ChemCAD在精馏塔动态模拟中的应用研究

李建慈(北京华福工程有限公司天津分公司 天津 300042)

ChemCAD动态流程模拟软件主要是由美国的 Chemstaions公司所研发，在以往中使用的静态流程模拟基础上而生成，实际只要把静态流程模拟应用予以一番科学转换就能够实现动态流程模拟应用。该软件可以设计更有效的新工艺和设备，使效益最大化；可通过优化、脱瓶颈改造，降低成本和资金消耗；准确评估新、旧装置对环境造成的影响，扩展性较好。

一、丙酮回收塔的动态流程模拟

1.ChemCAD实现动态模拟的流程步骤

主要通过ChemCAD中产生的CC-DYNAMICS模块，能够当流程模拟处于固定状态下时直接的就变成动态模拟，不用为了实现动态流程模拟而特意的开展各类筹划设置工作，实际应遵循以下几项步骤来实现动态流程模拟：构建与完成稳固状态下的流程模拟；将相应的阀门安装于稳固状态的流程模拟中；添加适当的控制器；明确设备的具体结构与尺寸；确立控制器和阀门的实际参数；规定动态模拟参数。

按照以上所述的步骤流程来实现丙酮回收的动态模拟流程（见图1：丙酮回收精馏塔动态模拟流程图）。该精馏塔总共有精馏塔的塔顶压力控制（对冷凝水流量进行相应调节以实现）、回流罐液位及回流流量控制、再沸器液位及塔釜产品采出控制这几种控制系统，在将采出率低的侧线产品流股掺入到模拟流程图中以对灵敏板的温度进行有效控制，灵敏板温度控制过程中应选用串级控制系统，由于精馏塔的操作温度常发生变化以及调节存在滞后性，故将滞后器安装于模拟流程中。

2.设置动态流程模拟参数

由于体系内存在一定量的水，所以体系的热力学模型应首选NR T L模型方程，将气相作为理想气体，所有组分的模型以下表（各组分NRTL模型参数）参数为主。

表1 动态模拟参数设计表

二、操作分析

1.灵敏板操作温度变化给操作过程带来的影响

进行一番稳态模拟后将精馏塔45层板作为灵敏板，如果实际操作条件下灵敏板的温度达到了76℃，在此，应对灵敏板温度予以一番相应的调整，使其变为82℃，实施动态模拟能够准确的获悉灵敏板温度在时间的发展下而发生的变化情况。如果灵敏板操作温度出现了一定的变化，那么就会造成精馏塔塔顶采出与塔釜采出量有明显的起伏。并且还会使得精馏塔塔顶内丙酮的质量含量进一步的降低，塔釜内丙酮的质量含量降低幅度较大，在进行质量衡算后可以得出，丙酮回收率虽有了一定的提高，但由于操作条件的影响，使得塔顶冷凝水消耗率和塔釜蒸汽消耗率也不断提升。

2.进料变化给操作过程带来的影响

为了深入分析研究进料变化给操作过程带来的影响，在下图的动态过程模拟流程图内的3号流股后加入相应的斜坡控件，主要把3号进料流股的流量从之前的2721．55k mo l/h调整到3000 k mo l/h，该动态模拟运行时，在进料流股3出现变化后，也应及时的整改精馏塔内所有操作参数，对于灵敏板温度能够在短期中处于稳定状态。此外，当精馏塔塔顶采出量与塔釜采出量有所提高时，因流量出现变化的进料流股3内的甲醇质量含量与丙酮的相对挥发度距离较近，所以稳定状态下，精馏塔塔顶采出流股内丙酮含量与塔釜采出产品内丙酮质量含量会有所降低，同时，由于过程处理量的进一步加大和丙酮产品回收率的提升，造成该条件下的精馏塔顶冷凝水消耗量和塔釜蒸汽消耗量较大。

在对进料热状况和组成发生变化时给塔操作过程带来的影响进行模拟后发现，由此种变化而导致的扰动将严重的影响塔的操作过程，所有指标均持续不定。

3.模拟结果

在对精馏塔动态响应情况分析研究过程中，通常要对下列几项指标予以细致的考虑：上升蒸汽和回流、组分滞后、回流罐引起的滞后、塔釜持液量的滞后以及塔底液位的反向响应等各环节部分所造成的影响。在ChemCAD软件基础上而形成的动态精馏模型，能够通过精馏塔操作参数、控制指标等出现变化后对精馏塔的动态响应状况及时有效的掌握分析，以此准确得出特定精馏过程的特性，编制经济合理的优化控制方案。不过需要注意的是，当ChemCAD中精馏过程使用国内精馏塔控制常用的PI D进行控制时，从上述动态模拟结果中可以明显的看出，采用该控制方案，往往会出现响应时间长、调节幅度难以及时准确的确立等各类缺陷之处，所以若单纯的使用PI D控制方案是无法保证产品质量和操作正常有效性。

当然，应充分运用一系列先进高效的控制策略以对精馏塔有效控制，实际可采用自适应控制、推断控制、智能控制、鲁棒控制、预测控制等手段，预测控制是目前较为成熟且应用效果好的技术。

结论

本文主要通过丙酮回收塔，对ChemCAD在精馏塔动态模拟中的应用情况进行了一番分析研究。利用该软件，充分掌握了解在精馏塔操作条件和进料时发生变化后，精馏塔在现行使用的控制方案中所呈现的动态响应情况，当精馏塔操作条件如灵敏板温度、塔顶压力强度及温度等有一定变化时，会导致精馏塔内所有指标发生较大的浮动，在持续振荡一段时间后慢慢稳定下来；一定范围领域内的进料量变化不会太大影响到塔的操作，但是当进料组成及热状况发生变化时，将严重干扰了塔的操作。通过ChemCAD对精馏塔操作进行动态模拟，有利于深入分析精馏过程特性，明确经济合理的优化控制方案。

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