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1、DN1800脱丁烷精馏塔设计学生姓名：袁浩楠 指导教师姓名：耿清内蒙古工业大学化工学院，呼和浩特，010051摘要：脱丁烷塔是石油化工催化裂化装置中的一台重要设备，设计好该设备能提高石油产品的质量和数量，对满足日益增长国民经济发展的需要具有重要的意义精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接影响到工厂的产品质量、产量及能量的消耗，精馏塔操作是一个复杂的过程，受到众多因素的影响，每一个因素的改变都会导致精馏塔的操作发生变化，从而引起液化气质量和产量的变化。实际操作中，必须理论联系实践，根据精馏塔调节的理论知识，结合脱丁烷塔底重沸器温度及塔顶压力，脱丁烷塔底重沸器温度及塔
2、顶压力，回流量进行调节，从而优化精馏塔操作，来提高液化气的产量。关键词：精馏过程与设备 精馏塔设计 优化方案引言：精馏塔是进行精馏的一种汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。气体由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发低沸点组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发高沸点组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集， 从而达到组分分离的目的由塔顶上升的气相进入。冷凝器冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出
3、。塔底流出的液体，其中的一部分液体送入再沸器，加热蒸汽发成气相返回塔中，另一部分液体作为残液取出。利用的精馏原理是是将液体混合物部分气化，利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。一 精馏所用设备：（一）精馏塔：完成精馏操作的主体设备。塔体为圆筒形，塔内设有供气液接触质用的塔板或填料。在简单精馏塔中，只有一股原料引入塔中，从塔顶和塔底分别引出一股产品。随化工生产的发展，出现了多股进料和多股出料或有中间换热的复杂塔。在实际生产中，常有组分相同而组成不同的几宗物料都需要分离。如果把这些物料混合以后进行分离，则
4、能耗较大。为此可在塔体适当位置设置多个进料口，将各宗物料分别加入塔内。例如裂解气深冷分离的脱甲烷前冷流程，就是将四宗组成和温度都不相同的液化裂解气在不同位置送入脱甲烷塔进行精馏的。在精馏塔内，汽液两相的组成沿塔高逐渐发生变化。因此，在塔体不同高度上设置出料口，可以得到组成不同的产品，这称为侧线出料。石油炼制工业中的常压塔和减压塔，就是通过侧线出料得到不同产品的实例。在精馏塔内汽液两相的温度自上而下逐渐增加，塔顶最低,塔底最高。如果塔底和塔顶的温度相差较大,可在精馏段设置中间冷凝器,在提馏段设置中间再沸器，以降低操作费用。供热费用取决于传热量和所用载热体的温位。在塔内设置的中间冷凝器，可用温位较
5、高、价格较便宜的冷却剂，使上升气体部分冷凝，以减少塔顶低温冷却剂的用量。同理，中间再沸器可用温位较低的加热剂，使下降液体部分汽化，以减少塔底再沸器中高温加热剂的用量。（二）再沸器：用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，从而塔内汽液两相间的接触传质得以进行。小型精馏塔的再沸器，传热面积较小，可直接设在塔的底部，通称蒸馏釜。大型精馏塔的再沸器，传热面积很大，与塔体分开安装，以热虹吸式和釜式再沸器最为常用。热虹吸式再沸器是一垂直放置的管壳式换热器液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。它的优点是液体循环速度快,传热效果好,液体在加热器中的停留时间短；但是，为产生液体循环所需的压
6、头，这种精馏塔的底座较高。釜式再沸器通常水平放置,在釜内进行汽液分离，可降低塔座高度；但加热管外的液体是自然对流的，传热效果较差，液体在釜内停留时间也长，因而不适于粘度较大或稳定性较差的物料。 （三）冷凝器：用以将塔顶的蒸汽冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔内汽液两相间的接触传质得以进行。最常用的冷凝器是管壳式换热器。小型精馏塔的冷凝器可安装在精馏塔顶部；大型的冷凝器则单独安装,并设有回流槽,回流液用泵送至塔顶。精馏原理：利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相
7、往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。其精馏塔如图1所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。图 1 连续精馏塔二 脱丁烷塔工作原理脱丁烷塔有塔板塔和填料塔俩种（一）脱丁烷塔是塔板塔，塔内安装有24块塔盘，进料口为第15塔盘，塔顶为液化气产品，塔底为稳定轻烃产品，设有塔底重沸器。经过重沸器加热上升的轻组分在塔盘中和下落的重组分充分接触，达到传质传热效果。脱丁烷塔气液浓度
8、从塔底沿塔顶梯形变化。脱丁烷塔主要作用是将来自脱乙烷塔的“混烃”进行切割分离，生产出“液化石油气”和“稳定轻烃”，其热源供给通过塔底重沸器由导热油提供。脱丁烷塔的塔顶回流采用的是轻质的液化气。（二）脱丁烷塔为填料塔，通过脱丁烷塔分馏后，塔顶出来的气相在1.24M P a、60下进入脱丁烷塔顶空冷器冷却至42，然后进入脱丁烷塔顶水冷器冷却至30，进入塔顶回流罐，再经回流泵加压，一部分返回脱丁烷塔顶部作为回流，另一部分作为液化气产品经计量后进入液化气罐区；塔底轻烃进入脱丁烷塔重沸器经加热后将其中混有的少量C3、C4分离出来重新回到脱丁烷塔进行传质传热；轻烃从重沸器出来后与来自脱乙烷塔的液烃100，
9、1.4M Pa经脱丁烷塔进料加热器换热降温至110，压0.4MPa后，进入脱戊烷塔，若不需要脱除戊烷，或脱戊烷塔因故和蒸汽压小于等于1430K P a，C5+组分小于等于3.0%。液化气产品质量超标主要表现在两方面，一是蒸汽压超标，二是重组分超标。导致蒸汽压超标的主要原因是液化气中C1、C2组分的含量过多，因为在该状态下，C1、C2是不凝气体，如果这两种组分含量偏高就会导致蒸汽压超高。重组分超高原因主要是C5+组分超过3.0%。现在液化气新标准为在温度37.8时，饱和蒸汽压小于等于1430 K P a，C5+组分小于等于3.0%，C3、C4组分总和应大于等于95%。执行新标准之后，原生产参数下
10、生产的液化气产品不合格。三 脱丁烷塔的设计策略对于常压、加压操作的精馏塔，压力波动对塔内气相负荷的影响不大，所以传统精馏塔设计策略是适宜的。对减压操作，压力波动对塔内气相负荷的影响较大，当压力正波动时，塔内气液负荷减小，反之使得塔内气液负荷增大。因此，在精馏塔设计过程中，压力初值的估计误差将直接影响所模拟出的塔内气液负荷，从而影响塔结构的设计结果。一般而言，精馏塔的工艺计算首先需要规定塔顶压力，依据计算出的理论板数和所选用的塔板类型，设计实际塔板数以及初步估计的单板的压降，以此规定全塔压降、各层塔板的操作压力以及塔底的操作压力。对于确定的工艺条件和产品要求，大多数精馏塔精馏段和提馏段气液负荷的
11、大小受进料的热状态的影响，因此精馏段和提馏段的气液负荷会有较大的变化。绝大多数现代流程模拟软件对于各板的操作压力的处理是以线性内插的方式均匀分配的。这种分配方式对常压和加压精馏塔的考虑是十分有效的。一方面操作压力对气相负荷的影响较小，另一方面，常压和加压塔的塔内件的操作弹性相对“较大”完全能够适应这种规定所带来的误差。而对于减压体系，由于较小的压力偏差可以带来气相负荷较大的变化，从而直接影响精馏塔的设计结果乃至操作效果。对于易于高温聚合的体系，各板估计的操作压力较高，意味着塔板操作温度较高，聚合速率加快，操作周期变短。因此流程模拟计算过程中，设计人员对各理论板的压力估算的精度，直接会影响流程模
12、拟的结果，以至于影响塔板的设计效果，从而引起较大的设计偏差。四 脱丁烷塔的操作优化在脱丁烷生产过程中，由于生产过程的复杂性，精馏塔在一般很难处于最优工作点，从而导致生产过程中能耗过大，产品收率不够高，或者产品纯度达不到要求。对精馏塔进行实时操作优化则可以解决以上问题，使得生产过程取得最大经济效益。为了对精馏塔实施操作优化，需要建立严格的机理模型，采用快速、稳定的优化求解算法。以往的精馏塔优化过程一般采用序贯模块法。在序贯模块法中，模型根据其在各个模块的物理含义组成模块模型方程，优化计算时需要在多个不同模块、不同层次上循环迭代，耗时很大，计算效率低下。近年来，面向开放式方程的建模方法克服了序贯模
13、块法的诸多缺点，成为学术界推崇的流程建模方法。该方法将描述过程模型的所有方程以残差的形式联立起来，形成一个统一的非线性方程组，具有变量指定灵活、方程形式统一的优点。由于该方法可避免序贯模块法中各子模块间的层层迭代，采用该方法建模后，优化命题的求解效率可大大提高。但是该方法使得优化命题规模大大增加，需要通过大规模优化算法进行求解。对于精馏塔操作优化，采用开放式方程建模后虽然命题规模较大，但是命题稀疏性强、自由度低，非常适合采用简约空间序列二次规划算(reduced sequential quadratic programming，RSQP)进行优化求解。考虑到精馏塔操作优化的实时性和稳定性，直接
14、采用RSQP 算法进行优化求解存在一定的问题，主要表现在以下方面：（一) RSQP 算法基于严格的数学形式，优化求解是刚性的，不具有智能性，从而使得优化计算中很多迭代、很多计算消耗是没有必要的，不利于精馏塔操作优化的实时性。（二) 精馏塔实时操作优化要求对环境变化反应具有快速性，这就要求优化求解在给定的时间内完成，否则就失去意义，所以优化求解必需有时间限制。（三) 果优化求解不收敛或者在给定的时间内求解没有完成，则应该有补救措施。（四) 考虑到实时优化的滚动性，在一次优化得不到最优解也没关系，可通过多次优化求解实现滚动优化。五 结论应用用脱丁烷塔从天然汽油中分出丁烷, 用脱异丁烷塔生产异丁烷(
15、 CI C和正丁烷产品。采用非线性多变量控制和最佳化系统, 既可生产出合格产品, 又可降低公用工程消耗。控制策略用多变量控制系统调节脱丁烷塔再沸器的蒸汽(或热油) 流速和回流流速, 以及调节脱异丁烷的进料流速和回流流速。控制的变量是脱丁烷塔底部汽油的雷特蒸汽压值、脱异丁烷塔底部最佳化的异丁烷和顶部正丁烷的组成。当异丁烷销售价值高于正丁烷时, 为了获得操作的最佳经济性, 脱丁烷塔底部产物的雷特蒸汽压需维持在最大允许值, 脱异丁烷塔底部异丁烷含量要最小, 而顶部正丁烷含量要最大。脱丁烷塔顶部蒸汽用脱异丁烷塔底部产物冷凝, 或者用脱异丁烷塔再沸器吸收来自脱正丁烷塔顶部蒸汽的热量. 这样, 一个热交换
16、器既可用作冷却器, 又可用作再沸器, 而没有外部冷却和加热的公用工程消耗。但是, 这种能量守恒设计会使产品规格的控制复杂化目的是在操作条件变化时要使脱异丁烷塔的进料和脱丁烷塔的回流料得到平衡。同时, 脱异丁烷塔顶部回流和脱丁烷塔再沸器蒸汽的流速给定点要用多变量控制调节, 以便达到最佳化的产品规格。随着石油化学工业的发展，液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视，脱丁烷的精馏塔设计和优化具有越来越具有重要的现实意义。参考文献1 中国石油和化工标准与质量2004年第一期 英买油气处理厂提高液化气收率的探索2 会议论文脱丁烷塔控制分析与参数优化中国石油学会天然气专业委员会20
17、05年学术年会 - 20053 期刊论文全文 李欣平 乔世宏- 化工设计- 2007年5期4 高校化学工程学报- 2006年6期5 化工学报 -2013年1期 余国琮 袁希钢 李根浩6 开放式方程的脱丁烷塔模拟与优化的一体化研究会议论文全文 张正江，邵之江，陈曦，郑小青，耿大钊，2005年11月1日7 期刊论文高校化学工程学报 -2006年6期8 Microprocessors and microsystems Paolo Zicari 2013, 9 Nanoscale and microscale thermophysical engineering Wang, L.P.；Zhang, Z.M. 2013, 17(4)10 青岛科技大学学报（自然科学版）2006.27（4）11 工艺模拟对精馏塔设计的影响 李欣平 乔世宏12 反应精馏技术的关键问题分析 秦建华13 精馏塔设备的设计与节能研究进展 李红海 姜亦14 隔壁精馏塔的设计、模拟与优化 黄国强15 乙烯脱丁烷塔智能操作优化方法研究 高校化学工程学报 科研训练论文(文献综述)（题 目：DN1800脱丁烷精馏塔设计学生姓名：袁浩楠学 号：201220506019学 院：化工学院班 级：过控12-1班2016 年 1月9日