生物乙醇制乙烯 工段 乙烯提纯过程的 模拟及动态分析

生物乙醇制乙烯工段乙烯提纯过程的模拟及动态分析

报告人：孔 录 导 师：董秀芹教授

2012.10.31

2011 级硕士开题报告

Contents

完成课题的条件4.

课题在理论和应用方面的意义3.

课题拟解决的主要技术问题2.

拟选课题国内、外的研究动态1.

拟采取的技术措施和办法5.

课题进展计划6.

一、拟选课题国内、外的研究动态

乙烯

天然气路线

石油烃热裂解

乙醇脱水

生物质

石油炼制

[1] 谢开达 . 国内外乙烯生产工艺的研究现状与展望 [J] ．广东化工 . 2011, 38(2) ： 232.

石油 木薯

一、拟选课题国内、外的研究动态

Fig. 1 Chinese equivalent requirement for ethylene du ring 2005~ 2020

Fig. 2 Chinese self-sufficiency degree of ethylene during 2005~ 2020

乙烯的供需比较

[2] 黄英明 , 李恒 , 黄鑫江 . 生物乙烯研究进展 . 生物加工过程 [J]. 2008, 1(6): 1-6.

5、教学科研

1、了解装置经受动态负荷的能力及可操

性作

2、分析开停车及扰动下的动态性能为设计提供依据

3、对控制方案进行优选

4、培训操作人员

动态过程系统模拟用途

一、拟选课题国内、外的研究动态

一、拟选课题国内、外的研究动态

基于 Windows,动态建模

能用于实际工厂操作

与 ASPEN PLUS紧密结合

求解传统方法通常难以解决的实际问题

研究稳态性能的同时考虑可操作性

ASPENDynamicsASPEN

Dynamics

一、拟选课题国内、外的研究动态

参考文献： [3]~[6]

新型精馏- 蒸发 - 热泵集成 系统开车过程 的操作策略 与动态行为

使用 Aspen Plus

稳态模拟了一种新的天然植物多糖提取液的分离流程(DVH) 比原有流程节约一台蒸发设备并实现显著的节能效果 , 采用 Dynamics

对 DVH 开车阶段动态行为进行了模拟和分析获得了较佳的操作参数

浙江大学 化学工程与生物工程学系

液化天然气 气化站中 BOG 压缩机运行的 动态模拟与 优化

运用含有 PR 状态方程的 Dynamics 通过对天然气储罐压力的动态模拟，得到当蒸发气压缩机正常运行时，在安全压力范围内的波动值从而进行动态模拟和安全分析。提出了蒸发气压缩机的一个合理运行方案

中国石油唐山液化天然气项目经理部

聚丙烯装置 建模过程分 析及应用

进行聚丙烯装置稳态及动态模型的建立和优化 , 发现建模过程的关键在于确定物性参数和应该包括的反应，动态模型建立过程所用时间的长短取决于稳态模型中断裂流股问的计算误差和控制回路的复杂程度

天津大学化工学院

丙烯精馏塔 动态模拟

将 ASPEN Plus 中的稳态流程导入到Dynamics 中，考察了进料量、进料组成及回流量的扰动对丙烯精馏塔的操作影响，主要体现在塔釜温度、冷却器负荷、再沸器负荷、塔顶及塔釜产出量和丙烯浓度的波动上

中国石油兰州化工研究中心

一、拟选课题国内、外的研究动态

参考文献： [7]~[10]

用 Aspen

Dynamics 对单级混合制冷剂天然气液化流程进行动态模拟 ,讨论采用换热器出口的天然气温度来控制原料天然气的流量的控制方案时，各项操作参数发生变化对整个液化系统动态性能的影响

单级混合制冷剂天然气液化流程动态特性模拟

哈尔滨工业大学 低温与超导技术研究所

利用 Aspen Plus 模拟精对苯二甲酸(PTA) 装置溶剂脱水共沸精馏塔，通过三元相图分析了进料组成对塔釜水含量及回流比的影响再导入 Dynamics

中，通过动态仿真对单塔板温度控制和双塔板温度控制两种方案进行比较

PTA装置溶剂脱水塔进料组分含量变化对塔分离效果的影响

华东理工大学自动化研究所

应用 Aspen Plus 和Dynamics, 系统的分析了 MeAc水解的反应精馏隔壁塔操纵变量与被控变量的配对关系，应用 3 个温度控制回路来间接控制产品质量及反应物之间的化学计量平衡克服了隔壁塔难于控制的瓶颈

反应精馏隔壁塔水解醋酸甲酯的控制研究

中国石油大学 化学化工学院

用 Aspen Dynamics

对汽提塔的动态特性控制方案抗扰动能力以及对异常情况的响应等进行了讨论，分析了现有控制方案的不足并提出了改进方案 ,以保证系统安全平稳运行，质量指标控制稳定

动态模拟用于加压汽提塔控制优化

仲恺农业工程学院 计算机科学与工程学院

一、拟选课题国内、外的研究动态

稳态流程模拟01

动态模拟03 二个优化设计变量02

在 Aspen Plus 中将流程连接完成 反应器选择 RGIBBS

给出各个设备参数进行动态模拟。考察上述哪个变量是影响精馏纯度的关键

回流比、侧线采出量寻找一种组合使得能耗最小

[11]William L. Luyben. Control of an Isomerization Column/Reactor Process. Ind. Eng. Chem. Res.[J]. 2011,50:3382–3389.

N-butane Isomerization

Column/Reactor Process

一、拟选课题国内、外的研究动态

Distillation safety analysis

2. 分别进行动态模拟。考察塔顶冷凝器的冷却水停止时的工况

1.连接两个甲醇水精馏流程。一个简单精馏，一个严格精馏过程。进行静态模拟

3. 动态模拟当有扰动 在通往再沸器的流股 中时的工况

[12]William L. Luyben. Rigorous dynamic models for distillation safety analysis. Computers and Chemical Engineering. [J]. 2012,40:110–116.

Steady-state And Dynamic Simulation of Crude Oil Distillation

使用 Aspen Plus 对原油分馏塔进行模拟，并与实验数据相比较。考察对精馏产品影响较大的因素

一、拟选课题国内、外的研究动态

使用 Aspen Dynamics 考察进料流率变化时产品组成的影响，并以图像的形式进行比较。

使用 Aspen Dynamics 对两种控制进行比较，获得稳定时间短、偏离较小的方案。

[13] Juma Haydary, Tomáš Pavlík. Steady-state and Dynamic Simulation of Crude Oil Distillation using Aspen Plus and Aspen Dynamics. Petroleum & Coal[J]. 2009, 51(2): 100-109.

小结

系统需多长时间重新达到稳态波动期间是否超出生产警戒线新稳态是否满足生产要求

对流程进行简化

进行稳态模拟

加入扰动输出结果

判断哪个控制方案更优

ASPEN 动态模拟

动态模拟的基础需要加入设备的具体参数尽量使模拟结果与实际生产相符

确定体系中的变量因素采用控制变量的方法采用图像法输出结果

将流程尽量简化反应器 RGIBBS

将设备等价转换

验证控制方案是否可行

查阅文献的收获

流程简化，数据整理

ASPE

N Plus

连接流程静态模拟

ASPE

N Plus

动态模拟，选择控制点

ASPE

N D

ynamics

考察开停车过程以及

产生扰动时的工况

影响

ASPE

N D

ynamics

第一步 第二步 第三步 第四步

生物乙醇制乙烯工段过程模拟

乙醇

水

汽液分离罐乙烯压缩机

水

碱液水

分子筛脱水

乙烯

乙烷等重组分

换热器1

热虹吸换热器

换热器2

换热器3 三级加热炉

反应器1反应器3反应器2

碱洗塔

2级预冷脱轻塔

脱重塔

乙醇蒸发器

乙烯工段简图

[14]王静 . 生物质乙醇制乙烯过程节能研究 [D]. 大连理工大学 . 2008.6.

二、课题拟解决的主要技术问题

乙烯精馏

开停车动态研究

进料扰动影响

热量冷量扰动

[15]周柏兴 , 李炽章 ,宋维端 . 乙烯精馏塔的动态模拟 . 华东化工学院学报 [J]. 1993, 19(4): 481-485.

二、课题拟解决的主要技术问题

灵敏度分析

进料位置影响

回流比影响

二、课题拟解决的主要技术问题

乙烯精馏段简图

粗乙烯

丙烯工段

丙烯工段

丙烯工段

丙烯工段

丙烯工段

乙烯产品

丙烯工段

丙烯工段

丙烯工段

二、课题拟解决的主要技术问题

再沸器加热量

进料组成进料量

冷凝器冷量

通过动态模拟实际运行过程中可能出现的扰动和操作考察扰动产生后关键设备关键流股的工况

得到工况的变化数据，并且对控制方案进行优化和验证

开停车的动态问题

二、课题拟解决的主要技术问题

动态模拟设备的参数

控制点的选择收敛的问题

开停车的具体流程关键流股的确定

加入何种扰动

课题的难点问题

该流程已经投入实际应用

静态模拟模块的选择

物性方法的选择实际流程数据的处理

精馏塔的收敛

三、课题在理论和应用方面的意义

1 2

本课题希望通过 ASPEN Plus 对生物乙醇制乙烯工段乙烯的提纯过程进行稳态模拟，获得对产品组成影响较大的因素，从而对生产实践有所指导

本课题希望通过 ASPEN Dynamics 进行动态模拟，对流程中出现扰动时的响应机制进行初步研究，提出适当的控制方案

四、完成课题的条件

个人业务水平熟练掌握 ASPEN Plus 以及 ASPEN Dynamics软件的操作，熟悉所研究的流程。了解精馏塔的相关知识，复习热力学和化工原理的相关知识点。

实验室条件实际流程的相关数据（作为验证模拟结果正确与否的标准）；ASPEN 及其各子软件；高性能计算机

五、拟采取的技术措施和方法

发挥实验室优势了解实际的开停

车过程

继续熟悉软件查阅相关资料

课题

对重点流股进行考察寻找对流程影响最大的因素

了解精馏塔的结构和工作原理

对原流程的运行数据进行整理作为静态模拟的参考

对流程进行适当合理的简化

六、课题进展计划

2012.08-

2012.12

2013.01-

2013.04

2013.05-

2013.08

•熟悉软件，查阅相关文献，了解开停车的过程

• 对所选工段进行数据整理和静态模拟为之后的动态模拟做好基础工作

• 将流程导入到Dynamics 中 ,解决这一过程中所出现的错误和收敛问题。

2013.09-

2014.05

• 进行开停车以及加入扰动模拟紧急情况对整个流程的影响。撰写论文。

参考文献[1] 谢开达 . 国内外乙烯生产工艺的研究现状与展望 . 广东化工 [J]. 2011, 38(2): 232-234.[2] 黄英明 , 李恒 , 黄鑫江 . 生物乙烯研究进展 . 生物加工过程 [J]. 2008, 1(6): 1-6.[3]孙卫国 ,伏妍 , 李洁等 . 丙烯精馏塔动态模拟 . 石化技术与应用 [J]. 2008, 26(2): 153-156.[4]游存芳 , 李士雨 . 聚丙烯装置建模过程分析及应用 . 石化技术 [J]. 2007, 14(2): 56-58.[5]张奕 ,艾绍平 . 液化天然气气化站中 BOG 压缩机运行的动态模拟与优化 . 石油与天然气化工 [J]. 2011, 41(1): 53-57.[6]周禹成 ,吴嘉 ,林龙勇 . 新型精馏 - 蒸发 - 热泵集成系统开车过程的操作策略与动态行为 .高校化学工程学报 [J]. 2011, 25(1): 136-142.[7]赵国伟 ,尹全森 ,贾林祥等 . 单级混合制冷剂天然气液化流程动态特性模拟 . 节能技术 [J]. 2009, 25(155): 315-317.[8] 李绍军 ,吴超腾 ,曾根宝 . PTA 装置溶剂脱水塔进料组分含量变化对塔分离效果的影响 . 华东理工大学学报 (自然科学版 )[J]. 2009, 35(1): 9-14.[9]孙兰义 ,张月明 , 李青松等 . 反应精馏隔壁塔水解醋酸甲酯的控制研究 . 石油化工 [J]. 2009, 38(11): 1194-1200.[10]冯大春 . 动态模拟用于加压汽提塔控制优化 . 化学工程 [J]. 2011, 39(3): 4-7.[11]William L. Luyben. Control of an Isomerization Column/Reactor Process. Ind. Eng. Chem. Res.[J]. 2011, 50: 3382–3389.[12]William L. Luyben. Rigorous dynamic models for distillation safety analysis. Computers and Chemical Engineering[J]. 2012, 40: 110–116.[13] Juma Haydary, Tomáš Pavlík. Steady-state and Dynamic Simulation of Crude Oil Distillation using Aspen Plus and Aspen Dynamics. Petroleum & Coal[J]. 2009, 51(2): 100-109.[14]王静 . 生物质乙醇制乙烯过程节能研究 [D]. 大连理工大学 . 2008. 6.[15]周柏兴 , 李炽章 ,宋维端 . 乙烯精馏塔的动态模拟 . 华东化工学院学报 [J]. 1993, 19(4): 481-485.