1、原油蒸馏塔模拟技术,陈志奎 2004.6,参考文献：,O.H.Hariu and R.C.Sage H.P. April，1969 Pg143 陈志奎 冯尚禧 石油炼制 1，1980 Pg46 陈志奎 石油炼制 10，1986 Pg1 Jakob.M.M H.P. May，1971 Pg149 郭天民 多元汽液平衡和精馏 化学工业出版社，1983 Willie.K.Chen “Computer Simulation of General Systems Of Interlinked Mulitstaged Separators”，MIT，1982 Boston，J.F. “InsideOut
2、Algorithms for Multicomponent Separation Process Calculations”，ACS Sympo Sium Series，1980 陈志奎 原油蒸馏过程的数学模型和各类软件（I）（II）（III），计算机与 应用化学（中国科学院），19981999 连载,原油蒸馏塔模拟方法分类,按功能 设计型 核算型按算法 快捷法 严格法,几种典型的模拟方法,目 录,一、虚拟组分法二、常减压蒸馏塔的模拟 设计型快捷法 核算型快捷法 设计核算型严格法,一、虚拟组合法,1.原油的实沸点蒸馏曲线TBP,实沸点蒸馏曲线TBP,2.虚拟组分性质计算方法,3.油品汽液平衡和
3、焓值,相平衡常数Ki常减压蒸馏塔内油品可按理想系统处理，组分i的相平衡常数为KiPi0/P P0 虚拟组分的蒸汽压 P 系统压力油品焓值 A.Carli基于Nelson在石油炼制工程中列出的热焓计算图，回归了一 套关联式，可以计算油品焓值（CP 1974，4，Pg87）馏分油的性质 确定含于该馏分油中的虚拟组分的组成后，基于原油评价的各类性质曲线（T-收率，S收率，d收率），以数学方法（混合规则、插值方法）计算馏分油的各项性质。,二、常减压蒸馏塔的模拟,1.设计型快捷法（SCFRAC）1）功能：对已知TBP的原油，按产品质量要求，计算其收 率和性质初定理论塔板数估算进料层温度、产品和抽出层温度
4、,二、 1. 2）二产品塔,二产品塔,二产品塔一个进料F，塔顶D和塔底B 两个产品的分馏塔 组分在D、B中的分配：,n 分馏指数（全回流下的最小理论板数；n与实际理论板数的关系数见Jakob图。HP，May，1971，Pg149） 平均相对挥发度i 组分标识 N 总组分数r 参考组分,nLni =Ln(XD/XB)i/(XD/XB)r) i=1,2,N,若选择一个假想的参考组分r，它在D和B中的分子分率正好一样， 即（XD/XB）r1，则有：,二产品塔,于是，二组分塔的物料平衡可以如下4组方程表示：,当塔的操作压力已知，则变量有2N4个：D、B、（XB）i、（XD）i、T和n，因此只需指定其中
5、2个变量（如B和n），其他所有变量可以解出，亦即物料平衡确定。,nLni =Ln(XD/XB)i i=1,2,N,F=D+B,FZ i=D(XD)i+B(XB)i i=1, .,N,n (XB)i=1i=1,(XD/XB)i= in i=1,N,总包物料平衡方程,组份物料平衡方程,组份加和方程,组份分配方程,对于一个有M个产品的原油蒸馏塔，可以用M1个二产品塔表示,二、1. 3）原油蒸馏塔,一组二产品塔,常压蒸馏塔,该蒸馏塔共有（M1）（2N2）个方程和（M1）（2N4）个变量，若指定每个二产品塔的B和n，即定下（M1）2个变量，则该塔的物料平衡方程有确定解。在方案设计时，若指定某产品的性质，
6、则B和n是调节变量，可以试算确定，步骤为： 赋B和n初值解上述方程产品组成产品性质计算性质与指定性质 偏差是否在 no 允许范围内 调整B和nyes结束物平计算 进行热平计算 得到方案设计所需的全部数据物平（D、B），热平（Q），分馏指数（n）与理论板数。,已知：原油d420=0.8899, Ku op=12.1。拟从下图所示蒸馏塔分馏出塔顶、塔底和三个侧线共5个产品。汽提蒸汽T=450 C, P=3公斤/厘米2(绝),用量分别为S1=0,S2/B2=0.0167(重),S3=0,S4/B4=0.005(重)。,二、1. 4）例题(见参考文献8、I),设计型快捷法实例示图,为确定这个塔，必须规
7、定8个变量，故取8个设计规定。,计算结果：,物料平衡 进料： F 100,000.0 公斤/ 时产品： D1 3,072.0 公斤/ 时B1 4,238.0 公斤/ 时B2 13,385.0 公斤/ 时B3 8,116.0 公斤/ 时B4 71,189.0 公斤/ 时 水蒸汽耗量S2 = 223.5 公斤/ 时； S4= 356.0 公斤/ 时部分产品性质分馏指数n和理论板数Tn1=2.6986 T1=2.702n2=2.4245 T2=2.331n3=2.2 T3=2.071n4=2.0 T4=3.44,二.2 核算型快捷法(CDDS),对工厂已有的，或者完成了工艺设计的蒸馏塔，其塔板数,进
8、料和产品出料位置、塔径、冷换设备等均已确定。核算型快捷法可以帮助工程师分析装置标定数据，制定适宜的操作方案，以便提高蒸馏塔的生产能力和分馏质量。主要功能： 从TBP出发，计算某产品方案的产品收率，性质（分子量、比重、 ASTM）。 作出某回流方案下的全塔热平衡和全塔TVL剖面。 调整切割方案、汽提蒸汽量、过汽化度等参数，做操作方案比较。,二.2 .1)计算方法,原油以虚拟组分表示为多组元系,应用通用的多组元汽液平衡和热平衡模型，即可完成模拟计算。全塔物平：在TBP曲线上按馏分切割点读出体积收率，计算出每一馏分油的 平均分子量、比重等，将体积收率转成重量收率。进料层温度TF：按产品总收率（加上过
9、汽化率）确定平衡汽化率e，由下式计算TF。,Xi=Zi/(1-(1-Ki)e),n f(e)=1 -Xii=1,|f(e)|,式中：Xi为平衡液相中i组份分子分率Zi为进料中i组份分子分率Ki为i组份的汽液平衡常数e为平衡汽化率为指定的一个小正数,加热炉出口温度TR,以试差法，满足下式即可：,QF=QV+Qe+QL,侧线抽出温度Ts,侧线产品以虚拟组分（多元系）表示，侧线抽出层温度为该多元系在抽出层油气分压下的泡点温度。,n f(T)=1 -KiXii=1,|f(T)|,式中： T为泡点温度。Xi为组份i在抽出物中的分子分率n虚拟组份总数指定的一个小的正数,塔顶温度,塔顶馏出物在塔顶油气分压下
10、的露点温度,应满足以下方程：,n f(T)=1 Yi/Kii=1,|f(T)|,式中： T为露点温度Yi为组份i在塔顶馏出物中的分子分率n虚拟组份总数指定的一个小的正数,二.2.2）计算逻辑图,二.2.3）例,某炼油厂加工胜利油，对常压塔标定结果在下图括号内，现进行快捷核算，结果在括号外。,二.3.设计核算型严格法（PETROFRAC）,常减压蒸馏塔是一个主塔和若干附塔（汽提塔）组成的复杂系统，任何一个塔板上都可能有进料、出料、热负荷。 PETROFRAC用一个统一的数学模型严格描述，并可模拟其操作，提供每一块塔板上的温度、压力、汽相和液相流率和组成，便于做蒸馏塔的详细设计和实施先进控制方案。
11、模拟策略： 以联立方程描述多塔系统（常减压主塔带汽提塔），并建 立处理稀疏矩阵的有效方法。 合理简化计算相平衡常数K和热焓H的方程，加快收敛速度。,二.3.1）典型的原油蒸馏塔,二.3.2）模拟计算塔,模型中任一塔板上可以有进料、出料、加热、取热和中段循环物料。 主塔和汽提塔之间有物流相连。 任何两塔板之间可以有物流相连。,二.3.3）塔板模型,二.3.4）方程,组分物平： L i,n-1+L i,n+V i,n-V i,n+1-L i,j-V i,k-W Li,l-WV i,m=f i,n i=1,Nc, n=1,Ns 相平衡方程Y i,n=K i,n X i,n 分子分率加和方程Ncxi,
12、n=1i=1NcYi,n=1i=1总包物平方程 L n-1+L n+V n-V n-1-L j-V k-W Ll-WV m=F n n=1,Ns 焓平衡方程 H Ln-1L n-1+HLnL n+HvnV n-H vn+1 V n+1-HLjLj-HvkV k-HLl W Ll-HvmWV m=HFnF n +Qn,二.3.5）自由度分析,变量,变量名 变量数X Ns*NcY Ns*NcT NsV NsL NsQ冷凝器 NTQ再沸器 NT 回流比RR NT 塔顶液体产品WL1 1塔顶产品汽液比RDV=V1/D 1塔顶产品量D=V1+WL1 1总 计 3NT+3Ns+2(Ns*Nc)+3,方程数
13、,定义该塔系必须规定的变量数2NT1,方 程 方程数组份平衡 (Nc-1)*Ns总物平 Ns相平衡 Nc*Ns分子分率加和 2 Ns焓平衡 NsRR关系 NTRDV关系 1 D关系 1总计 1NT+3Ns+2(Ns*Nc)+2,二.3.6）物料平衡方程的形式和解法,一个有8块理论塔板的常规精馏塔（一个进料、塔顶出料、塔底出料，无侧线出料）的物平可以写成如下三对角矩式，并可用高斯消去法和追赶法解出。,二.3.6）物平衡方程的形式和解法,若上塔第三板抽出一股物料进入第七板，第六板抽出一股物料进入第二板，则上述矩式变为：,二.3.7）热平衡方程,二.3.8）解算策略,（略）,将稀疏矩阵变换为三对角阵
14、（Brown法） 应用J.F.Boston的双层法（Insideout Algorithm），加速收敛。AspenTech的Willie Chen多年来发展的PetroFRAC是最成功的设计核算型原油蒸馏严格模拟軟件。,二.3.9）例：,一个常压蒸馏塔，共17块理论板。,已知: 原油进料量和TBP，水蒸气注入量，产品规格要求（塔顶汽油 ASTM95点和B1的d204），操作压力等主要参数，PETROFRAC在模拟计算中，以塔顶回流比和B1抽出量作为调节变量，收敛结果如下：,物料情况,热量情况,全塔T,P,L,V剖面（略）,各层塔板Xi、Yi和Ki（略）,F D B1 B2 B3 B4 温度 3
15、64.0 60.0 150.9 203.9 316.4 356.7 压力BAR 2.9 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 吨/时 345.0 15.64 10.50 41.49 27.60 249.78 分子量 365.3 99 139.1 206.5 309.6 591.1 比重 0.900 0.713 0.753 0.803 0.854 0.948 APIo 67.0 25.7 56.3 44.7 34.1 17.8 UOP-K 11.8 12.3 12.3 12.2 12.2 11.9,塔顶冷凝器 1中段冷却器 2中段冷却器 出口温度 60.0 95.9 79.2 压力 BAR 1.334 1.413 1.476 热负荷 百万大卡/时 6.3397 3.4701 6.0679,
