060.0568060.0540450.05404490.054045同以上的图相比，塔釜的产品组成随时间变化不是一条平滑的曲线而是一条直线，随着时间的增长缓慢下降。对于不同的q值其最终的产品组成相同且精馏塔的分离能力相当高。2、q对塔顶产品组成的影响xdxdxd0.750.750.750.80979470.80374660.79767940.85393240.84618570.83794570.88635290.87927670.87142050.91004570.90471920.89872580.92726950.92397610.92048470.93972260.93829510.93732080.94867590.948730.9498588 在此范围内改变q，q值的影响很小，从数据中可以看到，随着q的增加，塔顶产品组成在所测的大部分时间略有减小，但最终状态是q较大，所得产品纯度较高；从图形中可以看出，在这三种情况下，达到稳定所需要的时间基本上没有大的差异。q对塔精馏段组成的影响X1X1X0.5739520.578070.5821890.556380.5629570.5696670.5443860.5524890.5608780.5357950.5450140.5546250.5292810.5394820.5501260.5241580.5353260.546944对于汽液混合进料，改变进料热状况，产品的组成在刚开工阶段差别很小，三段曲线之间的距离很小，到了后半段时间其间的差异可以明显地从图中看出来。其主要变化趋势是随着时间的变化，组成缓慢下降，最后趋于稳定比较符合生产情况。q对进料板组成的影响XfXfXf0.430.430.430.4171650.423820.4304470.4128880.425280.4368230.4144210.4314130.4463250.4196670.4401890.4572460.4270650.4502260.4685370.4354630.4605940.479554随着时间的增长，进料板液相组成逐渐增大，其变化趋势较上图也比较明显，所以可以这么认为进料板是一块灵敏板；q值越大，板的组成变化越急剧而且最终的组成也越大，这样不利于满足产品所要求的精度，所以此种情况下的进料，较小的q有利于达到生产要求。q对提馏段产品组成的影响X1X1X0.1630590.1630590.1630590.1362240.1362240.1362240.1174290.1174290.1174290.1049670.1049480.104930.0974420.0973520.0972730.0937210.0934740.093269 根据图形我们可以得到，提馏段的变化趋势同精馏段的变化趋势一致但其组成的变化速度先快后慢最后趋于稳定，从数据可以看出，不论是哪一种q值情况下其分离效果都比较好，但对于较小的q值的变化所对应的三种情况下的板的组成差别很小，且几乎同时达到稳定。在0q1时就没有必要通过调整q来缩短开停工的时间。q对塔釜产品组成的影响x1x1x10.070.070.070.06779980.06779980.06779980.06525490.06525490.06525490.06249310.06249310.06249310.0596450.0596450.0596450.0568060.0568060.0568060.0540450.05404490.0540447 从图上可以直观地看出塔底产品的组成随时间的变化成线性关系，随着时间的延长缓慢下降最后几乎达到稳定。总体上看最后的稳定状态值基本上一致且获得的分离程度比较合乎要求。所以改变q值对塔底产品纯度的影响很小。 3、q对塔顶产品组成的影响xdxdxd0.750.750.750.7915930.78752440.78344730.8291610.82297380.81649910.8626280.85614640.84908250.8919010.88677850.881090.9168740.91450510.91234560.937410.93877860.94250710.9533350.95865130.9705949 总的来看，塔顶产品组成随着时间增加而缓慢增加最后接近稳定。对于过冷液体进料，q值的变化在前面主要阶段中的影响不是很明显，但是从数据中可以发现在最终状态q值越大，产品的组成越高，所以适当的加大q值有利于得到高纯度的产品。q对精馏段产品组成的影响X1X1X0.5863080.5890540.5917990.576510.5811460.5858390.5695610.5755170.5816090.5646560.5715890.5787290.5612610.5689810.5769550.5590750.5674820.576167 同0q1的情况相比其变化的趋势略缓慢，且同前面的两种进料状况相比，随着q值的增加，塔板上的液相组成均增大。在此种情况下的进料，q值越小比较容易达到稳定。q对进料板组成的影响XfXfXf0.430.430.430.4370440.4414260.4457960.4475950.4543820.4608760.4594970.4674470.4748120.4716030.4799560.4874870.483290.4915960.4989080.4942240.5022330.509127 从图中可以看出随着时间的增加，进料板上的液相组成快速增加最终也没有达到稳定状态。同时也可以看出较大的q值在不同的时间点下所对应的塔板组成也较大。所以在改变进料热状况时应特别注意其对进料板的影响。q对提馏段组成的影响X1X1X0.1630590.1630590.1630590.1362240.1362240.1362240.1174290.1174290.1174290.1049130.1049020.1048920.0972040.0971630.0971260.0931020.0930110.092935 在小范围内变化q值对提馏段的影响从图中几乎看不出来，均随着过程的进行而逐步降低；从数据中可以发现不同的进料热状况时后半阶段的板上组成有了微小的变化，但不到万分之十。所以在考虑通过改变进料热状况来提高产品的纯度时，精馏短的塔板的影响可放在最后考虑。q对塔釜组成的影响x1x1x10.070.070.070.06780.06779980.06779980.0652550.06525490.06525490.0624930.06249310.06249310.0596450.0596450.0596450.0568060.05680590.05680590.0540440.05404430.0540441 同q=1时的原始数据所做出的塔釜组成随时间的变化关系相比,其值基本上没发生变化，随着时间的延续，其值缓慢下降，最后达到稳定。这是因为进料热状况的改变对全塔的影响从上到下逐步减弱，以致以到了塔底对其的影响微乎其微。（二）1、R对塔顶持液量的影响92929290.690.0488.9289.288.0885.8487.886.1282.7686.484.1679.688582.276.683.680.2473.5282.278.2870.44由图示的塔顶持液量与回流比的关系，可以看出回流比越大时持液量随着时间减小的越明显。物料刚进塔时受外部操作条件的影响比较显著，改变回流比的值可以改变持液量的大小。R对精馏段持液量的影响34.3346534.3346534.3346534.9681634.9681634.9681635.6132335.6132335.6132336.2774336.2785836.2809436.9701936.9752336.9857337.7024537.7161437.744938.4863638.5158138.5780939.3348439.3897539.5066由图示的精馏段持液量与回流比的关系，可以看出当时间参数增大时持液量也增加，但回流比的增加对其影响不是很明显，只有微小的改变。R对进料板持液量的影响34.3346534.3346534.3346538.6977638.6977638.6977642.9548242.9548242.9548247.0692747.0692747.0692751.015251.015251.015254.7749954.77554.77558.3378358.3378558.33789 由图示的进料板持液量与回流比的关系，可以看出当时间参数增大时持液量也随之增大。物料进入的量使塔板上聚集的液料越来越多。但是，回流比对持液量的影响不是非常明显。 R对提馏段持液量的影响34.3346534.3346534.3346534.9718734.9718734.9718735.6207735.6207735.6207736.2815536.2815536.2815536.9548536.9548536.9548537.6418437.6418437.6418438.3444338.3444338.34443 由图示的提馏段持液量与回流比的关系，可以看出当时间参数增大的同时持液量也显著增大，与精馏段持液量同回流比的关系有所不同。此时，回流比对持液量的影响甚小。34.22234.22234.22229.0067229.0067229.0067223.7217823.7217823.7217818.367518.367518.367512.9442912.9442912.944297.4525457.4525457.4525451.8927361.8927361.892736R的改变对塔底持液量的影响由图示塔底的持液量与回流比的关系可发现，回流比对持液量的影响很小。而当时间参数发生变化时，持液量也相应变化，两者近似成线性关系。后者随前者的增大而减小。最后持液量达到0的极小值。增大而减小2、R对塔顶组成的影响0.750.750.750.7664320.7674390.769450.781870.7838430.7877920.7963610.7992520.8050510.8099480.8137070.8212540.8226740.8272440.836426由图示的塔顶组成与回流比的关系，可以看出随着时间参数的增加，回流必增大对塔顶组成有一定的影响，即后者随前者增大而增大。尤其是时间过半后，组成急剧增加。R对精馏段组成的影响0.5849350.5849350.5849350.5745620.5744920.5743530.5676230.5674230.5670270.5631650