基于脱丙烷塔的精馏塔建模及稳态仿真

化工动态学化工动态建模报告题目：基于脱丙烷塔的精馏塔建模及稳态仿真姓名: 赵东学号：2011200832班级：信研 1102化工动态学目 录一、 背景介绍 .......................................................................................31、课题背景 .......................................................................................32、气分脱丙烷装置介绍 ...................................................................3二、模型分析 ...........................................................................................51、建模方法 .......................................................................................52、机理分析 .......................................................................................5三、 模型建立 .......................................................................................71、参数整理 .......................................................................................72、逐板递推计算公式 .......................................................................8四、 仿真实验 .....................................................................................101、仿真界面 .....................................................................................102、仿真验证 .....................................................................................122.1、脱丙烷塔的仿真检验 ........................................................122.2、其它模型工况参数检验 ....................................................16参考文献 .................................................................................................18附录程序 .................................................................................................19化工动态学一、 背景介绍1、课题背景精馏塔作为化工流程中最重要的设备之一，一直是人们研究的热点。

而一套好的精馏塔模型，可以给我们的研究和控制带来很多便利本课题基于气分脱丙烷过程，研究学习了脱丙烷塔的模型建立，用脱丙烷过程中实际工况数据加以验证此外，基于此模型还编制了一个精馏塔稳态仿真的 MATLAB 界面，适用于其它相似的分离过程，达到方便且快捷仿真的目的2、气分脱丙烷装置介绍气体分馏装置是以催化裂化装置所产液化气经脱硫、脱硫醇后作为原料，主要生产精丙烯，再作为聚丙烯装置的原料丙烷馏分可作为工业丙烷或与碳四混合后作为民用液化气脱除硫化氢和硫醇的催化液化气进入装置，经凝聚脱水器脱除游离水后进入脱丙烷塔进料罐，液化气通过脱丙烷塔进料泵从进料罐抽出，经原料—碳四换热器换热后，再经脱丙烷塔进料加热器加热，以泡点状态进入脱丙烷塔的进料塔板脱丙烷塔采用了 69 层高效浮阀塔塔顶蒸出的碳二、碳三馏分经脱丙烷塔顶冷凝器冷凝冷却后进入脱丙烷塔顶回流罐，冷凝液自脱丙烷塔顶回流罐抽出，一部分用脱丙烷塔顶回流泵送入塔顶第 69 层塔板上作为塔顶回流，另一部分用脱乙烷塔进料泵抽出作为进料脱丙烷塔底再沸器热源为中压蒸汽塔底碳四采出馏分经于原料换热后，再经碳四馏分冷却器冷却后送至液化气罐区如图 1.1[1]化工动态学图 1.1 气分装置流程图化工动态学二、模型分析1、建模方法系统建模的方法一般有机理建模、实验建模（系统辨识）以及前两种方法的综合。

在精馏塔的建模中，机理建模在同类对象中推广能力强，工况变化时仍能给出较好的结果相反，辨识法得到的模型的推广能力就差一些，但是不要求对对象的运行机理有多少了解在这里我们选用机理建模机理建模有简化法 [2]和逐板计算法 [1,2]简化法一般只用于二元精馏、轻烃分离中的快速估算逐板计算则是依据理论板的定义，在给定条件下对每一板进行物料平衡、相平衡和热量平衡的计算，一般需要反复迭代本课题选用逐板计算方法2、机理分析脱丙烷塔的精馏过程可由物料平衡、相平衡、热量平衡和摩尔分率总和四组方程来描述为了简化模型，提出如下假设：1）每块塔板上的汽液相充分混合；2）塔板液相滞留量保持恒定；3）忽略热量损失及塔板热容；4）液相与气相在离开塔板时处于汽液平衡状态；5）精馏段和提馏段上升气量及下降液量保持不变建立热力学方程如下：1） 物料平衡方程：\* MERGEFORMAT 1j, ,,,1,jji jijiiijFVLzyxVyLx(2.1)2） 组分相平衡：\* MERGEFORMAT (2.2),,ijijk为平衡常数ijk化工动态学3） 分子分率归一化方程：\* MERGEFORMAT (2.3),,1ijijxy4） 热量平衡：\* , ,,1,1,fvlvlji jijijjijiFhVLhQVhLMERGEFORMAT (2.4)其中：i 为物料中组分；j 为塔板位置；F 为进料量；Z 为进料组成；为进料焓值；fhV 为塔中气相流量；L 为塔中液相流量；y 为气相中物料组成；x 为液相中物料组成；为液相焓值；lh为气相焓值；v为热交换量。

jQ化工动态学三、 模型建立1、参数整理将脱丙烷塔分为三部分，塔板段、冷凝器和再沸器（也可分为四部分，其中塔板段又分为精馏段和提留段 [2,3,4]） 总有 69 层塔板，为了便于计算，将再沸器和塔顶冷凝器均算作一块塔板（若不想这样处理，只要在逐板计算的第一个和最后一个方程计算时，带入适当参数即可 [2]） ，则该塔有 71 块塔板，塔板编号按照从下到上的顺序排列，进料在第 38 块塔板如图 3.1 所示：图 3.1 脱丙烷塔原理图若不考虑能量损失，将塔内的乙烷和丙烷看作轻组分，其余为重组分，则得到一个二元精馏塔对象这样模型中只有一类状态变量，即每层塔板上轻组分含量（这里不考虑各层塔板的温度和压力） 图 3.2 列出了脱丙烷塔的四个组成部分：塔板、进料板、塔顶冷凝器和塔底再沸器脱丙烷塔有三个进出流量，分别是进料流量 F，塔顶采出量 D，塔底采出量 B内部有塔顶回流量 L，塔底再沸器产生蒸汽量 V化工动态学图 3.2 脱丙烷塔机理分析图其中参数为：L 为塔顶回流量；V 为再沸器产生的蒸汽量；为塔顶采出轻组分含量；Dx为塔底采出轻组分含量；BF 为进料流量；zF 为进料中轻组分含量；qF 为进料中液体含量；n 为塔板数量。

由图可以得出 D=V-L，B=F+L-V若是在控制系统中，L 与 V 为控制变量，塔顶和塔底轻组分含量为被控变量2、逐板递推计算公式由恒相对挥发度假设，气液平衡方程为：\* MERGEFORMAT ()1,2.,()01()ii naxk kx(3.1)若假设每层塔板气体滞留量相同，都等于塔底再沸器蒸汽量，有\* MERGEFORMAT (3.2),2,.1,0i nVV化工动态学假设每层塔板液体滞留量相同，从下往上编号，得到以下逐板递推计算公式：塔底再沸器：\* MERGEFORMAT (3.3)121()()()dxHLFxVxkt提馏段塔板：\* MERGEFORMAT 11()())()2,.iii iikLFdtnf(3.4)进料塔板：\* 11())()nfffnf nfnfdxHLVkxLFxVkFztMERGEFORMAT (3.5)精馏段：\* MERGEFORMAT 1 1,.iiiiidxyxynft(3.6)塔顶冷凝器：\* MERGEFORMAT (3.7)1()()nnnnxHVkLxVdt因为公式 3.5-3.11 需要编程实现，故需要对原始递推公式做一定的整理。

具体来说，对于每层塔板的轻组分的浓度的导数 需要离散化，以保证能够编程实现上面得到的it都是常系数线性微分方程，这里采用一阶欧拉法来求解，具体方法如公式 3.12：\* MERGEFORMAT (3.8)1iiidxth其中 h 是微分步长，h 的大小一般不易取太大，否则会加大累积的截断误差；若取太小，可能会造成仿真最终结果不是稳态值（具体见仿真平台部分） ，一般可取 1化工动态学四、 仿真实验1、仿真界面基于逐板计算的递推公式，编制了脱丙烷塔的稳态仿真程序，并为之配备了交互界面，如图 4.1 所示图 4.1 精馏塔稳态仿真界面仿真界面分为精馏塔稳态运行参数输入和仿真计算参数输入两大输入模块，其中各个参数输入时，需要注意该参数的单位是否与仿真界面上的单位一致，如果不同，请自行转换，此外，若输入塔板数和进料塔板数不是整数，仿真程序会自动提醒点击“OK”按钮，则报错窗口关闭如图 4.2 所示化工动态学图 4.2 自动提醒在输入完仿真程序运行所必须的参数后，可以选择查看某些塔板的轻组分浓度过渡过程曲线，请按照 1*n 的矩阵形式输入（用空格或者“， ”分隔） 若输入为“[0] ”，则程序默认为选择查看塔底和塔顶的浓度曲线。

所有输入数据完成后，点击“RUN”按钮，运行仿真程序，运行完毕后，我们可以在仿真界面的右下角看到稳态时，塔顶和塔底的轻组分浓度比率数值在输入计算参数时，若“h”选择过小， “dt”过大 ， “tt”过小，可能会造成仿真程序运行完后，精馏塔还未达到稳态，如图 4.4 所示系统会自动弹出警告窗口，如图 4.3 所示，提醒用户选择更好的计算参数输入这时候就需要在查看相应塔板浓度曲线的基础上，结合警告窗口的提示信息，修改以上计算参数，确保塔顶和塔底轻组分浓度数值为稳态值图 4.3 警告示意图注意，由于程序中采用的是欧拉法离散化模型进而求解的，不能无限增大微分步长 h（h 过大，会增大累积误差，可能使最后的结果误差很大） ，建议修改时尽量修改 dt 和 tt化工动态学0 50 100 150 200 250 30000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time(s)和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和图 4.4 未达到稳态时的塔顶和塔底浓度曲线2、仿真验证现在，输入相应的工况参数，查看仿真效果2.1、脱丙烷塔的仿真检验首先，输入脱丙烷塔的工况参数，具体参。