常压蒸馏塔模拟分析

常压蒸馏塔模拟分析文章编号：!""#$!%&#（’""(）"’$""%"$"& 常压蒸馏塔模拟分析孔玲!，周传光’，金思毅’，赵文’，夏茂森(，李国富( （! )山东理工大学，山东淄博 ’&&"*+；’ )青岛科技大学，山东青岛 ’,,"*’； ( )齐鲁石化公司，山东淄博 ’&&*""）摘要：根据常减压炼油装置在线模拟分析与优化控制的需要，研究了常减压蒸馏塔模型建立及求解方法，设计开发成功该装置的严格在线模拟分析优化系统 ) 结合实际工艺流程，通过研究分析原油常压蒸馏塔的结构特点，提出了模拟常压蒸馏...

文章编号：!""#$!%&#（’""(）"’$""%"$"& 常压蒸馏塔模拟分析孔玲!，周传光’，金思毅’，赵文’，夏茂森(，李国富( （! )山东理工大学，山东淄博 ’&&"*+；’ )青岛科技大学，山东青岛 ’,,"*’； ( )齐鲁石化公司，山东淄博 ’&&*""）摘要：根据常减压炼油装置在线模拟分析与优化控制的需要，研究了常减压蒸馏塔模型建立及求解方法，设计开发成功该装置的严格在线模拟分析优化系统 ) 结合实际工艺流程，通过研究分析原油常压蒸馏塔的结构特点，提出了模拟常压蒸馏装置的模块法收敛求解新策略，即把该装置分解为精馏、吸收、闪蒸等模块的流程组合，克服了现有模拟方法的局限性，可方便地将已有的数学模型、解算方法等成熟模块应用于常压塔的模拟分析，准确有效地进行装置的严格在线模拟与优化 ) 关键词：炼油过程；常压蒸馏塔；序贯模块法；模拟分析中图分类号：-.,’ 文献标识码：/ !"#$%&’"() &)* +)&%,-"- (. ’/0 +’#(-1/020 3"-’"%%&’"() 4(502 0123 4567!，891: ;<=>6$7=>67’，?@2 A5$B5’，89/1 CD6’，E@/ F>G$HD6(，4@ 3=G$I=( （!) A<>6JG67 :65KDLH5MB GI -DN<6GOG7B，85PG ’&&"*+，;<56>；’)Q567J>G :65KDLH5MB GI AN5D6ND >6J -DN<6GOG7B， Q567J>G ’,,"*’，;<56>；()Q5O= RDMLGNO ;GST>6B，85PG ’&&*""，;<56>） +6-’2&7’：/ L57GLG=H G6$O56D TLGNDHH H5S=O>M5G6 >6J >6>OBH5H HBHMDS <>H PDD6 JDKDOGTDJ IGL MM5G6 TO>6M PB HM=JB567 MMM5N>O SGJDO GI M6M >6J 5MH >O7GL5MMD7B N>OODJ SGJ=OD NG6KDL7D6ND IGL MM5G6 GI MMSGHTM5G6 MGUDL 5H TLGTGHDJ ML>NMDL5HM5NH GI MNM=>O TLGNDHH >6J MH MM5G6 GI SGJ=ODH GI LDNM5I5N>M5G6，>PHGLTM5G6 >6J IO>H<567 DMN )，M<=H MM5G6 GI M6 PD JG6D NG6KD65D6MOB ) /6J MJK>6M>7DH GI MM5G6 SDMLD GKDLNGSD) -MD7B N>6 PD =HDJ DIIDNM5KDOB 56 MM5G6 >6J GTM5S5W>M5G6 GI M6M ) 80, 5(2*-：NL=JD G5O J5HM5OO>M5G6 TLGNDHH；MMSGHTM5G6 MGUDL；HDV=D6M5>O SGJ=OD SDMM5G6 >6>OBH5H 常减压炼油装置作为石油化工行业的龙头，其生产操作的稳定性、控制手段的可靠性、管理技术的先进性，对企业的效益影响很大 ) 近年来，随着常减压装置生产过程的在线优化控制技术的推广应用，如何利用高质量的装置操作数据，通过系统模拟与分析，确定装置的最佳操作条件，提高石化企业的经济效益和市场竞争力，成为企业迫切需要解决的课题 ) 为充分利用装置在线测量数据信息，优化操作参数，降低成本和能耗，提高管理水平，对工艺过程严格在线模拟分析技术的应用研究越来越受到人们的收稿日期：’""’$!’$"! 作者简介：孔玲（!+#*$ ），女，讲师，博士研究生 ) 第 !#卷第 ’期山东理工大学学报（自然科学版） XGO)!# 2G)’ ’""(年 (月 ?G=L6>O GI A<>6JG67 :65KDLM5HB GI -DN<6GOG7B（AN5 Y -DN<） F>L) ’""( 万方数据重视，已成为 !"#$的重要组成部分［% & ’］( 目前国内使用的几种化工流程模拟系统，如 )$#*+ #,-$、#./0!、*!$$等虽可用于原油加工过程，但需要有独立的运行环境，只能离线操作，不能直接用于装置的在线模拟分析［’ & 1，%2］( 本工作通过分析模拟优化技术的现状，结合常减压蒸馏装置实际工艺流程，建立了常压塔和减压塔的严格数学模型，提出了常减压蒸馏装置的模拟新策略，设计开发成功过程模拟分析系统，并在齐鲁石化公司某炼油装置上实现了严格在线模拟优化分析 ( 计算得到的模拟和优化数据既为实现装置的实时控制与优化操作打下了基础，又可作为在线数据校正系统的参考依据，用于过失误差的侦破与剔除，同时还可作为神经网络训练样本的数据来源［1，%3］( % 常压塔数学模型 ! (! 装置简介齐鲁石化公司某常减压装置建于 %423年，原油处理能力为每年 ’55万吨，主要加工孤岛原油，并根据孤岛原油含轻质油少的特点，采用了两段汽化蒸馏、不设初馏塔的工艺流程，可生产重整原料、汽油、灯油、航煤、轻柴、重柴、蜡油燃料油、沥青共九种产品 ( 轻质油收率约为 657，总拔出率约为 357［1］( ! (" 流程分析进料原油经脱前换热器、电脱盐设备、脱后换热器及常压加热炉加热至一定的温度，油汽和未汽化原油经转油线进入常压塔被分馏切割为数个馏分油，分别是常顶油（汽油）、常一线（煤油）、常二线（轻柴油）、常三线（重柴油）、常四线（过汽化油）和塔底重油等 ( 常压塔设有 %个塔顶冷回流、6 个中段循环回流和 % 个三段侧线汽提塔，这是一个具有多级多组分、多侧线、多股换热的复杂分离过程 ( 对于原油常减压蒸馏装置的过程模拟，其核心是常压塔和减压塔的建模和求解 ! 常规模拟方法是把原油分割成虚拟组分，然后对各平衡级建立各虚拟组分的物料平衡方程（" 方程）、相平衡方程（# 方程）以及各平衡级的热平衡方程（$ 方程）和摩尔分率归一化方程（% 方程），最后联立求解非线性 "#%$ 大型方程组，求得塔内汽液相物流的流率、组成、温度等逐板分布及各出口物流的温度、组成等［3］!目前对该方程组的求解方法大致有下述几种［2 & %’］( % (6 (% 逐板计算法这类算法的特点是将各类方程按板组合，逐板进行求解 ( ,89:; 和 <=>?8;@A 及 B?:8C8和 D8EE8;提出了适合于各类精馏计算的逐板数学模型 ( 为了避免 ,89:;0<=>?8;@A法在塔顶和塔底组分契合时所出现的负组分流，F=AA8G提出在组分修正时，只对轻组分和重组分进行，中间组分可作部分校正或完全不校正 ( 同时，,H;>8G为了加快收敛速度，在全塔物料平衡方程式中，引入校正因子!( 为了适合具有侧线提馏蒸馏塔计算的需要，I:JK8H和 !8J?8>>:修改了原!法的校正公式，采用了侧线提馏的校正因子 ( 由于逐板计算舍入的误差传播影响大，数值上不甚稳定，尤其是在复杂塔计算时较难收敛，计算时间长 ( 因此，逐板计算法的应用受到了限制 ( $=H=L=提出了一种新的逐板计算法，使用拉格朗日乘子将蒸馏计算转化为多塔板的优化问题，但该法的计算量较大 ( % (6 (6 矩阵法这种算法将方程组按类别组合，用矩阵法对各板同时求解 ( 常用的有三对角矩阵法、牛顿—拉普逊法等 ( 三对角矩阵法可分为流量加和法（$.法），泡点法（F#法）两种 ( $.法的计算速度较快，应用于烃类吸收过程和一些萃取过程颇有效，对于精馏过程不能保证其收敛性 ( F#法主要适用于烃类物系的精馏计算，对吸收塔则收敛性较差 ( 对于原油蒸馏这样多组分多级分离过程，该法具有较大的局限性 ( 牛顿—拉普逊法直接求解 % 和$ 方程组，收敛速度快，无需进行费时的泡点计算，但该法占用内存仍较大，且收敛性易受初值选取的影响 ( ,=AM #( 联合使用 F#法和 $.法，提出一种用于原油蒸馏的新方法 ( 该法的特点是在精馏段使用 %N第 6期孔玲，等：常压蒸馏塔模拟分析万方数据 !"法，提馏段和侧线提馏段使用 #$法 % 仿真表明该法具有良好的收敛性，对初值要求不高，通常 &’ ( )’次迭代后足以达到工程计算的精度要求 % 但在解的附近，该法收敛较慢 % * %+ %, -因子法该法不是用虚拟组分来进行计算，而以各侧线产品为基本“组分”，其计算特点是直接由塔段的热量平衡关系计算各侧线、循环回流及进料段的汽—液负荷，从而得到 -因子，并由 ./01234 提供的方法计算相邻侧线油品重叠度 % 由温度、压力校正后直接估算产品性能和塔的操作状况 % 该法计算简单、速度快、占用内存少，比较适合于实时仿真过程，但计算精度不高 % 综上所述，现有的方法受求解速度、模拟精度、运行环境等方面的限制，不能满足在线严格模拟与优化控制的要求 % 本工作结合实际工艺流程，通过研究分析原油常压蒸馏塔的结构特点，提出了模拟常压蒸馏装置的序贯模块法收敛求解策略［,，**，*+］，即把该装置分解为精馏、吸收、闪蒸等单元操作的模块组合，可方便地利用已有的严格数学模型、解算方法等成熟模块进行常压塔的模拟分析，克服了现有模拟方法的局限性，为准确有效地用于装置的严格在线模拟，进一步研究优化控制打下了基础 % ! %" 数学模型通过分析原油常压蒸馏塔设计和操作的特点，本文提出了单元模块组合法，即以流程模拟的思想来求解常压塔的新策略 % 该方法的基本思路是：将原油常压蒸馏塔划分为多个功能模块，则该塔可作为一般意义上的流程模拟，从而可用流程模拟的序贯模块法进行系统模拟分析研究 % * %, %* 原油经常压加热炉加热后，部分汽化，生成的油汽混合物再经常压转油线后进一步汽化，温度稍降，进入常压塔 % 该过程可视为一个两相闪蒸器模块，其闪蒸压力为油汽分压 % * %, %+ 入塔后汽相沿塔上升，液相沿塔下降，且含重组分较多 % 对常压塔底部来说，塔内无上部下流的液相（液相全部采出），塔底通入大量的过热水蒸汽以降低油汽分压，并汽提其中的轻组分；重组分进入塔釜，形成常底重油 % 所以常压塔的底部可作为一汽提塔，采用复杂吸收塔的方法（#$法）进行求解 % * %, %, 常压塔的中上部上升的汽相含轻组分较多，塔中有多股侧线采出及中段循环回流取热，采用复杂精馏塔的方法（!"法）进行求解 % * %, %5 侧线汽提塔作为汽提模块处理 % * %, %& 塔顶油汽经过冷凝冷却换热，部分液化，在受液罐中再经液液分层使油水分离 % 液相水循环使用（常顶注水），脱水后的常顶油冷回流入塔，移取大部分热量 % 未冷凝的油气再经冷凝冷却后形成产品油出塔 % 可将该过程视为一个三相闪蒸器模块，即产生液相油、液相水和气相油汽，并将液相油作为冷回流，气相油汽作为常顶油产品 % !*：两相闪蒸器 !+：复杂吸收塔 !,：收敛模块 !5：复杂精馏塔 !&：三相闪蒸器 !)：收敛模块图 ! 原油常压蒸馏模块化结构因此原油常压蒸馏模块化结构，共由 6个功能模块所组成 % 见图 * % ! %# 模型解算方法 * %5 %* 复杂精馏塔模型塔为复杂的多组分精馏塔，从上到下有 !" 块理论板，如塔顶为全凝器时，有 !" 7 *块理论板 # 每级均可有进料 $%，汽相采出 &’%，液相采出 &(%及中间进入或采出能流 )%，采用三对角矩阵法求解［8，*,］% * %5 %+ 复杂吸收塔采用新松弛法与流量加和法相结合的方法［*5］求解 % 该法与三对角矩阵法的不同之处在于 * 方程采用非稳态的物料衡算方程，以 & 方程求塔内流率，以 + 方程求温度 # *%5%, 闪蒸模块根据不同条件，可分别对汽液两相或汽液液三相进行定压定焓闪蒸、定温定压闪蒸等计算 % +8 山东理工大学学报（自然科学版） +’’,年万方数据 ! "# "# 收敛模块用于循环迭代的物流或能流计算，判断进出物流或能流是否已达收敛标准，计算迭代次数，并给出新的出口物流或能流 " ! "" 原油数据选取一组孤岛原油的实沸点曲线数据［!$］，见表 ! " 将该原油切割为 %& 个假组分，其原油整体性质的计算结果列于表 % " 表 ! 孤岛原油数据油样密度（%&’）() * +, 馏程试验各馏出体积的馏出温度（’） &- !&- ,&- $&- .&- /&- 孤岛原油 /!/", !,& %0, ,!& ,%! #%1 $,& % 常压塔模拟考核 % "! 模拟计算步骤 % "! "! 给定进料原油的实沸点蒸馏数据，物性数据及产品方案、产品规格要求，计算产品收率和产品物性数据 " % "! "% 根据原油处理量和产品收率，进行全塔物料衡算 " % "! ", 给定常压塔中段回流取热比，确定侧线抽出板温度、塔内汽液负荷初值 " % "! "# 对原油进行假组分切割，按照前述原油常压蒸馏塔的组合模块法流程进行计算 " 由求解过程可以看出，用该组合模块法流程进行严格计算，速度较快且易收敛，通用性强，结果合理，这说明本文提出的原油常压蒸馏塔的计算方法是可行的 " % "% 结果分析 % "% "! 产品物性数据：估算方法采用经验关联式和相应的列线图 " 由于缺乏塔底重油的蒸馏数据，重油的物性数据近似由油品加和推算得到 " 计算结果列于表 , " 表 # 原油整体性质表馏分油整体性质单位模拟计算结果中平均沸点密度特性因数临界温度临界压力偏心因子切割误差 2 () * +, 3 2 +45 3 3 0,.". /!/ ", !! ",% 1!/ "0 ! "$#0 & "0$1 1 & "!0- 表 $ 产品物性数据物料分子量模拟值文献值密度（%&’）) * 6+, 模拟值文献值常顶油常一线常二线常三线常底重油 !&0 !$$ %&. %1$ ,/. /$ !$% %!1 %/& — &".&, & "..! & "1!! & "1$/ & "/!, & ".&# & "1&& & "1%. & "1#1 & "/#% 产品物性数据的模拟值和文献值［!$］之间的平均相对偏差约为 ,- " % "% "% 产品收率和产量，计算结果列于表 # " 表 % 产品收率和产量物料收率 7- 模拟值文献值收率 8- 模拟值文献值产量 () * 9 模拟值文献值常顶油常一线常二线常三线常底重油 # "#1 0 "/$ 0 "$0 / "$# .% "#. # ",& . "%& . "%& / "1& .! "$& , "/! 0 "0# 0 "$/ !& "!$ .% ".! , "$! 0 "0. 0 "/! / "0# ., "%. !% ,#0 %& /.% %& 1!. ,% &0& %,. %&# !! !&& %! &#& %! 1&& ,& #&& %,! ,0& 可以看出，产品的产量与产率的模拟计算数据与文献数据［!$］吻合较好 " ,1第 %期孔玲，等：常压蒸馏塔模拟分析万方数据 ! "! "# 常压塔主要模拟结果，常压塔各馏分模拟结果见表 $ " 表 ! 常压塔计算结果产品项目物料衡算流量（%& ’ (）操作条件温度（)）压力（%& ’ *+!）物性数据密度（%& ’ +#）分子量常顶油常一线常二线常三线常底重油 , $-- , $,. #$ #/0 10 ,.! 00 2#- 1$$ 1// !#. !0. !0, 1"#, 1 "#0 1 "2$ 1 "$! 1 "/- 01# 0!# 00$ 0.# 1 --$ 1!/ 1## 10/ !-0 #2- 模拟计算结果表明，原油常压蒸馏塔产品馏分抽出温度的模拟值和文献值之间有一定的偏差，平均偏差约为 !3 " 这主要是由于进料原油的实沸点蒸馏曲线数据不全，只能估算和产品物性的模拟误差引起的 " 由以上的模拟计算过程与结果可知，本文提出的原油常压蒸馏塔的组合模块法模拟方法，方便实用，结果合理可靠，可用于该塔的在线模拟分析与优化，作为过程控制的参考依据 " # 结束语对常减压蒸馏装置中的关键设备常压蒸馏塔进行了分析研究，建立了严格的数学计算模型，提出以单元模块组合法对其进行求解的新策略 " 即将常压塔分为两相闪蒸器、复杂吸收塔、复杂精馏塔等单元模块，分别采用双向校正法闪蒸、45法和 67法结合解算原油常压蒸馏塔 " 考核结果表明本文提出的新策略收敛性好、解算速度快、能够较好地描述原油常压蒸馏塔的操作特性，可用于指导实际生产操作 " 参考文献：［1］庄芹仙 " 生产装置在线模拟与优化技术的应用［8］" 石油化工，1..$，!2（$）：##19##$ " ［!］周传光，韩方煜 " 常减压装置过程测量数据的校正［:］" 第八届全国化学工程论文报告会论文集，1../，11/1911/$ " ［#］周传光 " 基于过程模拟与神经网络的过程测量数据在线校正系统集成化研究［;］" 广州：华南理工大学，1..." ［2］杨友麒 " 化工过程模拟［8］" 化工进展，1../，02（#）：19, " ［$］杨友麒 " 实用化工系统工程［<］" 北京：化学工业出版社，1.0." ［/］青岛化工学院，齐鲁石化公司 " 常减压装置测量数据校正软件 5;76 鉴定材料，1...（内部资料）" ［,］6=>=+= ?" <@ABCDE& =EA 6F=&B9F@9GF=&B :@+HIF=FD@E @J ;DGFDCC=FD@E［<］" SICJ 5INCDG( :@"1.0. " ［11］汪学军 "常减压炼油装置过程模拟系统学位论文［;］" 青岛：青岛化工学院，1../" ［1!］孔玲，通用型过程测量数据校正与模拟优化系统开发学位论文［;］" 青岛：青岛化工学院，!---" ［1#］张一安，徐心茹 " 石油化工分离工程［<］" 上海：华东理工大学出版社，1..0" ［12］周传光，丁惠华 " 新松弛法与流量加合法结合模拟吸收过程［8］" 化学工程，1.0.，1,（1/）：#29#0 " ［1$］齐鲁石化公司，胜利炼油厂常减压炼油装置标定报告［7］" 1..0，（内部资料）" 20 山东理工大学学报（自然科学版） !--#年万方数据

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