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深冷空分精馏系统动态过程研究

2024-03-20程彬彬

山西化工 2024年2期
关键词:块板塔板空分

程彬彬

(中国石化海南炼油化工有限公司,海南 儋州 578001)

0 引言

空分方法多样化,当前工业生产中常采用低温分离法,即根据氧气、氮气、氩气各自沸点不同的原理,对空气压低温液化以达到精馏效果[1]。精馏单元是空分装置的重要元件,动态特性明显,运行特性直接影响空分效果,探明精馏系统的动态特性是优化系统运行状态、提高节能降耗水平的重要举措,基于此,本文重点分析其动态过程。

1 深冷空分精馏塔动态建模对象

建模对象为精馏系统流程,如图1 所示。模型中,将粗氩塔C701、C702 整合至一体,构成集粗氩塔、空分下塔C1、空分上塔C2 于一体的精馏塔装置。高压空气、主空气、膨胀空气进入下塔C1 精馏、产物经过换热后于上塔C2 再次精馏,其中下塔C1 精馏的主要产物为液氮、污液氮和富氧液空,C 塔顶产出物为纯氮气[2]。下塔下部的氩馏分经粗氩塔做二元分离处理,上塔上部侧线的污氮气送至预冷工段。部分精馏塔和换热器有热耦合作用,上塔塔釜的液氧所需热源可由下塔塔顶的高纯氮气提供,主要依靠主换热器换热后产生液氮和氧气的方式实现;粗氩塔粗氩气可通过下塔塔底的富氧液空发生冷凝,上塔C2 侧线的氩馏分可提供热源以满足粗氩塔的运行需求。

图1 低温空分精馏流程示意图

2 深冷空分精馏塔动态过程研究

2.1 空分精馏塔建模

建模方法采用逐板法,各块塔板混合塔底的气相和塔顶的液相,两者交换热量后产生两条运动路径,重组分进入液相,轻组分进入气相。每块塔板均满足物料守恒(M)、气液相平衡(E)、组分归一化(S)、能量平衡(H)等方程,即塔内的动态模型遵循MESH 方程,在本次研究中,精馏塔塔板模型采用平衡级模型,动态过程研究的影响因素多,为使研究顺利进行,作如下假设:精馏塔内为绝热过程;塔板上气液相均匀混合;暂不考虑塔板上方的气相滞流量;气液相在塔板上保持热力学平衡。考虑到建模对象结构组成多样化的特点,此处忽略塔板的降液管等与动态研究相关性较差的结构,精简模型。

物料衡算方程见式(1)、式(2):

式中:Mj为第j 块板的气液相总摩尔数;Lj和Vj为第j 块塔板流出的液相、气相摩尔流率;Fj为进料流率;xij和yij分别为第j 块塔板组分i 的液、气相的摩尔分率;Lj+1和Vj-1分别为第j+1 块塔板的液相流率和第j-1 块塔板的气相流率;zij为进料流股组分i 的摩尔分率。

能量平衡方程见式(3):

式中:Uj为第j 块板上气液相的总能量;Qj为第j 块板的热损;hl,j和hv,j分别为第j 块板上的液相和气相单位摩尔焓;Tj和Pj分别为第j 块塔板的温度和压力。

相平衡方程见式(4)、式(5):

式中:Kij为塔板中组分i 的平衡常数K 值。

2.2 其他模块建模

2.2.1 节流阀、换热器的建模

根据守恒方程和相平衡关系为节流阀、换热器建模,对换热器模块进行分类,即冷凝器、再沸器等有气液两相的模块和常规单相换热器模块,前者可描述为式(6)—式(8),换热器中气液两相共存,后者需确定相态再代替式(6),具体相态视换热器的实际状态而定。节流阀模型类似于有气液两相的模块,其温度可用相平衡方程计算而定,但必须明确阀后压力。

式中:Kij为塔板中组分i 的平衡常数K 值;xij为第j块塔板组分i 的液、气相的摩尔分率。

式中:mi为设备内组分i 的持液量;Fv,in,i和Fl,in,i、Fl′,out,j和Fl,out,j分别为入口组分i、出口组分i 的气液相流量;Hv,i、Hl,i为气、液相中组分i 的焓值;Q 为换热量。

2.2.2 控制器的建模

动态模拟中,通过控制器满足产品的功能要求;稳态模拟中,按照设计规定满足产品要求。精馏系统的氮、氧、氩产品的技术指标要求主要考虑的是多个终端约束、时间控制、变负荷操作范围控制等,在确认各项技术达到标准后才可使精馏系统正常进行动态运行,因此在精馏系统的结构组成中,控制器属于不可或缺的装置[3]。在本次研究中,仅设置系统运作流程中的关键精馏塔单元,若控制方案缺乏可行性,在耦合三个精馏塔单元后极易导致系统发散。考虑到该问题,将模型中的流股假设为流量驱动,下游流股压力不对出口流股的压力和流量产生影响,依据固定规则确定出口流股的流量及压力,创设良好的模块入口条件,确保在负荷发生变化后压力仍维持稳定,整体运行状态保持平稳。塔底抽出流量控制下塔C1 塔和粗氩塔的塔底液位,塔底液氧流量控制空分上塔C2塔氩馏分中氧浓度。控制器采用比例积分控制,经参数整定后确定比例增益Kp和积分时间常数Ti,具体如式(9)所示。其中,u 为控制器输出增量,e 为被控变量值和回路设定值之差。将积分形式改写为微分形式,以免在联立法模型中产生高阶问题。

式中:VC和VC,SP为被控变量及其设定值;Serr为积分误差;VM和VM,bias为控制器输出及其相应的偏差。

3 基于实例的深冷空分精馏塔动态仿真分析

空分精馏塔内为高纯体系,系统运行敏感度高,即便某变量产生微小偏差也将导致系统运行状态发生异常,因此提高精度是顺利进行动态仿真分析的重要前提。在本次研究中,采用动态仿真评估和人工调整配置点的综合方法,提高降阶精度。以空分下塔为例进行仿真与分析,验证降阶模型的实际应用效果。空分下塔的理论板总量为42 块,编号方式按照从塔底向塔顶的顺序进行,第1 块、第4 块板进料空气,第5 块板为侧线采出污液氮,在构建模型后用OCFE 法进行精简,获得约简模型。以进料板的位置为准,将下塔划分为三段,将两个进料塔板作为配置点,但第5块板独立为一个配置点;参考仿真结果,确定第6 块至第41 块塔板浓度变化轨迹,再根据均分的原则划分为三个有限元,各自对应的配置点数量均为4 个。经过前述划分后,计算各配置点的位置,采用Guass-Lobatto 公式,保证计算结果的准确性。按照前述思路将严格模型约简为DAEs 系统,以缩小模型规模,提升模型可用性。通过IPOPT 求解器求解约简模型时,初值采用精馏塔逐板机理模型对应塔板的仿真结果,操作流程是:对模型做稳态仿真处理,利用拉格朗日多项式插值计算各配置点的每块塔板的变量值,再对比分析严格模型和约简模型,结果如图2 所示。

图2 稳态仿真结果

图2 给出的是塔内各塔板上的变化曲线,是基于精馏塔中温度、液相中氮氧氩三元组分浓度数据绘制而成的曲线,对比来看,两个模型中曲线的差异较小,可较为准确地反映塔内情况。浓度即组分的摩尔分数的最大绝对误差为0.001,温度的最大绝对误差为0.1 K,表明可通过约简模型较好地描述精馏塔特征。

对约简模型做动态仿真,检验此模型在动态过程中的精度。取第一块塔板的温度和液相氮组分浓度作为输出变量,给予空气进料流量10%的阶跃,各模型的动态仿真结果如图3 所示。根据图3 信息可知,约简模型保留严格模型的动态特性,同时精度并未受到影响,表明约简模型具有可行性。

图3 动态仿真结果示意图

4 结语

本文采用OCFE 法约简严格模型,从模型尺寸、仿真时间、模型精度多个维度对比分析约简模型和严格模型,以期获得精简、实用性良好的模型。根据空分下塔和全流程仿真结果可知,以OCFE 约简模型后,有效精简模型变量,满足全塔“可视化”的要求,准确呈现真实场景,便于操作人员及时处置空分装置故障,所提方法对同仁有参考价值。

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