塔段板效率可調的乙烯精餾塔穩態與動態模擬

趙曉鷹 聶中文

(中國石油管道局工程有限公司)

塔段板效率可調的乙烯精餾塔穩態與動態模擬

趙曉鷹 聶中文

(中國石油管道局工程有限公司)

提出一種板效率可調的乙烯精餾塔穩態與動態模擬方法，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，乙烯精餾塔的穩態與動態響應曲線。結果表明：板效率下降會導致乙烯精餾塔的分離效果降低，產品質量下降。而且該結果能夠反映實際生產過程。

乙烯精餾塔 板效率 穩態模擬 動態模擬

符號說明

Aa——塔板有效面積，m2；

F——進料量，kmol/h；

G——氣相側線抽出流量，kmol/h；

H——焓值，kJ/kmol；

hw、lw——堰高、堰長，m；

K——平衡常數；

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——進料組成；

ρ——密度，kmol/m3；

上角：

F、L、V——進料、液相、氣相；

下角：

i、j——組分序號、塔板序號。

乙烯精餾塔是精餾塔中結構最復雜、要求最嚴格的分離設備[1～3]，與一般精餾塔不同的是乙烯精餾塔需要側線抽出和中間再沸器，其操作和控制水平直接關系到乙烯產品的質量、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品質量的重要指標之一，因此板效率成為精餾塔研究過程中的重點[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液體二維不均勻流動、二維渦流擴散模型進行了求解，結果表明，漏液不均勻對乙烯精餾塔板效率具有重大影響[6]。錢建兵和朱慎林發現霧沫夾帶會導致液體在相鄰塔板間返混，這在傳質中會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和以泡沫為主的混合狀態下進行蒸餾操作時的氣相夾帶板效率模型，推導出了Lewis在3種情況下的板效率計算式，討論了氣相夾帶對板效率的影響，并與FRI實驗值進行了比較，結果表明，氣相夾帶過大會導致板效率急劇下降，影響精餾效率[8]。

綜上所述，乙烯精餾塔在實際操作過程中，板效率會受到霧沫夾帶、漏液及氣相夾帶等因素的影響，操作條件不當將導致板效率降低，進而影響分離效率和產品質量。然而目前國內外只局限于對板效率變化原因進行研究，并沒有對板效率在線可調的精餾塔數學模型進行模擬實驗。基于此，筆者利用發展成熟、應用廣泛的平衡級模型建立乙烯精餾塔穩態和動態數學機理模型[9～12]，通過流程模擬軟件gPROMS實現各塔段板效率可調的乙烯精餾塔穩態和動態模擬，達到表征實際乙烯精餾過程的目的。

1 乙烯精餾塔穩態與動態數學模型

乙烯精餾塔塔板氣液流動示意圖如圖1所示，表明了塔內傳質傳熱過程和氣液相流動關系。

利用平衡級模型建立乙烯精餾塔動態數學模型[13]：

(1)

(2)

相平衡方程yi,j=Ki,jxi,j

(3)

(4)

(5)

(6)

將水力學方程和各級總物料衡算方程代入熱量衡算方程，化簡整理得到：

(7)

(8)

(9)

以上方程構成了乙烯精餾塔動態數學模型。當動態方程中的各微分項等于零時，即為穩態模型。

2 不同板效率的乙烯精餾塔穩態與動態模擬

以某化工廠乙烯精餾塔為研究對象，應用流程模擬軟件gPROMS建立該乙烯精餾塔的穩態與動態數學模型并進行模擬。該乙烯精餾塔實際有127塊塔板，進料包括甲烷、乙烷、乙烯和氫氣4種組分，采用側線抽出，且有兩個中間再沸器。該精餾塔以側線抽出板、進料位置板和兩個中間再沸器為基準進行分段處理(圖2)，共分為5段，每段的實際塔板數r=[r1，r2，r3，r4，r5]=[9，65，10，18，25]，塔板效率e=[e1，e2，e3，e4，e5]，對應的每段理論塔板數l=[l1，l2，l3，l4，l5]，三者之間的關系為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]處于進料以上構成精餾段，后三段[r3，r4，r5]位于進料以下是提餾段。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，每段的理論塔板數將發生變化，進而影響分離效果和產品質量。

2.1 穩態模擬結果

該精餾塔的理論塔板數為76，各塔段對應的板效率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影響全塔產品質量。由圖3b可知，乙烯濃度最大約在第5塊理論板，這與實際的側線抽出相吻合。[e1，e2]變大，理論塔板數和板效率增大，精餾塔分離效果增強；[e1，e2]變小，理論塔板數和板效率減小，導致分離效果變差。因此，精餾段板效率可調的穩態模擬可以表征實際情況。

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精餾段產品質量影響不大。[e4，e5]增大，理論塔板數變多、總板效率變大、塔底溫度降低；[e4，e5]減小，理論塔板數變少、總板效率變小、塔底溫度升高。模擬結果符合實際精餾過程，可以表征實際情況。

2.2 動態模擬結果

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，對該精餾塔進行動態模擬。

t=0時，在進料量增加10kmol/h條件下不同精餾段板效率的各變量動態響應如圖5所示。在t=0時，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態響應如圖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料量增加時各變量的動態響應

圖6 不同精餾段板效率下下降液流量增加時各變量的動態響應

由圖5、6可知，進料量增大和下降液流量增大均會導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。而且精餾段板效率變大，精餾塔分離效率和產品質量均提高，反之亦然。該動態模擬結果與實際精餾分離過程相吻合，可以表征實際精餾過程。

改變提餾段板效率[e4，e5]，保持精餾段板效率不變，進料量增加10kmol/h時出料溫度動態響應如圖7所示。可以看出，提餾段板效率變化不會影響產品質量，因為產品在精餾段采出，而提餾段板效率變化只會改變提餾段理論塔板數，對精餾段產品質量和分離效果影響不大。

3 結束語

筆者通過建立乙烯精餾塔平衡級穩態與動態數學模型，利用流程模擬軟件，將該乙烯精餾塔分為5段，并進行了各塔段板效率可調的精餾塔穩態與動態模擬。結果表明，板效率增大會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，板效率減小會降低產品質量。這與實際精餾過程相吻合，因此該塔段板效率可調的乙烯精餾塔穩態與動態模擬結果可以表征實際情況。

圖7 不同提餾段板效率下進料量增大時的出料溫度動態響應

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

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[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.

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

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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，從事儀表自動化設計、動態控制工作，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