常減壓蒸餾流程模擬與優(yōu)化及換熱網(wǎng)絡(luò)綜合.pdf

1、本文以煉油廠常減壓蒸餾裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化為背景，建立了大型常減壓蒸餾流程的MESH (Mass balances，Equilibrium relations，mole fraction Summations and Heat balances)模型。在流程模擬的基礎(chǔ)上，以初餾塔、常壓塔和減壓塔的進(jìn)料位置為優(yōu)化決策變量，常減壓蒸餾裝置最大年綜合收益為目標(biāo)函數(shù)，在 PRO/Ⅱ平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，編寫了求解優(yōu)化問題的FORTRAN程序，獲得了良

2、好的優(yōu)化效果。從優(yōu)化流程結(jié)果中提取常減壓蒸餾過程冷熱物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對常減壓蒸餾裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析，獲得組合曲線和總組合曲線以及冷熱物流在不同溫度間隔對熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)。利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法建立換熱網(wǎng)絡(luò)的 MINLP 數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用分支界限法對 MINLP 模型進(jìn)行了求解，獲得有無分流兩種換熱網(wǎng)絡(luò)，對比分析了兩種換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)。具體研究工作總結(jié)如下： (1) 針對原油常減壓蒸餾工藝，建立初餾塔精餾過程 MESH 方程，即組分物料平

3、衡方程、相平衡方程、摩爾分?jǐn)?shù)加和歸一化方程、總物料平衡方程和能量平衡等方程。流程模擬過程中，狀態(tài)方程選擇 SPR 方程，液體密度選用 API 關(guān)聯(lián)式計(jì)算，用 PRETRO方法計(jì)算傳遞性質(zhì)，用 Glitsch 方法計(jì)算浮閥塔板壓降，用簡單換熱器模型計(jì)算換熱器和加熱爐傳熱情況。通過模型的求解，獲得了各物流流量、溫度和壓力等參數(shù)。初餾塔、常壓塔和減壓塔溫度和汽液流量沿塔板的分布側(cè)形圖能夠很好地反映蒸餾過程和進(jìn)出物料以及中段冷卻循環(huán)對蒸餾過程的

4、影響。流程模擬結(jié)果與系統(tǒng)工藝要求吻合良好，證實(shí)模型可靠和模擬結(jié)果正確，可信的流程模擬結(jié)果為流程優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (2) 在流程模擬的基礎(chǔ)上，給定塔板數(shù)、原油進(jìn)料流量、組分、側(cè)線抽取參數(shù)、中段冷卻循環(huán)參數(shù)、汽提參數(shù)等約束條件以及所有參數(shù)必須大于零的不等式約束條件，以初餾塔、常壓塔和減壓塔進(jìn)料位置為優(yōu)化決策變量，建立了以最大年綜合收益為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型。在 PRO/Ⅱ平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，編寫求解優(yōu)化模型的 FORTRAN 程

5、序，獲得了良好的優(yōu)化結(jié)果。給出了優(yōu)化后的流程模擬參數(shù)，結(jié)果表明優(yōu)化后的流程仍然能夠滿足系統(tǒng)工藝要求。對比分析了流程優(yōu)化前后初餾塔、常壓塔和減壓塔的溫度與汽液流量沿塔板數(shù)的分布情況，結(jié)果表明側(cè)形圖能夠正確反映進(jìn)料位置的改變對蒸餾過程的影響。 (3) 流程優(yōu)化前后結(jié)果對比表明，優(yōu)化后的流程在溫度和壓力等參數(shù)方面沒有大的改變，仍然滿足工藝要求，最大的改變在于各產(chǎn)品流量發(fā)生了改變。根據(jù)產(chǎn)品價(jià)格的高低，高價(jià)格產(chǎn)品流量得到較大的增長，這種增

6、長是以低價(jià)格產(chǎn)品的流量減少為代價(jià)的。泵功減少對整套裝置年綜合收益的增長也有貢獻(xiàn)，但各產(chǎn)品綜合收益對年綜合收益的貢獻(xiàn)最大。年綜合收益的增長是以加熱負(fù)荷和冷卻負(fù)荷增加為代價(jià)的。 (4) 從優(yōu)化后流程模擬結(jié)果中提取參與換熱的冷熱過程流體及現(xiàn)場其他一些冷熱物流，運(yùn)用夾點(diǎn)分析法對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析。得到了各熱流體和冷流體在各自溫度間隔的熱負(fù)荷分布情況，繪制了組合曲線和總組合曲線。對于熱流體，熱端提供的熱負(fù)荷較大，冷端提供的的熱負(fù)荷較小，

7、其中熱物流 JNZY 對整個(gè)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大。對于冷流體，需要熱負(fù)荷的冷流體主要是流體 BTY 和 YY，且集中在中低溫度間隔內(nèi)。組合曲線和總組合曲線說明 HRAT 越小，回收的熱量越大，需要的熱公用工程和冷公用工程也越少，公用工程投資和冷熱公用工程費(fèi)用將減少，但是由于換熱網(wǎng)絡(luò)接近溫差變小，整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱器面積將增大，從而增加了換熱器投資，說明在實(shí)際過程中要兼顧換熱器等設(shè)備的投資成本。不同 HRAT 的換熱網(wǎng)絡(luò)，其夾點(diǎn)是變化的。

8、 (5) 運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，對參與換熱的所有冷熱物流建立 MINLP 換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用分支界限法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得無分流和有分流兩種換熱網(wǎng)絡(luò)。給出了無分流換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱器、冷卻器和加熱器匹配流體的進(jìn)出口溫度、換熱負(fù)荷和換熱面積；無分流的換熱網(wǎng)絡(luò)需要142個(gè)換熱器、8個(gè)冷卻器和4個(gè)加熱器。對于有分流換熱網(wǎng)絡(luò)，給出了換熱器、冷卻器和加熱器匹配流體的進(jìn)出口溫度、流率分?jǐn)?shù)、換熱負(fù)荷和換熱面積；有分流的換熱網(wǎng)絡(luò)需要34個(gè)換熱器、8個(gè)

9、冷卻器、4個(gè)加熱器、11個(gè)分流器和11個(gè)混合器。分別給出了有無分流換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱格子圖，該圖能夠直觀地反映冷熱流體的換熱情況，包括進(jìn)出口溫度、流量、換熱負(fù)荷、換熱面積和流率分?jǐn)?shù)等。對兩種換熱網(wǎng)絡(luò)對比分析表明，有無分流換熱網(wǎng)絡(luò)在冷熱過程流體換熱的總熱負(fù)荷上完全相同，冷熱過程流體與公用工程換熱在投資成本和年操作成本上也大體相近，但有分流換熱網(wǎng)絡(luò)的總換熱面積較無分流換熱網(wǎng)絡(luò)大，總投資成本高。從經(jīng)濟(jì)效益上看，無分流換熱網(wǎng)絡(luò)更具有優(yōu)勢。然而，由于

10、無分流換熱網(wǎng)絡(luò)換熱器數(shù)目龐大，彈性不夠，而有分流的換熱網(wǎng)絡(luò)換熱器數(shù)目大大減少，可以根據(jù)流程變化對分流進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有一定的操作靈活性?？紤]到原油常減壓蒸餾裝置的長期投資性和換熱網(wǎng)絡(luò)的靈活性，目前大多數(shù)企業(yè)大多選擇有分流的換熱網(wǎng)絡(luò)。對比分析了夾點(diǎn)分析和數(shù)學(xué)規(guī)劃法在熱回收量、換熱面積、投資成本和年公用工程費(fèi)用之間的關(guān)系。 本文以原油常減壓蒸餾裝置的流程模擬與優(yōu)化及其換熱網(wǎng)絡(luò)綜合為研究內(nèi)容，運(yùn)用流程模擬和優(yōu)化及換熱網(wǎng)絡(luò)綜合理論，對常減壓