低溫甲醇洗裝置設計工況全流程模擬

卜令坤

(神華寧煤集團煤炭化學工業公公司質檢計量中心 寧夏 靈武 750411)

0 引言

低溫甲醇洗工藝具有十幾個回路、六十多個單元、近百個流股，系統工藝復雜，回路眾多，使用通用模擬軟件系統進行全流程模擬收斂十分困難，鑒于此，作者在認真分析了全流程工藝流程圖的基礎上，自主規定了斷裂流股、收斂模塊以及收斂順序等，并修改了斷裂流股收斂參數、收斂方法參數以及計算順序收斂參數等，以確保低溫甲醇洗系統全流程順利收斂；并且由于過程單元模塊模擬產生的誤差在全流程模擬中逐級放大，對部分過程單元模型參數包括設備參數和操作條件也進行了適當修改，以保證模擬結果與設計數據盡量吻合。

1 低溫甲醇洗系統全流程模擬流程收斂及收斂方法選擇

一般說來，使用序貫模塊法進行全流程模擬需要首先完成以下工作：

（1）選擇斷裂流股。斷裂流股就是由循環所確定的具有組分流、總摩爾流、壓力和焓的循環流股。它可以是一個回路中的任意一個流股。

（2）定義收斂模塊，使斷裂流股、設計規定或最優化問題收斂。 收斂模塊決定了由斷裂流股或設計規定所控制變量的估計值如何在迭代過程中更新。 每個設計規定和斷裂流股都有一個相關的收斂模塊。

（3）確定計算順序，即一個包括所有單元操作和收斂模塊的次序。

通用模擬系統會自動確定斷裂流股、 收斂模塊以及計算順序等，以確保所有回路均被斷裂。 然而往往由于系統回路眾多，通用模擬系統默認的收斂參數以及由此確定的斷裂流股、收斂模塊以及計算順序等并不能保證系統順利收斂。為此，往往需要用戶自主規定斷裂流股、收斂模塊以及收斂順序等，并修改斷裂流股收斂參數、收斂方法參數以及計算順序收斂參數等，以確保模擬流程順利收斂。

如果模擬流程中循環流股過多，對斷裂流股的初始估測往往有助于收斂，尤其是對帶有封閉回路或再循環溶劑回路的循環系統如低溫甲醇洗系統。因此，針對設計工況，用戶可以對斷裂流股直接使用設計數據作為初始值；針對未知工況，用戶則可以根據工藝知識、簡單物料衡算以及單個過程單元改造工況的模擬結果等對斷裂流股提供較合理的初始估測值。

由于模擬流程的復雜性，所選擇的收斂方法往往并不能導致計算模塊迅速收斂，甚至往往導致計算模塊發散。因此，收斂方法的選擇對模擬計算十分重要。 為了能使計算模塊迅速而準確地收斂，通用模擬系統提供了多種收斂方法， 包括WEGSTEIN 法、DIRECT 法、SECANT法、BROYDEN 法以及NEWTON 法等，這些方法不僅可以收斂多股斷裂流股，而且可以收斂帶有設計規定的斷裂流股。

由于低溫甲醇洗系統設計工況以及改造工況的全流程模擬，并不是針對最優化問題的模擬， 也不存在含有單個設計規定的流程組合，所以收斂方法無需考慮COMPLEX、SECANT、SQP 方法。 而在其余的收斂方法中，直接迭代法DIRECT 是收斂法中最基本的方法，收斂效率低，因此一般不使用該法；NEWTON 法用于流程中循環回路和設計規定高度相關的情況，但收斂速度慢，有時還不收斂。 因此，僅當系統所含組分數很少或不能通過其它方法實現收斂時，使用NEWTON 法；BROYDEN 法和NEWTON 法相似，但它使用了線性近似的方法，因此收斂更快， 但是有時不如牛頓法可靠；WEGSTE 方法是斷裂流股收斂最快、最可靠的方法，是直接迭代法的一種外推。該法可以用于任意數目的斷裂流股，是通用模擬軟件的默認收斂方法。

由此可見，對低溫甲醇洗系統設計工況的模擬，由于不存在著設計規定的收斂，因此推薦采用WEGSTEIN 法用于計算模塊的收斂；而改造工況的模擬，往往存在著設計規定的模擬，因此在采用WEGSTE創法不能收斂，或者存在多個設計規定時，可以采用BROYDEN 法或NEWTON 法用于收斂模塊的收斂。

低溫甲醇洗系統過程單元龐大且回路眾多。使用通用模擬軟件系統進行全流程模擬，如果采用系統默認的收斂參數以及由此確定的斷裂流股、收斂模塊以及計算順序等并不能保證系統順利收斂，實際的模擬計算結果也表明這一點。 因此，作者根據低溫甲醇洗工藝全流程信息流程圖，自主規定了斷裂流股、收斂模塊以及收斂順序等，并修改了斷裂流股收斂參數、收斂方法參數以及計算順序收斂參數等。

2 低溫甲醇洗系統全流程模擬計算結果

在成功完成低溫甲醇洗系統各個過程單元設計工況模擬與分析的基礎上，將模擬所確定的適宜模型參數包括單元操作模型、物性計算方法以及設備參數和操作參數等輸入全流程模擬系統中的對應過程單元中，然后確定收斂參數、斷裂流股、收斂順序等，就可以進行全流程模擬了。模擬結果表明：低溫甲醇洗設計工況全流程順利收斂，模擬結果與設計數據吻合良好，現將主要流股結果列于表1 所示：

表1 關鍵流股的模擬結果及其與設計數據對比

從模擬結果可以看出， 主要流股的模擬結果與設計數據吻合良好。主要流股的溫度絕對誤差一般在2℃以內，只有極個別絕對溫差超過2℃，但最大絕對誤差不超過3℃；主要流股的流量相對誤差一般在3%以內，當然有少數流股流量相對誤差較大如<140>號流股；主要流股的組成與設計值吻合不錯， 如38、11 以及24 等與設計值吻合都良好，且誤差一般都在5%以內，當然仍有極少量流股如<15>號乏氣流股的組成與設計值偏差較大，CO2含量模擬結果與設計數據相對誤差達到7.5%，但由于<15>號流股摩爾流量很小，CO2組分摩爾流量絕對值相差并不大，而且<15>號是由幾種燃料氣混合而成的乏氣，其中任何一個燃料氣流量的改變就會極大的影響<15>號流股中CO2含量，因此<15>號流股出現較大誤差是允許的，也是很難避免的。當然，由于全流程模擬時的誤差放大，各個過程單元輸出流股的模擬結果相比于單個過程單元的模擬結果必然要差一些。全流程模擬的好處就是即使各別流股及單元的模擬與設計值有差別，但是由于系統內部整體的質量和能量守恒，使用通用模擬軟件在模擬全流程時仍然可以進行多次調整，從而使計算結果是與模擬值相同。

由于通用模擬系統物性計算方法及其默認二元交互作用參數對低溫甲醇洗系統存在著一定偏差，部分流股模擬結果與設計數據仍然存在著一定的偏差，為此，可以進一步優化過程單元模型參數，如在全流程模擬條件下，由于各個過程單元的輸入流股模擬數據與設計值存在一定的差距，可以適當調整操作參數(主要是分割器和塔的操作參數)，但最終仍然需要通過實驗手段獲得低溫甲醇洗條件下的實驗數據， 進而回歸得到二元交互參數，以準確預測各個過程單元操作條件下的物性。

3 結束語

綜合以上結果可以說明，即使低溫甲醇洗系統復雜、回路眾多，應用通用模擬軟件系統仍然能夠成功完成低溫甲醇洗系統全流程的模擬，而且模擬結果與設計數據符合良好，說明在通用模擬軟件平臺上進行低溫甲醇洗系統全流程設計工況的模擬分析是切實可行的，模擬結果基本可以滿足工程設計要求，從而為實現改造方案工藝設計與全流程模擬奠定了堅實的基礎。

［1］曲平，俞裕國.化工過程模擬與優化[M].大連：大連理工大學出版社，1998.

［2］姚平經.過程系統分析與綜合[M].大連：大連理工大學出版社，2004.