动态模拟在芳烃抽提装置设计中的应用

第３９卷第１１期　２０１１年１　１月　化学　【程　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ）　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１１　

ＮＯＶ．２０ｌｌ　

动态模拟在芳烃抽提装置设计中的应用　张永铭　，杨焘　（１．中国寰球工程公司，北京１０００２９；２．　，刘　博　，张增富　

西姆赛技术（北京）有限公司，北京１０００２０）　

摘要：运用动态模拟解决工程问题在国外已是一项成熟的应用技术，但在国内的工程设计领域很少采用，国内文献　也鲜有报道。文中运用Ｄｙｎｓｉｍ４．４动态模拟软件对广西石化９０万ｔ／ａ芳烃抽提装置在设计、开车和标定等阶段进　行了动态模拟和分析，协助解决了开车阶段装置压力不稳的问题，优化选择控制系统和安全泄放系统的设计，取得　了良好的效果，而实际的装置运行结果也验证了动态模拟的准确性。文中对动态模拟建模的基本步骤、模型调试　方法和模拟结果的分析进行了详细阐述，可供设计人员、业主和ＥＰＣ总承包商参考。　关键词：Ｄｙｎｓｉｍ；动态模拟；芳烃抽提；设计　中图分类号：ＴＥ　６２４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５－９９５４（２０１１）１１４３０８８－－０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｙｎｓｉｍ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｒｏｍａｔｉｃｓ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｍｉｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｔａｏ　，ＬＩＵ　Ｂｏ　，ＺＨＡＮＧ　Ｚｅｎｇ－ｆｕ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｈｕａｎｑｉｕ　Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｎｇ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｐ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓｓｕｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ　ｆｅｗ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ａ　９Ｏ０　０００　ｔ／ａ　ａｒｏｍａｔｉｃｓ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ　Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｗａｓ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｄｙｎｓｉｍ　４．４　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｔａｒｔｕｐ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅ１．　Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｔａｒｔｕｐ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｏｐ　ａｎｄ　ｒｅｌｉｅｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｓｏｌｖｅｄ　ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ．Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｔ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ，ｍｏｄｅｌ　ｔｕｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｗｅｒｅ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ａ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｍ，ｏｗｎｅｒｓ　ａｎｄ　ＥＰＣ　ｃｏｎｔｒａｃｔｏｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｄｙｎｓｉｍ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｒｏｍａｔｉｃｓ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ　

流程模拟是设计人员理解工艺过程和设计装　置的重要工具，包括稳态模拟和动态模拟。稳态　模拟主要用于提供各个设计工况的物料和能量平　衡数据，但无法了解装置动态行为。动态模拟是　在稳态模拟基础上发展起来的模拟装置动态行为　的一项新技术。严格的动态过程模拟采用热力学　模型、单元设备模型、水力学模型和控制系统模　型，并以复杂的数学算法求解整个系统的物料和　能量平衡微分方程。运用动态模拟可以直观地对　装置开停车、稳定运行、事故状态等不同工况的动　态特性进行求解分析，并进行设备尺寸验证、控制　方案比选、事故状态下的泄放量计算以及操作员　仿真培训等¨　。随着装置规模增大、安全环保和　节能等方面要求的日益严格，对设计人员提ｍ了　更高要求，只有全面了解装置的动态特性，才能设　计出符合工艺过程动态特性、易于操作、运行稳定　的装置。动态模拟是了解装置动态特性的有效　手段。　随着计算机软硬件的进步，商品化动态模拟软　件近年来取得了很大进步，比较成熟的商业软件包　括ＩＮＶＥＮＳＹＳ公司的ＤＹＮＳＩＭ，ＡＳＰＥＮＴＥＣＨ公司的　ＨＹＳＹＳ等。本项目稳态模拟选用ＩＮＶＥＮＳＹＳ公司　的ＰＲＯ／ｌＩ，动态模拟采用ＩＮＶＥＮＳＹＳ公司的　ＤＹＮＳＩＭ。本动态模拟以广西石化９Ｏ万ｔ／ａ芳烃抽　提装置基础设计文件为输入条件，建立基本动态模　拟模型，并在详细设计过程中不断改进、充实模型，　

收稿日期：２０１１．０６－２９　作者简介：张永铭（１９６４一），男，高级工程师，主要从事炼油工艺和石油化工工艺设计，电话：（０１０）５８６７５９５１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｏｎｇｍｉｎｇ＠　ｈｑｃｅｃ．ｃｏｎｌ。　张永铭等动态模拟在芳烃抽提装置设计中的应用　・８９・　指导完成最终设计文件。　１动态模拟模型的建立　装置由二甲苯分馏、抽提蒸馏、苯一甲苯分离３　个单元组成。以上游连续重整装置稳定汽油为原　料，主要产品有苯、甲苯、混合二甲苯、汽油调和组　分，副产抽余油和重芳烃。　建立动态模拟模型前首先需要采用ＰＲＯ／ＩＩ软　件对整个装置进行稳态模拟，使得模拟结果与ＵＯＰ　工艺包中结果一致。这样可以保证按照基础设计文　件的数据进行动态模拟时，装置运行结果和稳态模　拟结果以及工艺包数据三者基本一致。建立动态模　拟模型输人文件包括：全部工艺、设备、仪表专业的　详细设计文件，部分管道、加热炉和电气专业设计文　件。主要模块的动态建模方法如下：　（１）所有基本设备的模拟都考虑流量由压力平　衡求解；除单向阀外，所有设备都考虑：逆向流；所有　动设备都考虑转动惯量；容器、塔、管道和换热器均　考虑热损失；通过设定等熵膨胀系数考虑泄放时的　温度压力变化；任何模型均考虑气液液三相平衡。　所有设备尺寸均取自详细设计文件。　（２）储存容器采用分区闪蒸模型模拟，可以模　拟出三相之间的物质和能量传递以及由此带来的相　不平衡，从而可以准确地模拟出回流罐气封时氮气　不进入液相以及回流罐热旁路控制时液体过冷（泡　点以下）等特殊现象。　（３）换热器计算采取分别计算对数平均温差和　总传热系数的方法来得到传热面积。平均温差的计　算采用分区计算方法，考虑相变的影响。总传热系　数采用严格的传热算法，分别计算壳侧和管侧的膜　传热系数，从而可以精确模拟出流量对膜传热系数　的影响。　（４）塔的计算根据稳态模拟采用的理论板数和　塔盘效率作为动态模拟的参数输人。塔盘或填料的　结构参数（如开孔率、堰高等）均采用实际数据。水　力学的计算采用软件内置的严格算法。　（５）控制方案的建模按照与设计文件一致的思　路全部建立起来。　在基础设计阶段建立的模型仅是初步模型，　随着设计的深人，采用更为详细的设计条件完善　模型，使之更接近实际装置情况，这部分工作是在　详细设计阶段完成的。完善模型的同时即可进行　相关工程研究分析，指导完善详细设计工作，力争　将开车和生产过程中可能出现的问题都发现并加　

以解决。　２动态模拟准确性验证　动态模拟的准确性需要进行以下３方面的验　证：①稳态模拟结果与工艺包数据对比；②稳态模拟　结果与装置实际运行数据对比；③动态模型运行到　稳态工况时与稳态计算结果对比。　通过对比可以最大限度地保证动态模型获得的　动态数据能够反映实际装置的动态特性。　兹以苯一甲苯分离单元苯塔系统为例进行动态　模拟分析说明。表１给出了设计工况苯塔进料的模　拟结果和实际标定期间的组成数据，比较显示Ｃ　、　ｃ，芳烃和非芳烃的分离模拟结果满足苯一甲苯单元　分离生产高纯度苯和甲苯产品的要求；表２给出了　标定结果与模拟结果的对比，各项工艺参数基本一　致，表明稳态模拟、动态模拟的稳态工况以及标定结　果非常吻合，说明了模拟结果正确可信。动态模拟　装置稳定时的主要参数与标定时的结果偏差在２％　以内，开工过程中动态偏差（如从灌塔到产品合格　需要的时问）在１０％以内。由此可以得出动态模拟　基本反映了实际装置的操作情况。证明可以用于下　

一步详细设计、开工方案制定、装置标定和考核的动　态工况分析。　

表１苯塔进料数据（摩尔分数）　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅｎｚｅｎｅ　ｃｏｌｕｍｎ　ｆｅｅｄ（ｍｏｌｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）　％　・９０・　化学工程２０１１年第３９卷第ｌ１期　表２苯塔设计工况模拟值和标定工况结果　Ｔａｂｌｅ　２　Ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃａｓｅ　ａｎｄ　ｃａｌｉｂｒａｔｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｂｅｎｚｅｎｅ　ｃｏｌｕｍｎ　

３动态模拟结果与分析　３．１开车、正常运转以及停车过程的动态模拟　对各种设计工况进行动态模拟，以寻找瓶颈和　完善设计。在此过程中，按照正常开车程序将动态　模拟运行到１００％负荷的设计工况，并比较稳态模　拟结果。然后改变装置的处理量，在设计的操作弹　性范围内（６０％－－１１０％），考核装置能否生产出符　合设计要求的产品。在此过程中检查容易忽视的　开、停车阶段以及低负荷、高负荷运行时的问题，如　虹吸式换热器的循环量、气化率能否达到设计要求、　泵的安装高度是否合适等。根据模拟开停车效果可　指导设计预留一个或几个辅助管线，并在模型上验　证其效果，以便实现装置良好的可操作性。　通过动态模拟发现在苯塔开工过程中，出现苯　塔压力波动不易稳定的问题，分析认为是由于开Ｔ　初期空冷器全开、负荷低，系统为满足压力控制要求　人工反复补氮、排气，造成超压，压力难于控制。据　此，增加一个与充氮线口径相当的侧线排气阀，见　图１。开车时打开该阀门，通过管线平衡到放空系　统，一旦装置运行平稳、系统压力基本稳定后即可关　闭该平衡管线。这一措施的作用通过实际装置开车　验证了动态模拟的正确性。　

图１添加平衡管线示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｂａｌａｎｃｅ　ｐｉｐｅ