ChemCAD在精餾塔動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用研究

李建慈(北京華福工程有限公司天津分公司 天津 300042)

ChemCAD動(dòng)態(tài)流程模擬軟件主要是由美國的 Chemstaions公司所研發(fā)，在以往中使用的靜態(tài)流程模擬基礎(chǔ)上而生成，實(shí)際只要把靜態(tài)流程模擬應(yīng)用予以一番科學(xué)轉(zhuǎn)換就能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)流程模擬應(yīng)用。該軟件可以設(shè)計(jì)更有效的新工藝和設(shè)備，使效益最大化；可通過優(yōu)化、脫瓶頸改造，降低成本和資金消耗；準(zhǔn)確評估新、舊裝置對環(huán)境造成的影響，擴(kuò)展性較好。

一、丙酮回收塔的動(dòng)態(tài)流程模擬

1.ChemCAD實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬的流程步驟

主要通過ChemCAD中產(chǎn)生的CC-DYNAMICS模塊，能夠當(dāng)流程模擬處于固定狀態(tài)下時(shí)直接的就變成動(dòng)態(tài)模擬，不用為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)流程模擬而特意的開展各類籌劃設(shè)置工作，實(shí)際應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)步驟來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)流程模擬：構(gòu)建與完成穩(wěn)固狀態(tài)下的流程模擬；將相應(yīng)的閥門安裝于穩(wěn)固狀態(tài)的流程模擬中；添加適當(dāng)?shù)目刂破鳎幻鞔_設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)與尺寸；確立控制器和閥門的實(shí)際參數(shù)；規(guī)定動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)。

按照以上所述的步驟流程來實(shí)現(xiàn)丙酮回收的動(dòng)態(tài)模擬流程（見圖1：丙酮回收精餾塔動(dòng)態(tài)模擬流程圖）。該精餾塔總共有精餾塔的塔頂壓力控制（對冷凝水流量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)）、回流罐液位及回流流量控制、再沸器液位及塔釜產(chǎn)品采出控制這幾種控制系統(tǒng)，在將采出率低的側(cè)線產(chǎn)品流股摻入到模擬流程圖中以對靈敏板的溫度進(jìn)行有效控制，靈敏板溫度控制過程中應(yīng)選用串級控制系統(tǒng)，由于精餾塔的操作溫度常發(fā)生變化以及調(diào)節(jié)存在滯后性，故將滯后器安裝于模擬流程中。

2.設(shè)置動(dòng)態(tài)流程模擬參數(shù)

由于體系內(nèi)存在一定量的水，所以體系的熱力學(xué)模型應(yīng)首選NR T L模型方程，將氣相作為理想氣體，所有組分的模型以下表（各組分NRTL模型參數(shù)）參數(shù)為主。

表1 動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計(jì)表

二、操作分析

1.靈敏板操作溫度變化給操作過程帶來的影響

進(jìn)行一番穩(wěn)態(tài)模擬后將精餾塔45層板作為靈敏板，如果實(shí)際操作條件下靈敏板的溫度達(dá)到了76℃，在此，應(yīng)對靈敏板溫度予以一番相應(yīng)的調(diào)整，使其變?yōu)?2℃，實(shí)施動(dòng)態(tài)模擬能夠準(zhǔn)確的獲悉靈敏板溫度在時(shí)間的發(fā)展下而發(fā)生的變化情況。如果靈敏板操作溫度出現(xiàn)了一定的變化，那么就會(huì)造成精餾塔塔頂采出與塔釜采出量有明顯的起伏。并且還會(huì)使得精餾塔塔頂內(nèi)丙酮的質(zhì)量含量進(jìn)一步的降低，塔釜內(nèi)丙酮的質(zhì)量含量降低幅度較大，在進(jìn)行質(zhì)量衡算后可以得出，丙酮回收率雖有了一定的提高，但由于操作條件的影響，使得塔頂冷凝水消耗率和塔釜蒸汽消耗率也不斷提升。

2.進(jìn)料變化給操作過程帶來的影響

為了深入分析研究進(jìn)料變化給操作過程帶來的影響，在下圖的動(dòng)態(tài)過程模擬流程圖內(nèi)的3號(hào)流股后加入相應(yīng)的斜坡控件，主要把3號(hào)進(jìn)料流股的流量從之前的2721．55k mo l/h調(diào)整到3000 k mo l/h，該動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行時(shí)，在進(jìn)料流股3出現(xiàn)變化后，也應(yīng)及時(shí)的整改精餾塔內(nèi)所有操作參數(shù)，對于靈敏板溫度能夠在短期中處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，當(dāng)精餾塔塔頂采出量與塔釜采出量有所提高時(shí)，因流量出現(xiàn)變化的進(jìn)料流股3內(nèi)的甲醇質(zhì)量含量與丙酮的相對揮發(fā)度距離較近，所以穩(wěn)定狀態(tài)下，精餾塔塔頂采出流股內(nèi)丙酮含量與塔釜采出產(chǎn)品內(nèi)丙酮質(zhì)量含量會(huì)有所降低，同時(shí)，由于過程處理量的進(jìn)一步加大和丙酮產(chǎn)品回收率的提升，造成該條件下的精餾塔頂冷凝水消耗量和塔釜蒸汽消耗量較大。

在對進(jìn)料熱狀況和組成發(fā)生變化時(shí)給塔操作過程帶來的影響進(jìn)行模擬后發(fā)現(xiàn)，由此種變化而導(dǎo)致的擾動(dòng)將嚴(yán)重的影響塔的操作過程，所有指標(biāo)均持續(xù)不定。

3.模擬結(jié)果

在對精餾塔動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況分析研究過程中，通常要對下列幾項(xiàng)指標(biāo)予以細(xì)致的考慮：上升蒸汽和回流、組分滯后、回流罐引起的滯后、塔釜持液量的滯后以及塔底液位的反向響應(yīng)等各環(huán)節(jié)部分所造成的影響。在ChemCAD軟件基礎(chǔ)上而形成的動(dòng)態(tài)精餾模型，能夠通過精餾塔操作參數(shù)、控制指標(biāo)等出現(xiàn)變化后對精餾塔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀況及時(shí)有效的掌握分析，以此準(zhǔn)確得出特定精餾過程的特性，編制經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化控制方案。不過需要注意的是，當(dāng)ChemCAD中精餾過程使用國內(nèi)精餾塔控制常用的PI D進(jìn)行控制時(shí)，從上述動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果中可以明顯的看出，采用該控制方案，往往會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間長、調(diào)節(jié)幅度難以及時(shí)準(zhǔn)確的確立等各類缺陷之處，所以若單純的使用PI D控制方案是無法保證產(chǎn)品質(zhì)量和操作正常有效性。

當(dāng)然，應(yīng)充分運(yùn)用一系列先進(jìn)高效的控制策略以對精餾塔有效控制，實(shí)際可采用自適應(yīng)控制、推斷控制、智能控制、魯棒控制、預(yù)測控制等手段，預(yù)測控制是目前較為成熟且應(yīng)用效果好的技術(shù)。

結(jié)論

本文主要通過丙酮回收塔，對ChemCAD在精餾塔動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用情況進(jìn)行了一番分析研究。利用該軟件，充分掌握了解在精餾塔操作條件和進(jìn)料時(shí)發(fā)生變化后，精餾塔在現(xiàn)行使用的控制方案中所呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，當(dāng)精餾塔操作條件如靈敏板溫度、塔頂壓力強(qiáng)度及溫度等有一定變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致精餾塔內(nèi)所有指標(biāo)發(fā)生較大的浮動(dòng)，在持續(xù)振蕩一段時(shí)間后慢慢穩(wěn)定下來；一定范圍領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)料量變化不會(huì)太大影響到塔的操作，但是當(dāng)進(jìn)料組成及熱狀況發(fā)生變化時(shí)，將嚴(yán)重干擾了塔的操作。通過ChemCAD對精餾塔操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，有利于深入分析精餾過程特性，明確經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化控制方案。

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