塔段板效率可調(diào)的乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬

趙曉鷹 聶中文

(中國(guó)石油管道局工程有限公司)

塔段板效率可調(diào)的乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬

趙曉鷹 聶中文

(中國(guó)石油管道局工程有限公司)

提出一種板效率可調(diào)的乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬方法，將精餾塔分為5段，利用流程模擬軟件模擬各塔段板效率不同時(shí)，乙烯精餾塔的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。結(jié)果表明：板效率下降會(huì)導(dǎo)致乙烯精餾塔的分離效果降低，產(chǎn)品質(zhì)量下降。而且該結(jié)果能夠反映實(shí)際生產(chǎn)過程。

乙烯精餾塔 板效率 穩(wěn)態(tài)模擬 動(dòng)態(tài)模擬

符號(hào)說明

Aa——塔板有效面積，m2；

F——進(jìn)料量，kmol/h；

G——?dú)庀鄠?cè)線抽出流量，kmol/h；

H——焓值，kJ/kmol；

hw、lw——堰高、堰長(zhǎng)，m；

K——平衡常數(shù)；

L——下降液流量，kmol/h；

M——液相累積量，kmol；

p——壓降，Pa；

Q——外界換熱量，kJ/h；

S——液相側(cè)線抽出流量，kmol/h；

T——溫度，K；

V——上升氣流量，kmol/h；

x、y——液、氣相組成；

z——進(jìn)料組成；

ρ——密度，kmol/m3；

上角：

F、L、V——進(jìn)料、液相、氣相；

下角：

i、j——組分序號(hào)、塔板序號(hào)。

乙烯精餾塔是精餾塔中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、要求最嚴(yán)格的分離設(shè)備[1～3]，與一般精餾塔不同的是乙烯精餾塔需要側(cè)線抽出和中間再沸器，其操作和控制水平直接關(guān)系到乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量、回收率和能量消耗[4]。

乙烯精餾塔板效率是影響精餾效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，因此板效率成為精餾塔研究過程中的重點(diǎn)[5]。乙烯精餾塔板效率受到多方面因素的影響，李哲和吳劍華采用差分法對(duì)液體二維不均勻流動(dòng)、二維渦流擴(kuò)散模型進(jìn)行了求解，結(jié)果表明，漏液不均勻?qū)σ蚁┚s塔板效率具有重大影響[6]。錢建兵和朱慎林發(fā)現(xiàn)霧沫夾帶會(huì)導(dǎo)致液體在相鄰塔板間返混，這在傳質(zhì)中會(huì)極大地降低塔板效率[7]。張東平和吳祥芝通過建立在完全泡沫狀態(tài)和以泡沫為主的混合狀態(tài)下進(jìn)行蒸餾操作時(shí)的氣相夾帶板效率模型，推導(dǎo)出了Lewis在3種情況下的板效率計(jì)算式，討論了氣相夾帶對(duì)板效率的影響，并與FRI實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，氣相夾帶過大會(huì)導(dǎo)致板效率急劇下降，影響精餾效率[8]。

綜上所述，乙烯精餾塔在實(shí)際操作過程中，板效率會(huì)受到霧沫夾帶、漏液及氣相夾帶等因素的影響，操作條件不當(dāng)將導(dǎo)致板效率降低，進(jìn)而影響分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量。然而目前國(guó)內(nèi)外只局限于對(duì)板效率變化原因進(jìn)行研究，并沒有對(duì)板效率在線可調(diào)的精餾塔數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)?；诖?，筆者利用發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛的平衡級(jí)模型建立乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)機(jī)理模型[9～12]，通過流程模擬軟件gPROMS實(shí)現(xiàn)各塔段板效率可調(diào)的乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬，達(dá)到表征實(shí)際乙烯精餾過程的目的。

1 乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

乙烯精餾塔塔板氣液流動(dòng)示意圖如圖1所示，表明了塔內(nèi)傳質(zhì)傳熱過程和氣液相流動(dòng)關(guān)系。

利用平衡級(jí)模型建立乙烯精餾塔動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[13]：

(1)

(2)

相平衡方程yi,j=Ki,jxi,j

(3)

(4)

(5)

(6)

將水力學(xué)方程和各級(jí)總物料衡算方程代入熱量衡算方程，化簡(jiǎn)整理得到：

(7)

(8)

(9)

以上方程構(gòu)成了乙烯精餾塔動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。當(dāng)動(dòng)態(tài)方程中的各微分項(xiàng)等于零時(shí)，即為穩(wěn)態(tài)模型。

2 不同板效率的乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬

以某化工廠乙烯精餾塔為研究對(duì)象，應(yīng)用流程模擬軟件gPROMS建立該乙烯精餾塔的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行模擬。該乙烯精餾塔實(shí)際有127塊塔板，進(jìn)料包括甲烷、乙烷、乙烯和氫氣4種組分，采用側(cè)線抽出，且有兩個(gè)中間再沸器。該精餾塔以側(cè)線抽出板、進(jìn)料位置板和兩個(gè)中間再沸器為基準(zhǔn)進(jìn)行分段處理(圖2)，共分為5段，每段的實(shí)際塔板數(shù)r=[r1，r2，r3，r4，r5]=[9，65，10，18，25]，塔板效率e=[e1，e2，e3，e4，e5]，對(duì)應(yīng)的每段理論塔板數(shù)l=[l1，l2，l3，l4，l5]，三者之間的關(guān)系為li=ri×ei(i=1,2,…,5)。

圖2 乙烯精餾塔分段示意圖

該乙烯精餾塔前兩段[r1，r2]處于進(jìn)料以上構(gòu)成精餾段，后三段[r3，r4，r5]位于進(jìn)料以下是提餾段。因此，精餾段的板效率包括[e1，e2]，提餾段的板效率包括[e3，e4，e5]，各塔段板效率變化后，每段的理論塔板數(shù)將發(fā)生變化，進(jìn)而影響分離效果和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果

該精餾塔的理論塔板數(shù)為76，各塔段對(duì)應(yīng)的板效率e=[0.60，0.60，0.60，0.62，0.60]。

首先僅改變精餾段板效率[e1，e2]，得到的出料溫度、乙烯和乙烷摩爾濃度沿塔板的分布如圖3所示。其中，曲線1代表e=0.60，曲線2代表e1=0.70、e2=0.64，曲線3代表e1=0.50、e2=0.58。由圖3可知，精餾段板效率變化會(huì)影響全塔產(chǎn)品質(zhì)量。由圖3b可知，乙烯濃度最大約在第5塊理論板，這與實(shí)際的側(cè)線抽出相吻合。[e1，e2]變大，理論塔板數(shù)和板效率增大，精餾塔分離效果增強(qiáng)；[e1，e2]變小，理論塔板數(shù)和板效率減小，導(dǎo)致分離效果變差。因此，精餾段板效率可調(diào)的穩(wěn)態(tài)模擬可以表征實(shí)際情況。

圖3 不同精餾段板效率下各變量分布

僅改變提餾段板效率[e4，e5]，得到的精餾塔各變量沿塔板的分布如圖4所示。其中，曲線1代表e=0.60，曲線2代表e4=0.68、e5=0.64，曲線3代表e4=0.56、e5=0.56。

圖4 不同提餾段板效率下各變量分布

由圖4可知，提餾段板效率變化對(duì)精餾段產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。[e4，e5]增大，理論塔板數(shù)變多、總板效率變大、塔底溫度降低；[e4，e5]減小，理論塔板數(shù)變少、總板效率變小、塔底溫度升高。模擬結(jié)果符合實(shí)際精餾過程，可以表征實(shí)際情況。

2.2 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

各塔段板效率e=[0.60，0.60，0.60，0.62，0.60]，改變精餾段板效率，對(duì)該精餾塔進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

t=0時(shí)，在進(jìn)料量增加10kmol/h條件下不同精餾段板效率的各變量動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖5所示。在t=0時(shí)，下降液流量增加30kmol/h條件下不同精餾段板效率的各變量動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖6所示。其中，曲線1代表e=0.60，曲線2代表e1=0.70、e2=0.64，曲線3代表e1=0.50、e2=0.58。

圖5 不同精餾段板效率下進(jìn)料量增加時(shí)各變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6 不同精餾段板效率下下降液流量增加時(shí)各變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖5、6可知，進(jìn)料量增大和下降液流量增大均會(huì)導(dǎo)致乙烯摩爾濃度升高，乙烷摩爾濃度降低，出料溫度降低，分離效果增強(qiáng)。而且精餾段板效率變大，精餾塔分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量均提高，反之亦然。該動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果與實(shí)際精餾分離過程相吻合，可以表征實(shí)際精餾過程。

改變提餾段板效率[e4，e5]，保持精餾段板效率不變，進(jìn)料量增加10kmol/h時(shí)出料溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示?？梢钥闯?，提餾段板效率變化不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，因?yàn)楫a(chǎn)品在精餾段采出，而提餾段板效率變化只會(huì)改變提餾段理論塔板數(shù)，對(duì)精餾段產(chǎn)品質(zhì)量和分離效果影響不大。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過建立乙烯精餾塔平衡級(jí)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用流程模擬軟件，將該乙烯精餾塔分為5段，并進(jìn)行了各塔段板效率可調(diào)的精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬。結(jié)果表明，板效率增大會(huì)使出料板中乙烯摩爾濃度升高，出料溫度降低，分離精度提高；相反，板效率減小會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量。這與實(shí)際精餾過程相吻合，因此該塔段板效率可調(diào)的乙烯精餾塔穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果可以表征實(shí)際情況。

圖7 不同提餾段板效率下進(jìn)料量增大時(shí)的出料溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)

[1] 羅雄麟,左信,陳常恒,等.乙烯精餾塔軟儀表與先進(jìn)控制工程實(shí)踐[J].化工自動(dòng)化及儀表,2002,29(1):13～19.

[2] Angsana A,Passino K M.Distributed Intelligent Control of Flexible Manufacturing Systems[C].American Control Conference.San Francisco:IEEE Xplore,1993:1520～1524.

[3] Lee J H,Dudukovic M P.A Comparison of the Equilibrium and Nonequilibrium Models for a Multicomponent Reactive Distillation Column[J].Computers & Chemical Engineering,1998,23(1):159～172.

[4] 何仁初.基于多Agent的乙烯精餾塔智能控制研究[D].北京:中國(guó)石油大學(xué)(北京),2007.

[6] 李哲,吳劍華.漏液的不均布對(duì)塔板效率影響[J].遼寧化工,2003,32(2):76～79.

[7] 錢建兵,朱慎林.影響精餾塔板效率因素探討[J].化工時(shí)刊,2003,17(7):33～35.

[8] 張東平,吳祥芝.氣相夾帶對(duì)蒸餾塔板效率的影響[J].化工學(xué)報(bào),1991,(4):449～457.

[9] Radulescu G,Gangadwala J,Paraschiv N,et al.Dynamics of Reactive Distillation Processes with Potential Liquid Phase Splitting Based on Equilibrium Stage Models[J].Computers & Chemical Engineering,2009,33(3):590～597.

[10] 黃克謹(jǐn),錢積新.精餾塔通用動(dòng)態(tài)仿真軟件及其在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),1994,6(4):49～56.

[11] Krishnamurthy R,Taylor R.A Nonequilibrium Stage Model of Multicomponent Separation Processes.Part II:Comparison with Experiment[J].Aiche Journal,1985,31(3):456～465.

[12] Krishnamurthy R,Taylor R.A Nonequilibrium Stage Model of Multicomponent Separation Pprocesses.Part III:The Influence of Unequal Component-Efficiencies in Process Design Problems[J].Aiche Journal,1985,31(12): 1973～1985.

[13] 羅雄麟.化工過程動(dòng)態(tài)學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:78～79.

SteadyandDynamicSimulationofEthyleneFractionatorwithVariablePlateEfficiency

ZHAO Xiao-ying, NIE Zhong-wen
(ChinaPetroleumPipelineEngineeringCo.,Ltd.)

A method of steadily and dynamically simulating ethylene fractionator with variable plate efficiency was proposed, which has the rectification column divided into five sections and the process simulation software adopted to simulate ethylene fractionator’s steady and dynamic response curves at different column plate’s efficiencies. Simulation result shows that, decrease of the plate efficiency can bring down the separation effect and result in the quality reduction of products and it can reflect the actual production process.

ethylene fractionator, plate efficiency, steady simulation, dynamic simulation

TQ053.5;TH865

A

1000-3932(2017)07-0651-05

2017-02-08，

2017-02-28)

趙曉鷹(1990-)，助理工程師，從事儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)控制工作，xiaoying_zhao@163.com。

(Continued from Page 636)

AbstractThrough discussing the application of algorithms like the wavelet transform and variable mode decomposition (VMD), empirical mode decomposition (EMD) and the BP neural network in gas pipelines, a VMD-BP neural network-based judgment model for working condition of natural gas pipelines was proposed, which has the VMD mode decomposition of pipeline signals carried out and then has the decomposed characteristic signals trained and tested by the BP neural network algorithm so as to determine operating conditions of gas pipelines.

KeywordsVMD-BP neural network model, gas pipeline, knocking of pipeline, working condition judgment, modal decomposition