常压蒸馏塔模拟分析

中石油建设hy

常减压炼油装置作为石油化工行业的龙头，其生产操作的稳定性、控制手段的可靠性、管理技术的
先进性，对企业的效益影响很大) 近年来，随着常减压装置生产过程的在线优化控制技术的推广应用，
如何利用高质量的装置操作数据，通过系统模拟与分析，确定装置的最佳操作条件，提高石化企业的经
济效益和市场竞争力，成为企业迫切需要解决的课题) 为充分利用装置在线测量数据信息，优化操作参
数，降低成本和能耗，提高管理水平，对工艺过程严格在线模拟分析技术的应用研究越来越受到人们的

重视，已成为!"#$ 的重要组成部分［% & ’］(
目前国内使用的几种化工流程模拟系统，如)$#*+ #,-$、#./0!、*!$$ 等虽可用于原油加工过程，
但需要有独立的运行环境，只能离线操作，不能直接用于装置的在线模拟分析［’ & 1，%2］( 本工作通过分析
模拟优化技术的现状，结合常减压蒸馏装置实际工艺流程，建立了常压塔和减压塔的严格数学模型，提
出了常减压蒸馏装置的模拟新策略，设计开发成功过程模拟分析系统，并在齐鲁石化公司某炼油装置上
实现了严格在线模拟优化分析( 计算得到的模拟和优化数据既为实现装置的实时控制与优化操作打下
了基础，又可作为在线数据校正系统的参考依据，用于过失误差的侦破与剔除，同时还可作为神经网络
训练样本的数据来源［1，%3］(
% 常压塔数学模型
!(! 装置简介
齐鲁石化公司某常减压装置建于%423 年，原油处理能力为每年’55 万吨，主要加工孤岛原油，并根
据孤岛原油含轻质油少的特点，采用了两段汽化蒸馏、不设初馏塔的工艺流程，可生产重整原料、汽油、
灯油、航煤、轻柴、重柴、蜡油燃料油、沥青共九种产品( 轻质油收率约为657，总拔出率约为357［1］(
!(" 流程分析
进料原油经脱前换热器、电脱盐设备、脱后换热器及常压加热炉加热至一定的温度，油汽和未汽化
原油经转油线进入常压塔被分馏切割为数个馏分油，分别是常顶油（汽油）、常一线（煤油）、常二线（轻柴
油）、常三线（重柴油）、常四线（过汽化油）和塔底重油等(
常压塔设有% 个塔顶冷回流、6 个中段循环回流和% 个三段侧线汽提塔，这是一个具有多级多组
分、多侧线、多股换热的复杂分离过程(
对于原油常减压蒸馏装置的过程模拟，其核心是常压塔和减压塔的建模和求解! 常规模拟方法是
把原油分割成虚拟组分，然后对各平衡级建立各虚拟组分的物料平衡方程（" 方程）、相平衡方程（# 方
程）以及各平衡级的热平衡方程（$ 方程）和摩尔分率归一化方程（ % 方程），最后联立求解非线性"#%$
大型方程组，求得塔内汽液相物流的流率、组成、温度等逐板分布及各出口物流的温度、组成等［3］! 目前
对该方程组的求解方法大致有下述几种［2 & %’］(
%(6(% 逐板计算法这类算法的特点是将各类方程按板组合，逐板进行求解( ,89:; 和<=>?8;@A 及
B?:8C8 和D8EE8; 提出了适合于各类精馏计算的逐板数学模型( 为了避免,89:;0<=>?8;@A 法在塔顶和塔底
组分契合时所出现的负组分流，F=AA8G 提出在组分修正时，只对轻组分和重组分进行，中间组分可作部
分校正或完全不校正( 同时，,H;>8G 为了加快收敛速度，在全塔物料平衡方程式中，引入校正因子!( 为
了适合具有侧线提馏蒸馏塔计算的需要，I:JK8H 和!8J?8>>: 修改了原!法的校正公式，采用了侧线提馏
的校正因子(
由于逐板计算舍入的误差传播影响大，数值上不甚稳定，尤其是在复杂塔计算时较难收敛，计算时
间长( 因此，逐板计算法的应用受到了限制( $=H=L= 提出了一种新的逐板计算法，使用拉格朗日乘子将
蒸馏计算转化为多塔板的优化问题，但该法的计算量较大(
%(6(6 矩阵法这种算法将方程组按类别组合，用矩阵法对各板同时求解( 常用的有三对角矩阵法、
牛顿—拉普逊法等(
三对角矩阵法可分为流量加和法（$. 法），泡点法（F# 法）两种( $. 法的计算速度较快，应用于烃类
吸收过程和一些萃取过程颇有效，对于精馏过程不能保证其收敛性( F# 法主要适用于烃类物系的精馏
计算，对吸收塔则收敛性较差( 对于原油蒸馏这样多组分多级分离过程，该法具有较大的局限性(
牛顿—拉普逊法直接求解% 和$ 方程组，收敛速度快，无需进行费时的泡点计算，但该法占用内存
仍较大，且收敛性易受初值选取的影响(
,=AM #( 联合使用F# 法和$. 法，提出一种用于原油蒸馏的新方法( 该法的特点是在精馏段使用
第6期孔玲，等：常压蒸馏塔模拟分析N%
万方数据
!" 法，提馏段和侧线提馏段使用#$ 法% 仿真表明该法具有良好的收敛性，对初值要求不高，通常&’ (
)’ 次迭代后足以达到工程计算的精度要求% 但在解的附近，该法收敛较慢%
*%+%, - 因子法该法不是用虚拟组分来进行计算，而以各侧线产品为基本“组分”，其计算特点是直
接由塔段的热量平衡关系计算各侧线、循环回流及进料段的汽—液负荷，从而得到- 因子，并由./01234
提供的方法计算相邻侧线油品重叠度% 由温度、压力校正后直接估算产品性能和塔的操作状况% 该法
计算简单、速度快、占用内存少，比较适合于实时仿真过程，但计算精度不高%
综上所述，现有的方法受求解速度、模拟精度、运行环境等方面的限制，不能满足在线严格模拟与优
化控制的要求% 本工作结合实际工艺流程，通过研究分析原油常压蒸馏塔的结构特点，提出了模拟常压
蒸馏装置的序贯模块法收敛求解策略［,，**，*+］，即把该装置分解为精馏、吸收、闪蒸等单元操作的模块组
合，可方便地利用已有的严格数学模型、解算方法等成熟模块进行常压塔的模拟分析，克服了现有模拟
方法的局限性，为准确有效地用于装置的严格在线模拟，进一步研究优化控制打下了基础%
!%" 数学模型
通过分析原油常压蒸馏塔设计和操作的特点，本文提出了单元模块组合法，即以流程模拟的思想来
求解常压塔的新策略% 该方法的基本思路是：将原油常压蒸馏塔划分为多个功能模块，则该塔可作为一
般意义上的流程模拟，从而可用流程模拟的序贯模块法进行系统模拟分析研究%
*%,%* 原油经常压加热炉加热后，部分汽化，生成的油汽混合物再经常压转油线后进一步汽化，温度稍
降，进入常压塔% 该过程可视为一个两相闪蒸器模块，其闪蒸压力为油汽分压%
*%,%+ 入塔后汽相沿塔上升，液相沿塔下降，且含重组分较多% 对常压塔底部来说，塔内无上部下流的
液相（液相全部采出），塔底通入大量的过热水蒸汽以降低油汽分压，并汽提其中的轻组分；重组分进入
塔釜，形成常底重油% 所以常压塔的底部可作为一汽提塔，采用复杂吸收塔的方法（#$ 法）进行求解%
*%,%, 常压塔的中上部上升的汽相含轻组分较多，塔中有多股侧线采出及中段循环回流取热，采用复
杂精馏塔的方法（!" 法）进行求解%
*%,%5 侧线汽提塔作为汽提模块处理%
*%,%& 塔顶油汽经过冷凝冷却换热，部分液化，在受液罐中再经液液分层使油水分离% 液相水循环使
用（常顶注水），脱水后的常顶油冷回流入塔，移取大部分热量% 未冷凝的油气再经冷凝冷却后形成产品
油出塔% 可将该过程视为一个三相闪蒸器模块，即产生液相油、液相水和气相油汽，并将液相油作为冷
回流，气相油汽作为常顶油产品%
!*：两相闪蒸器!+：复杂吸收塔!,：收敛模块
!5：复杂精馏塔!&：三相闪蒸器!)：收敛模块
图! 原油常压蒸馏模块化结构
因此原油常压蒸馏模块化结构，共由
6 个功能模块所组成% 见图*%
!%# 模型解算方法
*%5%* 复杂精馏塔模型塔为复杂的多
组分精馏塔，从上到下有!"
块理论板，
如塔顶为全凝器时，有!" 7 *
块理论板#
每级均可有进料$%
，汽相采出&’%
，液相
采出&(%
及中间进入或采出能流)%
，采用
三对角矩阵法求解［8，*,］%
*%5%+ 复杂吸收塔采用新松弛法与流
量加和法相结合的方法［*5］求解% 该法与