ChemCAD在精餾塔動態模擬中的應用研究

李建慈(北京華福工程有限公司天津分公司 天津 300042)

ChemCAD動態流程模擬軟件主要是由美國的 Chemstaions公司所研發，在以往中使用的靜態流程模擬基礎上而生成，實際只要把靜態流程模擬應用予以一番科學轉換就能夠實現動態流程模擬應用。該軟件可以設計更有效的新工藝和設備，使效益最大化；可通過優化、脫瓶頸改造，降低成本和資金消耗；準確評估新、舊裝置對環境造成的影響，擴展性較好。

一、丙酮回收塔的動態流程模擬

1.ChemCAD實現動態模擬的流程步驟

主要通過ChemCAD中產生的CC-DYNAMICS模塊，能夠當流程模擬處于固定狀態下時直接的就變成動態模擬，不用為了實現動態流程模擬而特意的開展各類籌劃設置工作，實際應遵循以下幾項步驟來實現動態流程模擬：構建與完成穩固狀態下的流程模擬；將相應的閥門安裝于穩固狀態的流程模擬中；添加適當的控制器；明確設備的具體結構與尺寸；確立控制器和閥門的實際參數；規定動態模擬參數。

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

2.設置動態流程模擬參數

由于體系內存在一定量的水，所以體系的熱力學模型應首選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）參數為主。

表1 動態模擬參數設計表

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

進行一番穩態模擬后將精餾塔45層板作為靈敏板，如果實際操作條件下靈敏板的溫度達到了76℃，在此，應對靈敏板溫度予以一番相應的調整，使其變為82℃，實施動態模擬能夠準確的獲悉靈敏板溫度在時間的發展下而發生的變化情況。如果靈敏板操作溫度出現了一定的變化，那么就會造成精餾塔塔頂采出與塔釜采出量有明顯的起伏。并且還會使得精餾塔塔頂內丙酮的質量含量進一步的降低，塔釜內丙酮的質量含量降低幅度較大，在進行質量衡算后可以得出，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.進料變化給操作過程帶來的影響

為了深入分析研究進料變化給操作過程帶來的影響，在下圖的動態過程模擬流程圖內的3號流股后加入相應的斜坡控件，主要把3號進料流股的流量從之前的2721．55k mo l/h調整到3000 k mo l/h，該動態模擬運行時，在進料流股3出現變化后，也應及時的整改精餾塔內所有操作參數，對于靈敏板溫度能夠在短期中處于穩定狀態。此外，當精餾塔塔頂采出量與塔釜采出量有所提高時，因流量出現變化的進料流股3內的甲醇質量含量與丙酮的相對揮發度距離較近，所以穩定狀態下，精餾塔塔頂采出流股內丙酮含量與塔釜采出產品內丙酮質量含量會有所降低，同時，由于過程處理量的進一步加大和丙酮產品回收率的提升，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。

在對進料熱狀況和組成發生變化時給塔操作過程帶來的影響進行模擬后發現，由此種變化而導致的擾動將嚴重的影響塔的操作過程，所有指標均持續不定。

3.模擬結果

在對精餾塔動態響應情況分析研究過程中，通常要對下列幾項指標予以細致的考慮：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等各環節部分所造成的影響。在ChemCAD軟件基礎上而形成的動態精餾模型，能夠通過精餾塔操作參數、控制指標等出現變化后對精餾塔的動態響應狀況及時有效的掌握分析，以此準確得出特定精餾過程的特性，編制經濟合理的優化控制方案。不過需要注意的是，當ChemCAD中精餾過程使用國內精餾塔控制常用的PI D進行控制時，從上述動態模擬結果中可以明顯的看出，采用該控制方案，往往會出現響應時間長、調節幅度難以及時準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品質量和操作正常有效性。

當然，應充分運用一系列先進高效的控制策略以對精餾塔有效控制，實際可采用自適應控制、推斷控制、智能控制、魯棒控制、預測控制等手段，預測控制是目前較為成熟且應用效果好的技術。

結論

本文主要通過丙酮回收塔，對ChemCAD在精餾塔動態模擬中的應用情況進行了一番分析研究。利用該軟件，充分掌握了解在精餾塔操作條件和進料時發生變化后，精餾塔在現行使用的控制方案中所呈現的動態響應情況，當精餾塔操作條件如靈敏板溫度、塔頂壓力強度及溫度等有一定變化時，會導致精餾塔內所有指標發生較大的浮動，在持續振蕩一段時間后慢慢穩定下來；一定范圍領域內的進料量變化不會太大影響到塔的操作，但是當進料組成及熱狀況發生變化時，將嚴重干擾了塔的操作。通過ChemCAD對精餾塔操作進行動態模擬，有利于深入分析精餾過程特性，明確經濟合理的優化控制方案。

[1]張新平.丙烷脫氫氧化制丙烯過程的模型化與優化[D].華東理工大學,2010年.

[2]劉兵.基于動態系統運算的化工過程操作培訓軟件[J].廣東化工,2009年11期.