石油蒸馏过程仿真研究与探讨（上）
日期：2008-10-19 12:44:45 来源：中国自动化网
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石油蒸馏计算是石油化工流程模拟中一个基本问题,由于石油组成非常复杂,馏分的物性估算和汽液平衡研究十分困难,在相当长一段时间内,炼油蒸馏工艺计算基本上是经验性的[1>,很大程度上依赖于炼油图表.然而,这些图表是从有限的实验数据得到的,很难适用于千变万化的各种油品.而且,根据这类图表进行精馏塔及类似设备的计算,只能估算到塔顶、塔底、侧线和汽提段的温度,而不能进行精确逐板计算,无法获得产品的馏分组成和性质,以及各变量的相互关系,计算不仅费时,精度也难达到.近年来,随着计算机技术的发展,国外学者已将“虚拟多元系”的概念用于石油及石油馏分物性及汽液平衡的研究和预测,开发出了适用于石油化工过程的优秀模拟软件,其中最具代表的是美国的As-penPlus.国内在过程模拟方面的研究较晚,目前大多采用国外的产品,因此,如何在国外软件的基础上开发出自己的流程模拟软件,已成为我国过程控制的重要任务之一.本文运用AspenPlus软件的强大功能对单段一次通过加氢异构裂化(SSOT)工艺的分离工段进行模拟,并对计算结果进行分析,探讨了石油蒸馏计算的关键技术问题,为国内石油化工专用流程模拟软件的开发提供了参考.
1 过程原理
1.1 虚拟组分与虚拟多元系虚拟组分的宽度以及一个虚拟多元系所含组分数目的多少,将直接影响到组分物性、热力学参数、计算准确度以及计算成本.传统的虚拟组分切割是借助于油品的实沸点曲线(TBP)作出的,许多学者采用不同的方法[2,3>对实沸点蒸馏数据进行处理,寻求对窄组分范围的准确划分,但是由于实沸点曲线本身存在的缺陷[4>,在石油蒸馏模拟计算中产生的误差是不可避免的.针对这一问题,文献[4>提出了虚拟组分迭代构成法,从油品的SBD或EFV曲线以及油品的密度出发,采用迭代算法确定油品的真实组成.虚拟组分基础物性的计算方法一般可采用API推荐的方法,对于国内原油也可参考文献[5>给出的修正公式.
1.2 热力学性质在石油馏分相平衡研究方法中,状态方程法是最受欢迎的方法,包括RKS、Peng-Robinson和BWRS等物性模型.值得注意的是,虽然RKS可以准确可靠地预测石油馏分汽液平衡性质,但使用时,常常假定各组分间的二元交互作用参数为零,这显然不合理,也是造成预测误差的重要原因之一[6>.引入二元交互作用参数可改善预测精度,但必须根据实测汽液平衡数据,经参数回归后才能确定,对于按虚拟多元系处理的石油馏分,要想取得这些参数十分困难.从实验数据获取平衡常数关联式的方法简单易行,可以用在减压和低压(最多几个大气压)系统中[7>,如常减压装置.AspenPlus热力学模型库中的BK-10关联式,就是从真实组分和石油馏分的K10图开发而来的.我国原油中重油组分含量普通较高,化学组成和结构有其特殊性,如果采用国外的图表和研究方法进行预测,必将导致误差.如何从常用原油汽液平衡关联式出发,提出适用于我国原油的热力学模型及其修正式,是我国石油工业面临的一大问题,也是开发石油蒸馏专用计算程序的关键之一.文献[8>针对AspenPlus、Pro- 等计算程序中的热力学模型,在我国原油的适用性方面进行了考察.文献[9>将国产原油在物性计算方面取得的研究进展进行了总结,为物性数据库的开发提供了参考.但是,由于高沸点馏分的热不稳定性,以及重馏分汽液平衡实验难以进行等原因,造成实验数据的缺乏,因而,建立优良的适用于我国原油的汽液平衡模型仍是一个漫长的过程.
2 AspenPlus石油功能AspenPlus作为一个商品化通用化工过程模拟软件系统,它具有50余种单元操作模块,80多个物性和热力学模型,较完整的物性数据库以及设计规定、工况研究、灵敏度分析和稳态优化等多种高级功能,可用于复杂石油工艺过程的稳态模拟和离线调优,以及部分操作单元的初步设计和成本分析.在处理石油方面,AspenPlus提供了ADA系统,将石油及其馏分进行虚拟组分处理,并按指定的物性方法进行热力学性质参数估算.随后,虚拟组分如同真组分一样,参与各种石油化工单元操作的流程模拟计算.在进行石油馏分汽液平衡计算时,As-penPlus提供了适用于各种系统的热力学模型(如表1所示).石油蒸馏塔设备具有多侧线、多中段回流的复杂性,全塔模拟十分困难.Aspen开发了一组基于严格逐板计算的PetroFrac模型,用户可根据蒸馏塔的具体形式选用相应的单元模块.
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1.1 虚拟组分与虚拟多元系虚拟组分的宽度以及一个虚拟多元系所含组分数目的多少,将直接影响到组分物性、热力学参数、计算准确度以及计算成本.传统的虚拟组分切割是借助于油品的实沸点曲线(TBP)作出的,许多学者采用不同的方法[2,3>对实沸点蒸馏数据进行处理,寻求对窄组分范围的准确划分,但是由于实沸点曲线本身存在的缺陷[4>,在石油蒸馏模拟计算中产生的误差是不可避免的.针对这一问题,文献[4>提出了虚拟组分迭代构成法,从油品的SBD或EFV曲线以及油品的密度出发,采用迭代算法确定油品的真实组成.虚拟组分基础物性的计算方法一般可采用API推荐的方法,对于国内原油也可参考文献[5>给出的修正公式.
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1.2 热力学性质在石油馏分相平衡研究方法中,状态方程法是最受欢迎的方法,包括RKS、Peng-Robinson和BWRS等物性模型.值得注意的是,虽然RKS可以准确可靠地预测石油馏分汽液平衡性质,但使用时,常常假定各组分间的二元交互作用参数为零,这显然不合理,也是造成预测误差的重要原因之一[6>.引入二元交互作用参数可改善预测精度,但必须根据实测汽液平衡数据,经参数回归后才能确定,对于按虚拟多元系处理的石油馏分,要想取得这些参数十分困难.从实验数据获取平衡常数关联式的方法简单易行,可以用在减压和低压(最多几个大气压)系统中[7>,如常减压装置.AspenPlus热力学模型库中的BK-10关联式,就是从真实组分和石油馏分的K10图开发而来的.我国原油中重油组分含量普通较高,化学组成和结构有其特殊性,如果采用国外的图表和研究方法进行预测,必将导致误差.如何从常用原油汽液平衡关联式出发,提出适用于我国原油的热力学模型及其修正式,是我国石油工业面临的一大问题,也是开发石油蒸馏专用计算程序的关键之一.文献[8>针对AspenPlus、Pro- 等计算程序中的热力学模型,在我国原油的适用性方面进行了考察.文献[9>将国产原油在物性计算方面取得的研究进展进行了总结,为物性数据库的开发提供了参考.但是,由于高沸点馏分的热不稳定性,以及重馏分汽液平衡实验难以进行等原因,造成实验数据的缺乏,因而,建立优良的适用于我国原油的汽液平衡模型仍是一个漫长的过程.
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2 AspenPlus石油功能AspenPlus作为一个商品化通用化工过程模拟软件系统,它具有50余种单元操作模块,80多个物性和热力学模型,较完整的物性数据库以及设计规定、工况研究、灵敏度分析和稳态优化等多种高级功能,可用于复杂石油工艺过程的稳态模拟和离线调优,以及部分操作单元的初步设计和成本分析.在处理石油方面,AspenPlus提供了ADA系统,将石油及其馏分进行虚拟组分处理,并按指定的物性方法进行热力学性质参数估算.随后,虚拟组分如同真组分一样,参与各种石油化工单元操作的流程模拟计算.在进行石油馏分汽液平衡计算时,As-penPlus提供了适用于各种系统的热力学模型(如表1所示).石油蒸馏塔设备具有多侧线、多中段回流的复杂性,全塔模拟十分困难.Aspen开发了一组基于严格逐板计算的PetroFrac模型,用户可根据蒸馏塔的具体形式选用相应的单元模块.
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