減壓蒸餾塔的模擬與研究

廖恒易

（廣東華特氣體股份有限公司，廣東 佛山 528241）

減壓蒸餾塔的模擬與研究

廖恒易

（廣東華特氣體股份有限公司，廣東 佛山 528241）

結合實際工作對減壓蒸餾塔的實際工作結構特點進行淺析，采用蒸餾塔的基本裝置分塊化模擬分析的方式，將減壓蒸餾塔拆分為多個復雜吸收以及閃蒸過程，按照模塊法對其進行求解和研究。本文根據數據進行蒸餾塔的裝置模擬和優化，建立過程相應的研究分析系統，得出實驗數據并對減壓蒸餾塔的實際運行提供一種在線參考的模擬分析。

減壓蒸餾塔；仿真；模擬

減壓蒸餾塔在工業應用中應用得相當廣泛，分類也五花八門，而對各類減壓塔運行的狀況模擬和研究卻是業界研究的熱點和關注的重點。本文將結合實際對其進行模擬研究，設定前提條件為：避免蒸餾材料發生分解反應，盡可能通過測線拔出減壓的餾分。

基于以上的前提條件，減壓蒸餾塔必須是一種特殊結構的填料塔，其進料是必須在實際應用中分別經過減壓爐的加熱部分氣化的原料，塔內的汽相為連續相，液相則為非連續相。與此同時，測線產品可以分為減一線到減多線的多種狀態，以石油蒸餾為例全部從集中器采出，塔頂則抽出減頂汽油，塔釜排出渣油，并且采用多測線抽出，塔內多段換熱。相關前期研究表明，由于減壓蒸餾塔的產品多是催化裂化以及氫裂化的基礎原料，因此產品并沒有非常嚴格的分離需求，塔內氣液負荷整體呈現出變化大，熱段間零液體流量的現象。另一方面，由于塔內氣體流量隨著塔高的增大而減小，因此業內較為有名的研究算法如BP、Tomich、SR等都采用各級溫度和各級流量作為迭代變量，這些算法在實際應用中較為廣泛，但是卻對整個減壓塔進行求解容易出現由于校正流量而出現迭代負值，進而導致迭代算法的失敗，因此真正的減壓蒸餾塔模擬需要獨特而改進過的算法對其進行研究。

當前普遍認為，燃料型減壓塔是在閃蒸階段是無換熱、無上段回流的，并且總體上表現出各中段換熱，無上段回流且不精餾。這是一種一級氣液的平衡，由于外部的持續循環取熱可以看作是一個等溫閃蒸過程。因此，蒸餾減壓塔可以作為一種絕對閃蒸過程和多級等溫閃蒸過程的結合。當然，根據上述假定進行研究計算出各個換熱的具體熱負荷，并不能模擬出循環冷凝液流量。反之，采用有循環回流的等溫閃蒸模型，雖然可以解決循環冷凝液流量的計算卻無法模擬中段換熱的氣液負荷變化。因此，兩者在實際工作中必須進行進一步地有效結合探討。

1.減壓蒸餾塔的模擬算法設計

1.1 算法設計

綜上所述，結合實際減壓蒸餾塔的結構特點，對其模擬算法進行設計。簡而言之，可以利用常規壓塔的模擬計算類似的單元模塊結合，將上述的干式操作減壓蒸餾塔的工作過程拆分為一個閃蒸過程和多個復雜的吸收過程的串聯。與此同時，算法將單元模塊里面的各個中段作為吸收過程，利用經過外部取熱而過冷的原料對下一段上升的氣體進行吸收，這在算法設計上是一個可以不斷循環、不斷收斂的過程。具體的收斂子算法則可以通過實際的蒸餾原料進行選擇，如一般的原料可以采用改進的SR算法。該算法對運行機器的硬件要求較低并且收斂速度較快，在現場仿真模擬中能有較好的成效。因此，在模擬計算過程中必須對加入的原料進行閃蒸計算，通過基礎計算再逐步采用SR算法計算其減一線、減二線、減三線和減頂。

針對當前主流的減壓蒸餾塔，算法可以劃分為16個主要的功能模塊，按照預先設計的模塊化流程處理，用序貫模塊算法進行求解。假定其中兩相閃蒸器、換熱器、收斂器、復雜吸收塔以及物流傳輸器的計算都按照上述的單元計算法進行計算，而分流器的計算方法則可以通過多個進口物流結合，進而分成多個出口物流，結合流量外的出口物流信息一致的情況將各個分流流量占總料的百分比通過模塊進行參數輸入。

實驗分析表明，該減壓蒸餾塔的模擬計算算法有一下的優點：首先，算法由于模塊化設計調整方案可以較為靈活，計算也比較方便，可以為整個工藝的生產過程提供優化分析數學模型；其次，采用的算法由于在各段吸收和換熱中，汽液的負荷比較均勻，變化較為平穩，因此對于解決吸收問題較為顯著的SR算法能夠快速收斂、模擬出實際的運行狀況，算法成效較為顯著；再次，由于在每一個中段中換熱不需要抽出的操作，因此可以避免上述的算法液相出現流量為零的情況，也就避免了上述由于流量的過分校正出現的負值，迭代的計算可以持續有效地進行；最后，由于算法可以計算出各段內沿著塔高的汽液負荷和循環冷凝液的具體流量，因此可以分析出汽液負荷在實際運行中的變化規律。

表1　減壓蒸餾塔進料的模擬沸點曲線數據表

1.2 算法仿真結果

根據上述的算法設計，對進入減壓塔地步的常底重料進料進行假組分割，與此同時按照上述的減壓蒸餾塔的信息流程進行計算，進料常底重料的模擬實沸點蒸餾的具體數據表見表1。

1.3 流程策略及系統優化實施討論

通過流程分析，可以發現流程的主要設備模塊之間并沒有直接聯系的循環物流，只有模塊內部有相關的交錯影響物流，因此我們可以在流程模擬上通過解算策略選用序貫模塊法將模塊逐一求解。與此同時，對減壓蒸餾塔中的脫后換熱器、常減蒸餾加熱等相關設備而言只需要對原料進行物料的權衡計算和熱量的權衡計算即可以實現統一物流計算；而在模擬分組上，可以將系統進行多組分物流，按照上述模擬算法進行算法設計求解。相關研究顯示，對常底重油進行二次切割后再進行算法模擬效果較為顯著。從理論上分析也不難得出，如果對原料進行僅一次的細切割，由于流程計算過程中假組分次數越多算法運算的速度也就越低，這無論從效率還是準確率來說，算法成效都是相對較差的。

算法的仿真和模擬可以對實際工作帶來更多的優化和改進。基于上述的仿真模擬和算法實驗數據，我們可以得出在減壓蒸餾裝置中，利用模擬算法分析，通過優化相關的操作條件，發揮相關裝置的功能提高產品的拔出率、降低產品的能耗和成本。這也是減壓蒸餾裝置的優化目的所在。

實際工作中，由于生產者需要獲取最大的經濟效益，經常選取輕組分的拔出率，而影響拔出率的因素有很多，例如出口溫度、回流比、塔的操作壓力等等。在權衡生產質量和拔出率的過程中不可避免需要進行最優解的求解，因此可以簡單將其演變為最優問題的求解，將上述的影響因素設置成為優化問題的約束條件，在一定的工作范圍內求取目標函數的最優解。

在系統的實施上，由于采用分組的SR算法設計，對于軟件設計的運行環境要求也較為簡單，一個普通的計算機WINDOWS系統即可滿足條件。在軟件上可以通過現場設計裝置對數據進行實時測量繼續深化校正系統的過失，使其更加符合能量平衡和物料平衡。系統模擬優化數據可以通過后臺數據庫進行數據導入和存儲，以便實驗數據的提取和后期維護的查詢，相關軟件設計由于篇幅所限此處不贅述。

結語

本文淺析了減壓蒸餾塔的工作原理，并對關鍵問題進行探討，建立起較為嚴謹的數學仿真模型，采用了模塊化流程組合發對減壓蒸餾塔的運行進行數據的模擬和仿真。實驗將減壓蒸餾塔分為兩相閃蒸器、復雜蒸餾塔和復雜吸收塔等多個單元模塊，并通過改進的SR算法對各個模塊的內部數據進行模擬和仿真計算。實驗表明，通過閃蒸和改進型的SR算法的結合模擬計算，收斂性較強、計算速度較快、模擬吻合度也較高，可以在實際工作中進行進一步地研究和探討，甚至應用于新設備的研究。

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