基于脱丙烷塔的精馏塔建模及稳态仿真

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、下：1）物料平衡方程：(2.1)2）组分相平衡：(2.2)为平衡常数。3）分子分率归一化方程：化工动态学(2.3)1）热量平衡：(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；V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；为气相焓值；为热交换量。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

6、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

7、；为塔顶采出轻组分含量；为塔底采出轻组分含量；F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：(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(3.2)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：(3.3)