CN109603184A - 一种精馏塔段近似捷算方法及精馏塔的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精馏塔段近似捷算方法及精馏塔的控制方法，通过机理建模，首先对整个塔段结构和其中的参数进行初步的估计及边界条件的确定，然后通过辨识算法对其进行建模，根据蒸馏塔段的两端压力、进入蒸馏塔段的物料流等初始条件，使用本发明的方法得出了具有良好精度的输出精馏塔段的物料流组成、流量和温度等参数，实现了对精馏塔段的准确模拟。

Description

一种精馏塔段近似捷算方法及精馏塔的控制方法

技术领域

本发明属于仿真建模领域，涉及一种精馏塔段近似捷算方法。

背景技术

在石油化工企业的生产过程当中，事故可能发生于工厂的各个地方。导致事故发生的除了设备的问题之外，更多的是在突发情况下因为操作人员的不当操作引发的。但是，这些突发情况，往往是无法在现实实际中培训的。又因为事故的发生原因和地点的随机性和复杂性，而依靠辨识算法或智能算法得到的模型往往无法真实反应实际工厂中任意一处的过程状态。然而，机理建模可以真实的反应整个工厂所有过程状态。因此，通过机理建模建造的仿真平台可以真实的反应实际生产过程，在此平台下对操作人员进行培训，可以训练在突发情况下操作人员的应急操作，节约培训成本。

仿真平台的精准性和实时性是研究基础。通过机理建模解决模型问题会带来大量的计算，导致整个平台实时性变差，不利于后续开发研究，且模型难以建立。同时，通过辨识算法建立的模型，其模型精度往往不能达到要求。另外，在有些情况下，需要根据已知的或测量得到的条件或参数等对精馏塔段的输出参数进行预估，方便对精馏塔进行控制。因此需要用另外一种方法对实际工厂进行模型的建立，较为精确的得到输出精馏塔段的各种参数。

发明内容

为解决现有技术中存在的至少其中一问题，本发明提出了一种精馏塔段近似捷算方法。

作为本发明的其中一方面，本发明提出了一种精馏塔段近似捷算方法，包括：

1)，获取进入精馏塔段的液体物料流LI，气体物料流VI，精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；LI和VI形成的气液流体混合物包括c个可凝油组分，水和干气；

2)，由公式计算得到塔段分配系数K_i，其中k_i表示组分i的分配系数，k₀表示分配系数幂指数项，P_i ^s表示组分i在塔段平均温度下的蒸汽压(以下简称蒸汽压)，P表示塔段平均压力(以下简称塔段压力)；

3)，将LI和VI合并为进料流F，物料流F的焓是h_F kJ/kmol；计算精馏塔段的塔段压力P，

4)，从精馏塔段输出的液体物料流为LO，气体物料流为VO，在LO和VO同时存在的情况下，设定蒸馏塔段的塔段平均温度T为其中T_top是气体物料流VO的温度，T_bot是液体物料流LO的温度；

5)，根据进料流F的组成、塔段压力P和塔段平均温度T，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，通过绝热闪蒸计算(即PH闪蒸计算或者是指定压力和焓的闪蒸计算)得到VO和LO的参数，该参数包括VO和LO的组成、流量和温度。

进一步，进入精馏塔段的液体物料流LI，气体物料流VI，精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot可以通过对物料流进行测试或者通过设置的各种传感器测量得到。

进一步，上述的一种精馏塔段近似捷算方法包括：

1)，获取进入精馏塔段的液体物料流LI，气体物料流VI，精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；LI和VI形成的气液流体混合物包括c个可凝油组分，水和干气；

2)，由公式计算得到塔段分配系数K_i，其中k_i表示各组分i的分配系数，k₀表示分配系数幂指数项，P_i ^s表示蒸汽压，P表示塔段压力；

3)，将LI和VI合并为进料流F，通过物料平衡和焓平衡得进料流F的摩尔分数组成为{z₁,z₂,…,z_c,z_w,z_g}，下标c为可凝油组分，w为水，g为干气；物料流F的焓是h_F kJ/kmol；计算精馏塔段的塔段平均压力P，

4)，从精馏塔段输出的液体物料流为LO，气体物料流为VO，在LO和VO同时存在的情况下，设定蒸馏塔段的塔段平均温度T为其中T_top是气体物料流VO的温度，T_bot是液体物料流LO的温度；

5)，计算平均温度T的上限T_max和下限T_min；

对于上限T_max，在F不含水和干气(即z_w＝z_g＝0)时，假设F为液体，依据h_F计算F的温度为T_L，在F含有水和/或干气时，假设水和干气为气体，可凝油组分为液体，在给定焓h_F下计算F的温度为T_L；依据分配系数定义，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，运用露点算法计算压力P下F的露点温度T′_d；由T_max＝min{T_L,T′_d}得到上限T_max；

对于下限T_min，假设F为气体，依据h_F计算F的温度得到T_G；在F含水和干气时，则下限T_min＝T_G；在F不含水和干气时，依据分配系数定义，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，运用泡点算法(固定压力下，液面出现第一个气泡时，液体的温度)计算压力P下F的泡点温度T′_b，由T_min＝max{T_G,T′_b}得到下限T_min；

设定塔段平均温度T的初值为T＝(T_min+T_max)/2，根据进料流F的组成、压力P和平均温度T的初值以及上、下限温度，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，通过PH(绝热)闪蒸计算得到VO和LO的参数，该参数包括VO和LO的组成、流量和温度。

进一步，在塔段压力P、温度T_L下计算分配系数K_i以及的值，在塔段压力P、温度T_G下计算分配系数K_i以及的值，在满足且的条件下，LO和VO同时存在。

步骤5)中绝热闪蒸计算包括：

a、在塔段压力P和温度T下，计算分配系数K_i，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，进而用等温闪蒸计算(即PT闪蒸计算，或者是指定压力和温度的闪蒸计算)VO和LO的组成及流量；

b、计算VO在P_top下的露点温度T_d，由T_top＝c_TT_d计算VO的温度T_top，式中c_T为校正系数；根据T_bot＝2T-T_top计算计算LO的温度T_bot，进而计算VO的焓h_VO和LO的焓h_LO；

c、计算目标函数式中，c_H是焓平衡校正系数，e是VO占F的摩尔分数；如果|g|<10^-5，则计算结束,否则，在T的上、下限温度范围内调整T的值，返回步骤a。

进一步，在T的上、下限温度范围内用二分法或割线法调整T的值。

进一步，上述方法还包括，

根据已知的精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot，进入精馏塔段的液体物料流LI和气体物料流VI，从精馏塔段输出的液体物料流LO和气体物料流为VO，计算塔段压力P和平均温度T，将LI和VI合并成物料流F；根据

得到k₀，然后由

得到组分i的分配系数k_i；

根据T_top＝c_TT_d计算温度校正系数c_T；

根据计算焓平衡校正系数c_H。

作为本发明的另外一方面，本发明提出了一种精馏塔的控制方法，包括：

通过测量或测试得到进入精馏塔段的液体物料流LI的组成及流量、气体物料流VI的组成及流量、精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；

通过上述的捷算方法由进入精馏塔段的液体物料流LI的组成及流量、气体物料流VI的组成及流量、精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot，获得从精馏塔段输出的液体物料流LO和气体物料流VO的参数，该参数包括VO和LO的组成、流量和温度；

将从精馏塔段输出的液体物料流LO和气体物料流VO的参数输入工业控制系统，对精馏塔进行控制。

本发明采用机理-辨识方法对蒸馏塔段进行建模。针对辨识建模精度不高、机理建模过于复杂的情况，将机理-辨识建模方法引入对塔段模型的建立中，通过机理建模，首先对整个塔段结构和其中的参数进行初步的估计及边界条件的确定，然后通过辨识算法对其进行建模，根据蒸馏塔段的两端压力、进入蒸馏塔段的物料流等初始条件，使用本发明的方法得出了具有良好精度的输出精馏塔段的物料流组成、流量和温度等参数，实现了对精馏塔段的准确模拟，一方面在生产实践中可以实现对精馏塔段输出的预估，根据得到的精馏塔的各种参数，方便实现对精馏塔段进行控制；另一方面可以将获得参数用于仿真平台，保证了模型精度的同时，降低了建模的难度，提高了运算效率，并且进行实际测试，实验结果与理论设计吻合，具有良好的精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1为根据本发明具体实施方式的精馏塔段模型示意图；

附图2为根据本发明实施例1的初馏塔操作条件图；

附图3为根据本发明实施例1的初馏塔产品图；

附图4为根据本发明实施例2的初馏塔操作条件图；

附图5为根据本发明实施例2的初馏塔产品图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

1塔段模型

本发明研究的精馏塔段如图1所示，进出气液流分别记为：

(1)液体物料流LI，顶端进入塔的液体，

(2)液体物料流LO，底端离开塔的液体，

(4)气体物料流VI，底端进入塔的气体，

(2)气体物料流VO，顶端离开塔的气体。

给定塔段两端压力和进入塔段物料流LI、VI，计算离开塔段的气体VO和液体LO。塔段两端压力为精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；LI和VI形成的气液流体混合物包括c个可凝油组分，水和干气。水为过热蒸汽，和干气一样在塔段操作中不冷凝，一直为气体。

2分配系数

基于芬斯克(Fenske)公式推导过程，上述塔段可以近似为，

式中，N_min是最小塔板数。从吉利兰(Gilliland)关联图可知，N_min与实际塔板数和操作条件有关，尤其是与回流比有关。

基于上述分析，定义塔段分配系数，

并将该分配系数与操作条件关联如下

其中，k_i是组分i的分配系数，k₀是分配系数幂指数项，P_i ^s表示组分i在塔段平均温度下的蒸汽压(以下简称蒸汽压)，P表示塔段平均压力(以下简称塔段压力)。

应用中，可从从已知的离开塔段气体和液体组成求取上式关联参数。首先，假设k_i对各个组分为常数k因此，可从n个组分的组成数据，利用最小二乘法得到k₀，即从

得

求得k₀后，进一步求得

3塔段计算

图1所示的塔段模型，求解策略如下：

3.1.给定塔段顶端和底端压力P_top与P_bot，给定进入塔段的气体流VI和液体流LI。令塔段压力P为

3.2.将LI和VI合并为进料流F，通过物料平衡和焓平衡得进料流F的摩尔分数组成是{z₁,z₂,…,z_c,z_w,z_g}，焓是h_F kJ/kmol，下标c指可凝油组分，w为水，g为干气。

3.3.如果F不含水和干气(z_w＝z_g＝0)，假设F为液体，依据h_F计算F的温度为T_L。在压力P、温度T_L下按式(3)计算分配系数K_i，并且计算的值。如果

则F为过冷液体，去LO为F，VO不存在，计算结束。

如果F含有水和/或干气，假设水和干气为气体，油组分为液体，在给定焓h_F下计算F的温度，也记为T_L。

3.4.假设F为气体，依据h_F计算F的温度T_G。在压力P、温度T_G下按式(3)计算分配系数K_i，并且计算的值。如果

则F为过热气体，去VO为F，LO不存在，计算结束。

3.5.在满足且LO和VO同时存在的情况下，假定塔段的平均温度T是

式中，T_top是气体VO的温度，T_bot是液体LO的温度。

T的取值范围可以确定如下：

(1)如果F含水和干气，则T的下限T_min＝T_G。如果F不含水和干气，依据分配系数定义，使用塔段分配系数Ki替代平衡系数，运用泡点算法(固定压力下，液面出现第一个气泡时，液体的温度)计算压力P下F的泡点温度T′_b。显然，此时T_min＝max{T_G,T′_b}。

(2)依据分配系数定义，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，运用露点算法计算压力P下F的露点温度T′_d。显然，T的上限T_max＝min{T_L,T′_d}。

基于上述分析，LO和VO可由以下广义PH闪蒸计算得到：

3.5.1.设塔段平均温度初值为T＝(T_min+T_max)/2。

3.5.2.在压力P和温度T下，用式(3)计算分配系数K_i，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，进而用广义PT闪蒸计算VO和LO的组成及流量。计算时，假设水和干气在液相中不存在。

3.5.3.计算VO在P_top下的露点温度T_d(通常意义上的露点)，VO的温度T_top取为，

T_top＝c_TT_d (10)

式中，c_T为校正系数。由式(9)，计算LO的温度

T_bot＝2T-T_top

以及进而计算VO和LO的焓h_VO、h_LO。

3.5.4.计算目标函数

式中，c_H是焓平衡校正系数，e是VO占F的摩尔分数。如果|g|<10^-5，则计算结束。否则，用二分法或割线法调整T，返回5.2。

注意到：所谓广义的泡点、露点、PT闪蒸、PH闪蒸，与相应的通常算法一样，只是K_i不再是平衡常数，而是前述的分配系数。计算分配系数时，蒸汽压的校正参数可取为0，以简化模型和计算。

4模型校正

给定图1所示塔段的稳态操作数据；P_top、P_bot以及物流VI、VO、LI及LO，求上述模型参数的方法如下：

1.按式(6)和(9)计算塔段的平均压力P和平均温度T，将LI和VI合并成物料流F。

2.由式(4)和(5)计算在VO和LO中均存在组分的分配系数参数k₀及k_i。

3.对在VO和/或LO中不存在的组分，设其分配系数参数k_i相同，设为a。则a可用迭代方法搜索确定。a的取值应满足：在P、T下用式(3)计算分配系数K_i，进而对F做广义的PT闪蒸，所得VO的流量与给定VO的流量相等。

4.依据式(10)计算顶端气体的温度校正系数。

5.依据式(11)计算焓平衡校正系数

实施例1

以初馏塔为例，通过对初馏塔的建模证明本发明的有效性。

下表中，表1中是初馏塔结构参数，表2中是基于SPCs的原油基础物性。其中，是平均沸点、是相对密度、是摩尔质量。nC₄H₁₀、nC₅H₁₂为已知真组分，SPC-1至SPC-36为基准假组分，H₂O为水，dryGAS为干气。

表1初馏塔结构参数

表2基于基准假组分(SPCs)的原油基础物性

基于表1、2中数据，通过式(4)可以求得分配系数幂指数项k₀，通过式(5)可以求得各组分的分配系数k_i。通过式(10)和式(12)分别计算出校正系数c_T和焓平衡校正系数c_H。于是，可得塔段简化模型参数如表3所示：

表3初馏塔校正参数

实验结果如图3、4所示，为初馏塔基于SPCs对初馏塔进行模型仿真实验所得的仿真操作条件、塔产品曲线图，说明本发明提出的建模方法可以达到稳态。又根据以上的实验结果图3、4，可以得出表4、5，为基于SPCs的初馏塔简化模型的稳态操作条件及物料平衡对比。

表4初馏塔操作条件

表5初馏塔物料平衡

由上述实验结果可以得出，基于SPCs的初馏塔简化模型无论是操作条件还是物料间的误差都是小于0.2％的，即证明了该模型完全可以用于仿真平台中。

实施例2

实际现场中，油品往往不是单一的。因此，采用另外三组原油对本发明进行验证。油品实沸点数据如表6所示，对于3种进料分别进行仿真实验，实验所得的仿真操作条件、初馏塔产品曲线图，如图4、5所示。说明基于SPCs的初馏塔建模对于3种进料可以达到相同的稳态。

表6为63种原油的进料原油的实沸点数据

根据以上的实验结果图4、5，可以得出表7、8，基于SPCs的初馏塔简化模型分别对于3种进料进行实验的稳态操作条件及物料平衡对比。

表7三种不同进料的初馏塔操作条件

表8三种不同进料的初馏塔塔物料平衡

由上述实验结果可以得出，基于SPCs的初馏塔简化模型应用于仿真平台中，只需通过调整模型参数就可以使其适应进料时变的各种塔的仿真，使塔模型具有通用性。

实施例3

一种精馏塔的控制方法，包括：

测量或测试得到进入精馏塔段的液体物料流的组成及流量、气体物料流的组成及流量、精馏塔段顶端压力和精馏塔段底端压力；

在实施例1的基础上可以得到分配系数幂指数项k₀，各组分的分配系数k_i，校正系数c_T和焓平衡校正系数c_H；通过本发明的捷算方法由进入精馏塔段的液体物料流的组成及流量、气体物料流的组成及流量、精馏塔段顶端压力和精馏塔段底端压力，获得从精馏塔段输出的液体物料流和气体物料流的参数，该参数包括和的组成、流量和温度；

将从精馏塔段输出的液体物料流和气体物料流的参数输入工业控制系统，对精馏塔进行控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种精馏塔段近似捷算方法，其特征在于，该方法包括：

1)，获取进入精馏塔段的液体物料流LI，气体物料流VI，精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；LI和VI形成的气液流体混合物包括c个可凝油组分，水和干气；

2)，由公式计算得到塔段分配系数K_i，其中k_i表示组分i的分配系数，k₀表示分配系数幂指数项，P_i ^s表示组分i在塔段平均温度下的蒸汽压，P表示塔段平均压力；

3)，将LI和VI合并为进料流F，物料流F的焓是h_FkJ/kmol；计算精馏塔段的塔段平均压力P，

4)，从精馏塔段输出的液体物料流为LO，气体物料流为VO，在LO和VO同时存在的情况下，设定蒸馏塔段的塔段平均温度T为其中T_top是气体物料流VO的温度，T_bot是液体物料流LO的温度；

5)，根据进料流F的组成、塔段平均压力P和塔段平均温度T，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，通过绝热闪蒸计算得到VO和LO的参数，该参数包括VO和LO的组成、流量和温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

1)，获取进入精馏塔段的液体物料流LI，气体物料流VI，精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；LI和VI形成的气液流体混合物包括c个可凝油组分，水和干气；

2)，由公式计算得到塔段分配系数K_i，其中k_i表示组分i的分配系数，k₀表示分配系数幂指数项，P_i ^s表示组分i在塔段平均温度下的蒸汽压，P表示塔段平均压力；

3)，将LI和VI合并为进料流F，通过物料平衡和焓平衡得进料流F的摩尔分数组成为{z₁,z₂,…,z_c,z_w,z_g}，下标c为可凝油组分，w为水，g为干气；物料流F的焓是h_FkJ/kmol；计算精馏塔段的塔段平均压力P，

4)，从精馏塔段输出的液体物料流为LO，气体物料流为VO，在LO和VO同时存在的情况下，设定蒸馏塔段的塔段平均温度T为其中T_top是气体物料流VO的温度，T_bot是液体物料流LO的温度；

5)，计算平均温度T的上限T_max和下限T_min；

对于上限T_max，在F不含水和干气时，假设F为液体，依据h_F计算F的温度为T_L，在F含有水和/或干气时，假设水和干气为气体，可凝油组分为液体，在给定焓h_F下计算F的温度为T_L；依据分配系数定义，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，运用露点算法计算压力P下F的露点温度T′_d；由T_max＝min{T_L,T′_d}得到上限T_max；

对于下限T_min，假设F为气体，依据h_F计算F的温度得到T_G；在F含水和干气时，则下限T_min＝T_G；在F不含水和干气时，依据分配系数定义，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，运用泡点算法计算压力P下F的泡点温度T′_b，由T_min＝max{T_G,T′_b}得到下限T_min；

设定塔段平均温度T的初值为(T_min+T_max)/2，根据进料流F的组成、压力P和平均温度T的初值以及上下限温度，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，通过绝热闪蒸计算得到VO和LO的参数，该参数包括VO和LO的组成、流量和温度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在塔段平均压力P、温度T_L下计算分配系数K_i以及的值，在塔段平均压力P、温度T_G下计算分配系数K_i以及的值，在满足且的条件下，LO和VO同时存在。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中绝热闪蒸计算包括：

a、在塔段平均压力P和温度T下，计算分配系数K_i，使用塔段分配系数K_i替代平衡系数，进而用等温闪蒸计算VO和LO的组成及流量；

b、计算VO在P_top下的露点温度T_d，由T_top＝c_TT_d计算VO的温度T_top，式中c_T为校正系数；根据T_bot＝2T-T_top计算计算LO的温度T_bot，进而计算VO的焓h_VO和LO的焓h_LO；

c、计算目标函数式中，c_H是焓平衡校正系数，e是VO占F的摩尔分数；如果|g|<10^-5，则计算结束，否则，在T的上、下限温度范围内调整T的值，返回步骤a。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：

在T的上、下限温度范围内用二分法或割线法调整T的值。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于：该近似捷算方法还包括，

根据已知的精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot，进入精馏塔段的液体物料流LI和气体物料流VI，从精馏塔段输出的液体物料流LO和气体物料流为VO，计算塔段压力P和平均温度T，将LI和VI合并成物料流F；

根据

得到k₀，然后由

得到组分i的分配系数k_i；

根据T_top＝c_TT_d计算温度校正系数c_T；

根据计算焓平衡校正系数c_H。

7.一种精馏塔的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

通过测量或测试得到进入精馏塔段的液体物料流LI的组成及流量、气体物料流VI的组成及流量、精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot；

通过权利要求1-6任一项所述的捷算方法由进入精馏塔段的液体物料流LI的组成及流量、气体物料流VI的组成及流量、精馏塔段顶端压力P_top和精馏塔段底端压力P_bot，获得从精馏塔段输出的液体物料流LO和气体物料流VO的参数，该参数包括VO和LO的组成、流量和温度；

将从精馏塔段输出的液体物料流LO和气体物料流VO的参数输入工业控制系统，对精馏塔进行控制。