減壓蒸餾塔的模擬與研究

廖恒易

（廣東華特氣體股份有限公司，廣東 佛山 528241）

減壓蒸餾塔的模擬與研究

廖恒易

（廣東華特氣體股份有限公司，廣東 佛山 528241）

結(jié)合實(shí)際工作對(duì)減壓蒸餾塔的實(shí)際工作結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行淺析，采用蒸餾塔的基本裝置分塊化模擬分析的方式，將減壓蒸餾塔拆分為多個(gè)復(fù)雜吸收以及閃蒸過(guò)程，按照模塊法對(duì)其進(jìn)行求解和研究。本文根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行蒸餾塔的裝置模擬和優(yōu)化，建立過(guò)程相應(yīng)的研究分析系統(tǒng)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)減壓蒸餾塔的實(shí)際運(yùn)行提供一種在線參考的模擬分析。

減壓蒸餾塔；仿真；模擬

減壓蒸餾塔在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用得相當(dāng)廣泛，分類也五花八門(mén)，而對(duì)各類減壓塔運(yùn)行的狀況模擬和研究卻是業(yè)界研究的熱點(diǎn)和關(guān)注的重點(diǎn)。本文將結(jié)合實(shí)際對(duì)其進(jìn)行模擬研究，設(shè)定前提條件為：避免蒸餾材料發(fā)生分解反應(yīng)，盡可能通過(guò)測(cè)線拔出減壓的餾分。

基于以上的前提條件，減壓蒸餾塔必須是一種特殊結(jié)構(gòu)的填料塔，其進(jìn)料是必須在實(shí)際應(yīng)用中分別經(jīng)過(guò)減壓爐的加熱部分氣化的原料，塔內(nèi)的汽相為連續(xù)相，液相則為非連續(xù)相。與此同時(shí)，測(cè)線產(chǎn)品可以分為減一線到減多線的多種狀態(tài)，以石油蒸餾為例全部從集中器采出，塔頂則抽出減頂汽油，塔釜排出渣油，并且采用多測(cè)線抽出，塔內(nèi)多段換熱。相關(guān)前期研究表明，由于減壓蒸餾塔的產(chǎn)品多是催化裂化以及氫裂化的基礎(chǔ)原料，因此產(chǎn)品并沒(méi)有非常嚴(yán)格的分離需求，塔內(nèi)氣液負(fù)荷整體呈現(xiàn)出變化大，熱段間零液體流量的現(xiàn)象。另一方面，由于塔內(nèi)氣體流量隨著塔高的增大而減小，因此業(yè)內(nèi)較為有名的研究算法如BP、Tomich、SR等都采用各級(jí)溫度和各級(jí)流量作為迭代變量，這些算法在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，但是卻對(duì)整個(gè)減壓塔進(jìn)行求解容易出現(xiàn)由于校正流量而出現(xiàn)迭代負(fù)值，進(jìn)而導(dǎo)致迭代算法的失敗，因此真正的減壓蒸餾塔模擬需要獨(dú)特而改進(jìn)過(guò)的算法對(duì)其進(jìn)行研究。

當(dāng)前普遍認(rèn)為，燃料型減壓塔是在閃蒸階段是無(wú)換熱、無(wú)上段回流的，并且總體上表現(xiàn)出各中段換熱，無(wú)上段回流且不精餾。這是一種一級(jí)氣液的平衡，由于外部的持續(xù)循環(huán)取熱可以看作是一個(gè)等溫閃蒸過(guò)程。因此，蒸餾減壓塔可以作為一種絕對(duì)閃蒸過(guò)程和多級(jí)等溫閃蒸過(guò)程的結(jié)合。當(dāng)然，根據(jù)上述假定進(jìn)行研究計(jì)算出各個(gè)換熱的具體熱負(fù)荷，并不能模擬出循環(huán)冷凝液流量。反之，采用有循環(huán)回流的等溫閃蒸模型，雖然可以解決循環(huán)冷凝液流量的計(jì)算卻無(wú)法模擬中段換熱的氣液負(fù)荷變化。因此，兩者在實(shí)際工作中必須進(jìn)行進(jìn)一步地有效結(jié)合探討。

1.減壓蒸餾塔的模擬算法設(shè)計(jì)

1.1 算法設(shè)計(jì)

綜上所述，結(jié)合實(shí)際減壓蒸餾塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其模擬算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)而言之，可以利用常規(guī)壓塔的模擬計(jì)算類似的單元模塊結(jié)合，將上述的干式操作減壓蒸餾塔的工作過(guò)程拆分為一個(gè)閃蒸過(guò)程和多個(gè)復(fù)雜的吸收過(guò)程的串聯(lián)。與此同時(shí)，算法將單元模塊里面的各個(gè)中段作為吸收過(guò)程，利用經(jīng)過(guò)外部取熱而過(guò)冷的原料對(duì)下一段上升的氣體進(jìn)行吸收，這在算法設(shè)計(jì)上是一個(gè)可以不斷循環(huán)、不斷收斂的過(guò)程。具體的收斂子算法則可以通過(guò)實(shí)際的蒸餾原料進(jìn)行選擇，如一般的原料可以采用改進(jìn)的SR算法。該算法對(duì)運(yùn)行機(jī)器的硬件要求較低并且收斂速度較快，在現(xiàn)場(chǎng)仿真模擬中能有較好的成效。因此，在模擬計(jì)算過(guò)程中必須對(duì)加入的原料進(jìn)行閃蒸計(jì)算，通過(guò)基礎(chǔ)計(jì)算再逐步采用SR算法計(jì)算其減一線、減二線、減三線和減頂。

針對(duì)當(dāng)前主流的減壓蒸餾塔，算法可以劃分為16個(gè)主要的功能模塊，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的模塊化流程處理，用序貫?zāi)K算法進(jìn)行求解。假定其中兩相閃蒸器、換熱器、收斂器、復(fù)雜吸收塔以及物流傳輸器的計(jì)算都按照上述的單元計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，而分流器的計(jì)算方法則可以通過(guò)多個(gè)進(jìn)口物流結(jié)合，進(jìn)而分成多個(gè)出口物流，結(jié)合流量外的出口物流信息一致的情況將各個(gè)分流流量占總料的百分比通過(guò)模塊進(jìn)行參數(shù)輸入。

實(shí)驗(yàn)分析表明，該減壓蒸餾塔的模擬計(jì)算算法有一下的優(yōu)點(diǎn)：首先，算法由于模塊化設(shè)計(jì)調(diào)整方案可以較為靈活，計(jì)算也比較方便，可以為整個(gè)工藝的生產(chǎn)過(guò)程提供優(yōu)化分析數(shù)學(xué)模型；其次，采用的算法由于在各段吸收和換熱中，汽液的負(fù)荷比較均勻，變化較為平穩(wěn)，因此對(duì)于解決吸收問(wèn)題較為顯著的SR算法能夠快速收斂、模擬出實(shí)際的運(yùn)行狀況，算法成效較為顯著；再次，由于在每一個(gè)中段中換熱不需要抽出的操作，因此可以避免上述的算法液相出現(xiàn)流量為零的情況，也就避免了上述由于流量的過(guò)分校正出現(xiàn)的負(fù)值，迭代的計(jì)算可以持續(xù)有效地進(jìn)行；最后，由于算法可以計(jì)算出各段內(nèi)沿著塔高的汽液負(fù)荷和循環(huán)冷凝液的具體流量，因此可以分析出汽液負(fù)荷在實(shí)際運(yùn)行中的變化規(guī)律。

表1　減壓蒸餾塔進(jìn)料的模擬沸點(diǎn)曲線數(shù)據(jù)表

1.2 算法仿真結(jié)果

根據(jù)上述的算法設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)入減壓塔地步的常底重料進(jìn)料進(jìn)行假組分割，與此同時(shí)按照上述的減壓蒸餾塔的信息流程進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)料常底重料的模擬實(shí)沸點(diǎn)蒸餾的具體數(shù)據(jù)表見(jiàn)表1。

1.3 流程策略及系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)施討論

通過(guò)流程分析，可以發(fā)現(xiàn)流程的主要設(shè)備模塊之間并沒(méi)有直接聯(lián)系的循環(huán)物流，只有模塊內(nèi)部有相關(guān)的交錯(cuò)影響物流，因此我們可以在流程模擬上通過(guò)解算策略選用序貫?zāi)K法將模塊逐一求解。與此同時(shí)，對(duì)減壓蒸餾塔中的脫后換熱器、常減蒸餾加熱等相關(guān)設(shè)備而言只需要對(duì)原料進(jìn)行物料的權(quán)衡計(jì)算和熱量的權(quán)衡計(jì)算即可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一物流計(jì)算；而在模擬分組上，可以將系統(tǒng)進(jìn)行多組分物流，按照上述模擬算法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)求解。相關(guān)研究顯示，對(duì)常底重油進(jìn)行二次切割后再進(jìn)行算法模擬效果較為顯著。從理論上分析也不難得出，如果對(duì)原料進(jìn)行僅一次的細(xì)切割，由于流程計(jì)算過(guò)程中假組分次數(shù)越多算法運(yùn)算的速度也就越低，這無(wú)論從效率還是準(zhǔn)確率來(lái)說(shuō)，算法成效都是相對(duì)較差的。

算法的仿真和模擬可以對(duì)實(shí)際工作帶來(lái)更多的優(yōu)化和改進(jìn)?；谏鲜龅姆抡婺M和算法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得出在減壓蒸餾裝置中，利用模擬算法分析，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)的操作條件，發(fā)揮相關(guān)裝置的功能提高產(chǎn)品的拔出率、降低產(chǎn)品的能耗和成本。這也是減壓蒸餾裝置的優(yōu)化目的所在。

實(shí)際工作中，由于生產(chǎn)者需要獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)常選取輕組分的拔出率，而影響拔出率的因素有很多，例如出口溫度、回流比、塔的操作壓力等等。在權(quán)衡生產(chǎn)質(zhì)量和拔出率的過(guò)程中不可避免需要進(jìn)行最優(yōu)解的求解，因此可以簡(jiǎn)單將其演變?yōu)樽顑?yōu)問(wèn)題的求解，將上述的影響因素設(shè)置成為優(yōu)化問(wèn)題的約束條件，在一定的工作范圍內(nèi)求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

在系統(tǒng)的實(shí)施上，由于采用分組的SR算法設(shè)計(jì)，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)的運(yùn)行環(huán)境要求也較為簡(jiǎn)單，一個(gè)普通的計(jì)算機(jī)WINDOWS系統(tǒng)即可滿足條件。在軟件上可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量繼續(xù)深化校正系統(tǒng)的過(guò)失，使其更加符合能量平衡和物料平衡。系統(tǒng)模擬優(yōu)化數(shù)據(jù)可以通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入和存儲(chǔ)，以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取和后期維護(hù)的查詢，相關(guān)軟件設(shè)計(jì)由于篇幅所限此處不贅述。

結(jié)語(yǔ)

本文淺析了減壓蒸餾塔的工作原理，并對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，建立起較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)仿真模型，采用了模塊化流程組合發(fā)對(duì)減壓蒸餾塔的運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)的模擬和仿真。實(shí)驗(yàn)將減壓蒸餾塔分為兩相閃蒸器、復(fù)雜蒸餾塔和復(fù)雜吸收塔等多個(gè)單元模塊，并通過(guò)改進(jìn)的SR算法對(duì)各個(gè)模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和仿真計(jì)算。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)閃蒸和改進(jìn)型的SR算法的結(jié)合模擬計(jì)算，收斂性較強(qiáng)、計(jì)算速度較快、模擬吻合度也較高，可以在實(shí)際工作中進(jìn)行進(jìn)一步地研究和探討，甚至應(yīng)用于新設(shè)備的研究。

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