作者：罗雄麟、吴博 著
出版社：化学工业出版社
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化工过程流程重构：以乙烯裂解装置脱甲烷系统为例试读：
前言
在化工生产过程中，为实现精细的分离任务，往往需要多种不同类型单元设备的协同配合，且随着设备的运行，部分设备的结构和性能会发生改变，并直接影响到整个系统关键产品的分离及能量的高效利用，成为制约系统节能减排的瓶颈。以化工过程的分离装置为例，核心操作单元精馏塔随着设备的长期运行，塔内结垢或者进料组成及流量等发生改变，可能会导致精馏塔内部塔板的传热/传质异常，塔板利用率下降。传统的装置内部塔板结构改造措施，操作复杂且成本较高。本书围绕进料位置不合适引起的塔内部传热/传质异常的问题展开，研究精馏塔系统进料瓶颈的识别方法，探讨消除进料瓶颈进料位置调整的流程重构策略，并设计出重构后系统的再优化及关键过程设备的控制策略。以乙烯裂解过程多股进料脱甲烷装置为例，提出了化工过程流程重构的设计、识别及操作条件再优化的系统理论和实践方法。
①对于实际装置上开展理论研究工作的难题，可以通过建立相似功能的仿真系统来实现。针对复杂系统中的循环物流的问题，提出基于寄存器思想的数学模型，进而实现对整个脱甲烷塔装置建模，同时能为化工系统中循环系统的建模提供解决策略。
②通过精馏塔内部的传热/传质组合曲线的图示法，有效识别出精馏塔内部的传热/传质的瓶颈位置，并指出系统中进料瓶颈的位置。通过在乙烯裂解过程中的关键过程——多股进料脱甲烷塔装置上的仿真应用研究，针对原始设计，采用进料瓶颈识别的方法能够有效找到多股进料脱甲烷塔装置中脱甲烷塔的进料瓶颈。
③通过对进料瓶颈处进料位置的调整，对于塔内部的传热/传质的影响进行分析，采用脱甲烷塔装置瓶颈进料位置调整的流程重构方法，被证明对于系统的节能及降低内部的传热/传质的瓶颈具有显著的作用。对产品质量改变和处理量调整两个方面的研究证实，流程重构方法均能有效降低多股进料脱甲烷塔系统的能量消耗，是一种可以采用的精馏塔的节能降耗改造策略。
④流程重构后多股进料脱甲烷塔装置的操作条件未必处于最优状态，需要重新优化操作条件。本书提出的脱甲烷塔装置核心流程的单塔优化与扩展装置的复合塔优化的实施方法，主要是从装置仿真级的角度出发，分别采用了单塔优化和复合塔优化的策略来解决能量优化的问题。关于操作优化所产生的经济及节能效益，建议采用考虑进料操作的复合塔优化策略，但单塔优化也能得到系统的次优操作条件且容易实现优化。
⑤多股进料脱甲烷塔的控制直接关系到产品的分离和系统的能耗，过程控制与协同优化策略能同时实现系统的关键指标的控制及系统能耗的最优化，即通过主要变量的目标指标控制，次要变量的协同优化以得到系统能耗最低的控制策略。通过脱甲烷塔的塔顶和塔底的控制及协同优化的实施，能够有效降低原始操作条件下的系统能耗。另外，在进料位置切换条件下，需要考虑生产指标控制的问题。根据塔顶和塔底指标在进料位置切换时的动态分析，针对小范围切换，采用常规控制策略即可满足对塔顶和塔底指标的控制。指标控制与进料位置切换在需要的时候也能够同步进行。对多股进料脱甲烷塔的仿真结果表明，同步切换比分步切换的控制效果更好。
由于笔者水平有限，编写过程中不足之处在所难免，希望广大读者批评指正。著者第1章 绪论
在化工生产过程中，为了实现不同产品组分的分离，往往需要多种不同操作单元的协同配合。随着设备的长期运行，其中的一些操作单元会出现系统节能优化的瓶颈，直接制约着整个系统产品的分离及能量的高效利用，通过操作条件的优化已经无法达到降低系统能耗的目标。此时往往需要识别出系统的用能及分离的瓶颈，并根据瓶颈及瓶颈处操作单元的特性，采取相应的设备改造措施，在设备改造后重新进行设备操作条件的再优化，其实施的基本思路如图1.1中的路径1所示。设备改造的措施往往费用较高，且需要停工作业。相比之下，设备的流程重构（结构优化）通过实现对设备流程的调整达到去瓶颈的操作，不但能避免停工作业，而且能降低设备的操作费用。同时，对流程重构后的系统的再优化操作，能够有效解决重构后系统的操作条件最优化的问题，其实施的基本思路如图1.1中的路径2所示。实现流程重构与操作条件再优化的轮换操作，能够同时获得去瓶颈和操作条件优化的双重功效，是一种有效地降低系统能耗的措施。路径2的方法更加方便且易于在线操作和实现系统的周期循环优化。图1.1 设备改造与流程重构实施策略
由于精馏功能的特殊性，是一项重要的分离技术，因此在整个过［1］程工业中约占全部流体分离操作的95%。精馏塔的分离效率及节能同时受到冷凝器和再沸器等外部操作参数以及塔板的分离效率等内［2～6］部结构参数的影响。传统的精馏塔分析主要集中于对精馏塔节能的研究，在相同的分离指标下使得塔顶和塔底的能量消耗最小。近年来，随着科学技术的进步，高效塔板的不断出现，已证实改造塔［7～9］板的结构参数是有效改变精馏塔分离效率的措施，然而这种改造操作的成本较高并且施工不便。考虑到上述诸多因素，探索在不改变精馏塔内部结构的条件下，又能提高精馏塔的用能效率的措施显得尤为重要。精馏塔在设计之初是根据分离进料的状态（流量、组成等）来选择进料位置，其参数往往是合理的。但随着装置的运行，塔内部的结垢或者进料组成及流量的差异，在原始的进料位置保持不变的条件下，这样的进料位置就可能导致精馏塔内部的传热/传质的异常，塔板的利用效率随之下降，对于含有多股进料的精馏塔来说，这种变化会更加明显。例如本书所涉及的具有质量交换的换热网络系统——乙烯裂解过程脱甲烷塔装置，其中传热单元实现冷热交换，闪蒸单元实现粗分，而精馏塔同时完成质量交换和能量交换，进而实现轻重组分的精细分离，基本流程如图1.2所示。如何找到这些影响精馏塔内部传热/传质的进料位置，尤其是对于多股进料的精馏塔，如图1.2中的四股进料脱甲烷塔，并实施流程重构对进料位置进行调整来降低其影响，进而实现整个装置的节能和产品的分离效率的提高。
从研究对象的选择方面来说，具有质量交换的换热网络系统是同时包含换热网络和精馏塔质量交换单元的系统。换热网络的输出会直接影响到精馏塔的进料状态，两者具有很强的相关性，并且精馏塔的进料状态会严重影响其内部气相和液相的分布规律，进而影响到后续操作单元中最终产品的分离。为了较为准确地分析组合系统内部各个单元之间的相关性及相互的影响，在对象的选择时应该同时包含精馏塔和换热网络，并将同时具有质量交换和能量交换的精馏塔以及有能量交换的换热网络系统作为研究对象。换热网络系统决定了精馏塔的进料条件，然而本书的侧重点并不在于换热网络的结构优化改造方面，而是讨论在其提供的进料条件下精馏塔进料位置流程重构的识别及设计问题，从精馏塔的角度去探索精馏塔系统的能量使用、瓶颈的识别及去瓶颈的方法，为进料位置的在线流程重构的实施提供理论依据。
从改造策略方面来说，与常规改造精馏塔的措施相比，在不改变精馏塔塔板结构的前提下，研究精馏塔内部的传热/传质机制，分析制约精馏塔能量利用的瓶颈，研究进料位置对于内部传热/传质的影响规律，进而在分离负荷发生变化时，能够为进料位置调整的流程重构的设计提供合理的依据。对进料位置调整的流程重构策略完全可以在非停车的情况下进行，能实现根据需求及进料的变化在线对系统内部的流程进行重构操作，使得在动态调整过程中塔板的使用效率最大化，这不但有助于降低操作成本，而且能够获巨大的经济效益。在精馏塔的设计之初，设计人员往往对于同一股进料设置了多个备用的进料位置，进而在进料状态变化时，操作工可以根据需要对其实现进料位置的切换。与单股进料的精馏塔相比，多股进料的精馏塔的进料位置切换更加复杂。因此，在不对生产过程产生较大扰动的条件下，根据进料的差异去实现进料位置的在线流程重构是一个需要重点研究的问题。
从最优操作条件方面来说，经过设备改造的系统，设备的稳态工作点往往会发生改变，原始的条件不一定适合当前新系统，设计人员进而会对其再进行操作条件的优化，得到新系统的最优操作条件，这就是常见的设备改造与操作条件再优化的结合问题。类似地还有进料位置调整的流程重构问题。流程重构是从结构优化的角度去除系统中存在的瓶颈，但这种重构并不能够保证整个系统的操作条件最优。重构后系统仍需要进一步的操作优化，以获取结构参数变化后新系统的最优操作条件。在仿真装置上的优化策略的实现对于在实际装置上的再优化操作是一种有效的尝试，并且能够消除其对正常的生产指标和生产进度的影响，这是一个重要的研究课题。本书将在模拟实际脱甲烷塔装置的仿真模型上，根据流程重构后的装置，研究操作条件再优化的具体实施方法及优化问题的现场求解策略，为实际装置的在线优化及在线流程重构的实施提供一种可行的经验方法。
从控制策略方面来说，根据生产过程的要求，生产过程往往包含多个生产指标，其中包含参数要求较为苛刻的指标（浓度和温度）和符合一定的范围即可满足生产需要的宽泛指标（液位）。对于苛刻指标，通过控制手段即可满足要求。对于除此之外的指标，通过控制当然可以满足条件，但控制器的设定值不同导致了输出变量的不同，进而会导致能量的浪费，达不到能量使用的最优化，因此在控制苛刻变量的同时需要考虑系统内部其他变量的优化，使得整个系统的能量利用最优，即采用控制与协同优化相结合的控制方法。同时，随着现代化工厂对于自控率水平要求的不断提高，实现进料位置的自动在线流程重构中对关键指标的控制也是应该着重考虑的问题。若能够直接进行进料位置的在线流程重构，将在很大程度上解决进料条件变化的问题，既能在保障产品质量的同时降低系统的操作成本，又能减轻操作人员的工作负担。
因此，本书主要研究具有质量交换的换热网络的流程重构设计、识别及操作条件再优化的相关方法，并以乙烯裂解过程脱甲烷塔装置为例，根据图1.1实现流程重构的基本思路，给出解决脱甲烷塔系统节能优化方法实施的基本框架，如图1.3所示。图1.3 流程重构实施的基本框架
为了实现对所提方法的研究，首先应对脱甲烷塔装置进行建模及仿真，并有效解决缺少工业装置数据来源的限制以及对所提方法有效性的验证问题。其次，针对脱甲烷塔装置，对于给定的装置进行进料的瓶颈识别，找到影响内部传热/传质的进料瓶颈，再采用进料位置流程重构的方法来尽可能地去除进料瓶颈对脱甲烷塔的物料分离及能量利用的影响。重构后的系统随着设备的长期运行会存在结垢等情况，导致进料条件的改变，需要对其进行操作条件的再优化。
本书基于乙烯裂解过程脱甲烷塔装置，在流程重构的设计、识别及操作条件的再优化研究方面主要有以下研究内容。
①考虑到应用实际装置开展相关课题研究较为困难，在对脱甲烷塔装置内部各部分模型的特点及难点分析的基础上，实现对整个脱甲烷塔装置平台的建模，并对其进行仿真验证。针对精馏塔内部传热/传质的规律，提出一种精馏塔内部传热/传质组合曲线的构建方法，以图示法来呈现精馏塔内部异常的传热/传质的瓶颈，并将其与进料位置进行关联，给出进料瓶颈的识别方法。以乙烯裂解过程中的关键过程多股进料脱甲烷塔为例，采用上述方法对其进行了进料瓶颈分析，探索系统的进料瓶颈。根据调整瓶颈进料位置后塔内部的传热/传质分布的变化，给出脱甲烷塔装置调整进料位置的流程重构方法。脱甲烷塔装置的仿真对比验证了装置平台模型的准确性。通过对脱甲烷塔装置进料瓶颈的识别及进料位置的流程重构方法的应用，无论是对产品质量的改变，还是对处理量的调整，所提方法均能有效降低多股进料脱甲烷塔系统的能耗。
②针对流程重构后多股进料脱甲烷塔装置操作条件的设置问题，新旧操作条件之间可能存在差异，并且新系统操作条件并非最优操作条件而导致系统能量的损耗过大，因而流程重构后需要对设备重新进行操作条件再优化。提出脱甲烷塔装置的核心流程的单塔优化和考虑进料条件的复合塔优化的具体实施方法。分别从单塔优化和复合塔优化的角度出发，采用单变量分析法寻找关于系统能耗的操作变量，根据系统的能量利用指标分别选择脱甲烷塔的冷量消耗及甲烷压缩机功率作为单塔与复合塔优化的目标函数，采用正交试验的方法寻找系统的最优操作变量。通过两种方案的对比，复合塔优化所带来的系统的节能效率要比单塔优化高，因而对系统进行操作优化应该将复合塔系统作为对象进行研究。
③多股进料脱甲烷塔是整个装置中的核心操作单元，其控制策略对于产品的分离和能耗具有重要的影响，引入过程控制与协同优化相结合的策略来实现系统能量的合理利用。同时，针对流程重构中的进料位置切换的问题，又讨论了进料位置切换与控制指标切换的控制问题。以双入双出系统为例，探讨了主被控变量通过控制器实现目标指标控制，并且次要被控变量采取优化的方法，得到在系统能耗最低条件下最优的控制策略。另外，通过对进料位置切换进行了动态分析，并且在常规的控制策略下分析塔顶塔底的控制效果，提出了塔顶控制指标与进料位置切换的分步与同步控制，并对控制效果及系统的能耗进行了对比分析。第2章 背景分析
在满足工艺和操作约束的条件下，为了实现设备的产量和能耗的最优配比，化工过程的系统应处于最优操作条件和最佳设计状态。同时，为了实现设备在整个生命周期内的节能高效运行，希望在全周期内都能够实现设备的最佳设计与最佳操作。由于实际过程中存在着各种不确定的因素，经常导致系统的操作条件或者设备的结构参数偏离最优值，甚至出现设备的停车。因此，需要在工业设备的运行过程中对其进行改造设计，识别出制约系统产品分离及用能的薄弱环节并加以改造，实现设备运行状态的最佳化。无论是否对设备进行改造，长期的运行会致使设备的稳态工作点发生变化，过程操作偏离稳态最优点，需要实施运行中操作条件的再优化。
传统工业设备的改造设计和操作条件的再优化往往是分开、分步进行的，且设备改造多采用离线分析的方法实现设备的分析。首先由化工工程师基于稳态模型和稳态设计方法，利用化工模拟软件建立稳态计算模型，并求解出设备的结构参数，得到最佳的设备改造设计方案。在工艺改造完成后由控制工程师以此为被控对象，设计配套的控制系统，使过程在设计的最优点保持稳定的操作。
传统的设备改造操作往往是离线进行的，且应用的最优改造设计数据主要是通过离线得到的，改造后的设备也会与所期望的改造结果存在偏差。对于设备的实际运行来说，传统的改造主要是在几年一次的检修期进行的，施工周期较长。同时，考虑到可能涉及更换操作元件，设备改造的成本也会增加，操作费用较高。改造措施的离线操作特性也不能满足实施在线调整的要求，不能保证生产周期内装置流程设计的实时最优化。因此，应研究流程重构的设计方法，根据工艺操作条件的变化实现装置流程在线调整，进而实现在线流程重构改造。
此外，工程设计人员在过程设计阶段并未考虑到后续过程最优操作的问题，以及工程设备改造设计对于控制回路和最优操作条件的影响，以至于改造后的设备仍处于低效率的运行状态。同时对于较为严格的产品质量，设备的改造能够实现质的改变，然而能量如何最优配比还需要对整个装置的操作条件进行再优化，以实现设备的高效运行。基于以上的原因，研究工业设备流程重构的设计、识别及操作条件的再优化在工业设计及优化中的重要性日渐凸显，它能够同时实现设备的在线调整和操作条件优化的双目标。
针对进料条件对精馏塔内部的传热/传质及全塔用能的影响，本书旨在提出一种识别精馏塔进料瓶颈的方法，并采取进料位置调整的流程重构方法来消除进料瓶颈。针对类似于实际工业设备的仿真模型装置，探究如何对其进行操作条件的优化，并给出对其优化的具体方法。针对一种复杂的、传热传质的分离设备——脱甲烷塔，如何实现对其进行指标及进料位置的切换控制和节能控制。
根据研究对象复杂程度的不同，分为实现单个功能的简单操作单元对象和由单个功能的简单操作单元按照一定流程组合而成的复杂系统。根据操作对象实现的功能不同，可以分为各种不同类型的操作单元。其中精馏塔和换热器的研究较为普遍，分别用来实现产品的分离和能量的交换。一些学者选择对精馏塔操作单元进行研究，讨论其设［10～13］计与改造方法，研究控制策略及操作条件优化的方法等；另一些学者则对由多组换热器构成的换热网络进行研究，研究换热网［14～22］络的设计、控制及节能改造措施。倘若仅对单个操作单元组成的简单对象进行研究，往往需要假定其外部输入的条件保持不变，研究结果仍具有一定的理论价值，并且对于复杂系统操作具有指导意义，但是这并不能完全反映出整体系统的特性。因此，在对于研究对象，应该根据所需要实现的功能进行选择。
为了从结构改造方面实现精馏塔的节能增效，具体的实施方法主要包含两个方面：①识别出系统的瓶颈，根据瓶颈识别准则对系统的瓶颈进行调整并实现节能增效；②直接设定系统设定改造的目标，采用结构优化的方法找到系统改造的措施并实现系统的节能。从实施方法上来说，前者往往采用较为直观的图示法，后者则往往采用数学优化的方法。
为了直观形象地表示分离系统内部的热力学特性，Dhole和［23］Linnhoff提出分馏塔总组合曲线（column grand composite ［24］curve，CGCC）的分析方法对精馏塔进行节能改造。吴升元等受此启发，提出基于CGCC曲线确定分馏塔进料位置的方法，通过构造出与CGCC部分重合的两条相交的全塔精馏和提馏线，分析CGCC进料位置与两条曲线之间的关系来确定最佳进料位置。但所采用的全塔精馏和提馏线主要依据塔顶或塔底进料求出，也就限制了该方法仅适用于单一进料的情况，因此不适用于多股进料脱甲烷塔的进料位置分析及瓶颈识别。
相比之下，分析方法同时包含了热力学的第一定律和第二定［25］律，能帮助识别出系统的无效操作单元。Khoa等提出用三维分析曲线来识别影响精馏塔正常运行的设计和操作参数。［26］Bandyopadhyay应用“-焓图”中“精馏-提馏曲线”的恒定特［27］性分析识别了精馏过程中的损失。Liu等利用复合曲线和面积利用率（fractional utilization of area，FUA）曲线来识别最优的改造［28］策略。Wei等对文献［27］的方法进行了拓展，能直观显示出［29］系统内部的瓶颈位置。Long等采用FUA方法来判断气相的通过面积，来辨识精馏塔内部的液泛问题，进而采取热泵和热耦合精馏相混合的措施实现解瓶颈与改造操作。他们所提的分析方法虽能够直观指示出系统的瓶颈位置，但只是针对单一进料或者二元精馏塔的情［30］况，对于多股进料和多组分分离显得乏力。Shin等采用分析作为热力学工具来研究在天然气液体回收过程中不可逆的能量损失，探寻系统中的无效操作与设计。这些是制约精馏塔系统用能的瓶颈，也从计算上给出相应的判断准则。与用来进行瓶颈分析或者设备改造相比，分析方法更主要是用来判断设备改造或者操作过程中无效能［30～32］的量，是一个重要的能量效率的衡量指标。
考虑到脱甲烷塔的多股进料及多组分的复杂性，且计算过程极为复杂，分析相关的节能研究方法并不太适用于复杂进料的情况，需要结合内部传热/传质的机理找到针对多股进料精馏塔的瓶颈识别方法。
近年来，随着计算机辅助求解技术的进步，流程模拟或数学优化法因其考虑多因素的方便性，并且能直接实现系统重构或改造方案的便捷实施而得到广泛的关注。根据文献记载，自20世纪80年代以来，工业过程中的设备改造投入不断加大，占总投入的70%～［27］80%。在精馏过程中，随着市场对于新产品及产量需求的不断提高，能源紧缺，原始设备很大程度上造成能量的浪费或者不能满足需求，需要对精馏过程进行有效的改造。精馏装置改造技术应运而生，［29，33～43］［44～48］主要包含热泵系统的应用、自热再生技术、进［11，49～51］［52料状态调整的研究、再沸器和冷凝器的利用及改造～55］［27］、精馏塔塔板结构的改造等方面。（1）热泵系统的应用 若精馏塔具有相对较低的热力学效率，则可以通过再沸器输入一个较高品级的能量来完成分离任务。同时，需要由塔顶的冷凝器提供同样数量的冷量来抵消塔底的热量，热泵的概念便应运而生，目的是提高精馏塔的能量利用效率。对于蒸汽压缩式热泵，选用一种合适的工作流体，该流体在冷凝器被蒸发后，通过压缩机重新压缩到一个较高的温度，并在再沸器中被冷凝，然后通过一个节流阀达到低于冷凝器的温度。在此过程中，热泵系统中合适的工作流体是设计中的一个重要的参数。考虑到一些馏分气的不可压缩性，蒸汽压缩式仅适用于一些特殊的热泵系统。蒸汽压缩式技术对于［33］处理具有腐蚀作用和容易结垢的化合物相当有效。相比之下，机械式蒸汽再压缩热泵则广泛应用于具有相似沸点的混合物的分离过程。塔顶的气相馏出物经压缩机压缩到达一个即使在较高温度下也能冷凝的压力，进而能为再沸器提供有效的热能，使得再沸器和冷凝器［34～37］需求的额外能量下降。机械式蒸汽再压缩热泵技术对挥发性相对较低的混合物是较经济有效的。由于塔顶和塔底的温差较小，［38］它需要较小的压缩比，压缩机的功率也就较低。机械式蒸汽再压缩热泵技术比蒸汽压缩热泵所需要的冷凝器更小，并且仅进行一次［39］热交换，精馏塔的热效率较高。热蒸汽再压缩热泵是对机械蒸汽再压缩式热泵的改进，用一个蒸汽喷射器来代替原来的压缩机进行工作。由于蒸汽喷射技术的优点，热蒸汽再压缩技术得到了广泛的应［40］用。蒸汽喷射器通过文丘里效应，从进入变径管道的射流流体中获得机械能，进而使得热蒸汽再压缩技术具有较强的鲁棒性，同时［41，设备中不含有旋转部分，也就降低了设备投资和维护费用42］。输入流体与塔顶馏分的混合可以达到需要的温度，这种技术比［43］较适合塔顶产物中含水蒸气的精馏过程。底部闪蒸热泵是一项重要的改造技术，来自精馏塔的底部流股在闪蒸罐内分成两部分：一部分作为最终的产品；另一部分先通过减压阀降低自身温度，再与塔［37］顶出料流股进行热交换，随后被压缩到与塔相同的压力。（2）自热再生技术 热泵的技术仅考虑到了精馏塔再沸器的热量回收，并未对进料预热所需的热量进行考虑，而自热再生技术则是［44～46］［47］通过压缩机充分利用系统的潜热和显热。Kansha等在自热再生技术的基础上，提出一种有效的、促进精馏塔能量利用的集成过程模型。将精馏塔分为两个模型，两个模型之间通过压缩机和换热器实现潜热及显热的再生利用，从而降低了整个过程对外部能量的需求。这种技术既可以应用于精馏塔的原始设计问题，也可以应用于［48］对精馏塔系统的改造，且已经广泛应用于流程工业。当塔板的数目及直径等结构参数固定时，增加压缩机及换热器的数目能有效降低精馏系统对外部能量的需求，与精馏塔的重新设计相比，改造过程也较容易实现。（3）进料状态调整 将进料流股分成两股，并对其中一股流股［49，50］进行预热，能够将预热效率提高。根据组合曲线的特点，进料的预热或者预冷能分别有效地改变塔底再沸器或者塔顶冷凝器的［51］热负荷和冷负荷的用量。Soave和Feliu通过回收塔底部产品中的有效热能并对进料进行预热，能够降低底部再沸器对外界热能的消耗，从而使精馏塔达到节能的效果。他们应用稳态流程模拟的方法，通过迭代计算来确定能使工业精馏塔节能达到50%的进料分流比，并且得出在冷凝器的温度低于环境温度的精馏塔中，最小化冷量的消耗［11］对于节能是至关重要的。Soave等对深冷分离塔进行了分析，结合进料分流的应用，研究了利用塔顶产品对进料进行预冷操作来降低塔顶冷凝器的冷量消耗。精馏塔进料的热状态对精馏塔的处理能力［9］具有强烈的影响，且对于组分较难分离的过程尤为明显。而改变进料的热状态的研究主要集中在单一进料或者二元精馏塔方面，也可以用来分析更加复杂的精馏塔。（4）再沸器和冷凝器的利用及改造 为了最小化能量的消耗，［52，通常通过回收塔底液相产品的热量来为精馏塔的底部提供能量53］［52］。Manley应用中间再沸的技术提高天然气的回收率，这主要应用于脱乙烷塔和脱丙烷塔的节能研究中。当塔底的产品中含有较多的重组分时，中间再沸器的热效应会更为明显。且在中间再沸器的应用中，抽出的流股与返回的流股一般在同一块塔板上。通过对比，含有中间再沸器的精馏塔能够大幅度地降低热公用工程。［54］Bandyopadhyay通过对精馏塔的热集成研究，发现使用侧线换热器也能有效提高精馏塔的效率。对于低温精馏塔，通过中间冷凝［55］器和中间再沸器的联合使用，能够有效降低能量的消耗。对于精馏塔来说，相关研究也表明中间再沸器和冷凝器的使用能够允许精［9］馏塔产量的增加。同时，两者的使用也能改变精馏塔内部的气液相流股的分布，使塔内部气液相相对塔面积的使用更加一致。由于中间再沸器的存在，精馏塔底部的气液相拥堵的现象得到了有效缓解。因此，增加中间再沸器的过程改造增加了整个塔的使用面积。中间再沸器能够有效减少下部塔板的液相流量，并且增加上部塔板的气相流量。相似地，中间冷凝器能够减少上层各塔板的气相流量，增加下层各塔板的液相流量。（5）精馏塔内部结构的改造方面 随着精馏塔塔板结构的迅速发展，产生了一系列高效的塔板结构。对精馏塔的内部结构参数进行分析，用高效的塔内部结构替换原始内部结构能有效提高精馏塔的分离效率和能量利用率。因而，内部结构的改造是一种快速有效的精馏塔的改造措施。用新的内部结构元件代替现存设备元件的方法，能够使精馏塔的处理量明显提升，但这并非是唯一的选项，也并不是最经济的改造方式。这种更换元件的方式是最直接且有效的方法，但是设［27］备改造的费用较高，停工期较长。
在众多的精馏装置改造方法中，核心应用技术是根据要求建立相关系统的数学优化模型，选取目标函数，采用合适的数学优化算法，通过求解得出最终的流程重构策略或者改造方案。代表性的研究主要［56］［57］包括Diaz等和Luo等建立混合整形非线性规划的（mixed integer nonlinear programming，MINLP）数学模型，并采用相应的求解方法实现对精馏塔结构的优化，从结构上实现对精馏系统进行去瓶颈操作。这种方法可被看作是一类“黑箱”的研究方法，不必事先识别瓶颈的位置，也就降低了识别系统瓶颈的难度。但去瓶颈的改造方法实施的过程往往极其复杂，且最优解也并不一定存在。在此基础上，引入图示化的分析方法能够有效降低“黑箱”分析方法的难度。尹洪
［58］超等做了相关研究工作，提出基于超结构模型的数学规划方法与全局夹点分析相结合的设备改造方法对老旧设备进行改造。该研究方法较类似于常说的“灰箱”研究法，在部分夹点法分析结果的基础上进行优化计算，能够从很大程度上降低优化求解的难度。无论是哪种操作方法，都需要建立设备改造的结构化优化模型，并且需要实现优化问题的求解。这些在实际的过程中都是不易求解且不易操作的，且所建立的结构优化模型的可靠性也需要不断验证。
为确保能够方便得到识别出的系统的瓶颈位置并得到相应的调整方案，通过对比瓶颈识别方法和设备改造方法的优缺点，裂解装置多组分、多股进料的脱甲烷塔的瓶颈识别方法可以从图示法的角度出发，研究出新的通过表达塔内部传热/传质特性的可视化方法来识别多组分、多股进料精馏系统瓶颈的方法。
在设备的生产过程中无论是即将投入生产的新设备还是经过改造的老旧设备，在运行一段时期后都会存在操作点改变的问题，导致设备在运行过程中系统的能耗和物耗较高，重新进行设备改造成本较高且不易实施。与之相比，操作条件的优化是降低系统成本、提高经济［58～62］效益的绝佳手段。
精馏过程中的操作变量对产品产量和能耗具有重要的影响，在精馏系统生产过程中应对其进行优化操作，根据研究的侧重点的不同，可以进行不同的划分。从对象的复杂程度上说，主要可以分为单一精馏操作的单塔优化和核心精馏系统与外围设备的协同优化。从操作优化实现的对象形式上，文献的研究主要采用建模及模型仿真的方式对精馏塔装置进行仿真，根据对象的特性的不同，一方面可以建立优化问题后采取各种类型的求解方法，得到最优的操作参数；另一方面可以通过变量分析得到参数之间的相互影响规律，并对其调整实现最优化的操作。从操作优化问题的求解优化算法上来说，主要分为普通优化算法和智能优化算法。从操作优化的实效性上来说，分为在线优化和离线优化两种。
为获取精馏塔系统的最优操作条件，学者们往往从建立研究对象的仿真模型开始，在此基础上采用不同的优化方法实现所建立对象的［63］操作条件优化问题的求解。刘兴高等提出理想物系内部热耦合精馏塔的操作费用的估计方法，即通过建立的过程操作费用的优化数学模型来进行操作费用节省的优化。这种优化问题的求解既能够揭示出操作费用的节省潜力，同时又能得到最大操作费用节省目标下过程［64］的最优操作条件。邵之江等根据开放式方程建立了精馏塔的严格机理优化模型，考虑优化操作的实时性要求，提出基于简约空间序列二次规划算法的精馏塔智能操作优化方法。此方法综合考虑了优化效益、优化求解时间和质量约束等因素，其计算效率高于基于Snopt软件包和一般简约空间二次规划算法的精馏塔操作优化方法。针对精馏塔操作优化问题自由度低、模型结构稀疏且导数难以得到解析解的［65］问题，江爱朋等对文献［64］所提出的方法进行了拓展，将简约空间序列二次规划算法与混合求导方法相结合，建立精馏塔操作优化的问题，并采用自动微分技术进行优化问题的求解。席永胜等［66］通过从历史数据中挖掘模糊规则，结合专家经验建立模糊规则库，描述进料量、回流比与塔顶产品浓度之间的映射关系。提出了一类含模糊规则约束的数学规划模型，并将采用合成推理方法得到的模糊系统作为数学规划问题的等式约束，最后采用融合模糊推理的遗传算法进行求解来获得精馏塔的最优操作条件。文献［63～66］的研究主要包含优化模型的建立，实现优化问题的求解，最终得到最优的操作条件。其计算求解的过程往往复杂，一般较难得到操作优化问题的最优解。
考虑到通过模型计算来求解最优操作问题的难点，基于仿真软件的模型仿真操作条件分析易于操作且结果准确性较高，不用求解大量［67］的数学优化问题。Nakaiwa等通过模拟仿真的方式对理想热集成精馏塔进行了参数分析，分析过程设计和操作变量的影响关系，并为过程配置提供相应的指导，这种方式得到的过程结构具有较高的能［68］量利用效率和灵活性。Gadalla等考虑到炼油厂蒸馏系统的能量密集性，以及与相关联的换热网络之间关系的复杂性，采用蒸馏塔模拟开发的快捷模型与用于换热网络研究的改进快捷模型相结合的方式，通过改变关键操作参数来优化现有的蒸馏过程，同时考虑内部的水力限制以及现有热交换器网络的设计和性能，取得了不错的经济效［69］益。同样，根据对仿真模型中的操作参数的分析，罗雄麟等提出均衡操作优化的观点，认为乙烯精馏塔系统总能耗应该同时包含精馏塔自身能耗与塔底乙烷循环裂解的能耗，且两者之间此消彼长。仿真及数据分析能够得出两者之间的相关性并且证实总能耗存在最优点。对于操作的调整，只要将两者控制在相应的可行域内，即可实现两者之间的均衡操作优化，得到较高的回收率和较低的能耗，方便且［70］易于实现。Liau等使用由一组经验丰富的工程师所提供的专业知识建立原油蒸馏的专家系统，用具有人工神经网络（ANN）方法的输入-输出数据来构建原油蒸馏操作模型的知识数据库，并利用定义［71］的目标函数找到最佳操作条件。Inamdar等建立了精馏塔的稳态模型并通过工业数据进行校正，采用非支配排序遗传算法实现对上述模型进行操作优化问题的求解，并且在可接受的限制下获得系统的最佳操作条件。仿真的分析能够有效识别最优的操作变量，但要得到最优操作变量的值还要采取相应的求解方法，对于数学模型以及实时优化问题的建立难度大且计算量较大；相反，根据过程操作数据能快速［32］得到神经网络模型，并且评估计算时间短。Osuolale等在HYSYS仿真的基础上建立考虑有效能效率和产品组成的神经网络模型，实现了在满足产品质量约束的同时有效能效率最大化的操作优化。
工厂内实际的操作对象往往流程极其复杂，为实现复杂问题的简［72］单化，Tahouni等考虑到低温分离系统内部的核心过程分离塔与外部换热网络及制冷循环系统之间的复杂关系，首先对单个系统分别进行操作参数的优化，而后采用遗传或者模拟退火算法实现对整个系统的协同优化，进而证明协同优化能够获得更高的经济效益。Luo等［73］分析了蒸馏过程的操作变量对产品产量和能耗的影响。最低能量消耗和最大产品产出值的目标不协调，会阻碍炼厂的经济利益，因而提出了一种系统优化方法，在Aspen Plus对蒸馏塔模拟的基础上，采用夹点分析来确定能量回收的目标，并建立非线性规划问题，再通过粒子温敏随机算法进行解决，适用于同时考虑产品产量和能耗来实现原油蒸馏系统年经济效益最大化。无论是由单系统到整个系统的协同优化，还是整个系统的系统优化方法，都需要解决最终优化问题的求解，而求解方法往往较烦琐，常规数学求解方法又较为乏力。上述的优化方法一般是离线操作优化方法，也不适用于在线操作优化或者较为实际的优化操作。
目前对于操作优化方法的研究文献多集中在根据建模或者仿真的方式去实现离线的优化，且操作的对象往往不是实际对象本身，这样优化出的结果往往并不能直接应用到实际的装置上，因而能够直接应用于实际对象的操作优化方法显得更具有市场应用前景。本书将从关键操作单元的操作优化和整个系统的操作优化的角度，探讨多股进料脱甲烷塔装置操作条件优化的问题，并为实际装置操作优化问题的解决提供直接应用的范例。
针对本书中所涉及的研究对象——脱甲烷塔装置，王松汉等［74］认为脱甲烷部分的冷量消耗约占总负荷的12%，甲烷-氢的分离效果直接影响产品的纯度和后续的分离工序，是裂解气分离的关键。研究关键流程脱甲烷塔的操作条件直接关系到乙烯的产量、质量及成［75］本的高低。学者们对于脱甲烷塔装置的研究主要集中在对脱甲烷塔的改造优化方面和对塔的控制方法的研究方面。［76］
对于优化问题的考虑，王弘轼等在对低压脱甲烷系统进行计算机模拟的基础上，建立了以系统乙烯损失与能耗之和为目标函数的最优化数学模型，采用可行路径序贯模块法为最优化计算策略，结合广义既约梯度法对该系统实施优化计算，找出了对系统目标函数影响较大的可调决策变量及其最优化条件。他们对优化决策变量的选择［77］及中等规模化工系统的优化策略进行了有益的探索。张元生从操作条件出发分析了影响乙烯装置脱甲烷塔运行的主要因素，并针对乙烯装置改造后脱甲烷塔存在的问题进行了探讨。采用提高塔压、节流膨胀等方法改善脱甲烷塔的操作，减少了塔顶乙烯损失，提高了乙［78］烯产品收率。Yang和Xu在严格仿真模型的基础上，应用灵敏度分析的方法确定系统的最优操作变量，针对冷箱和脱甲烷塔的集成系统，建立了塔顶乙烯损失和能量消耗最低的目标函数，求解得到了最［79］优的操作变量。赵晶莹等在实际工厂数据的基础上，建立系统的仿真模型，根据优化系统中通过压缩机的循环量，进而实现对整个系统的节能优化。［80］
对于改造问题的考虑，蒲通等针对脱甲烷塔通过能力差、乙烯损失大等问题，应用流程模拟软件进行模拟计算，得出CH/H42摩尔比塔顶操作压力、塔顶温度等影响乙烯回收的因素，并给出了相［81］应地降低乙烯损失的操作措施。冯利等通过模拟计算，认为将脱甲烷塔经过填料改造代替原来的浮法塔板，可带来系统的稳定操作［82］和能耗的降低。陆恩锡等在原始的脱甲烷系统的基础上，应用流程模拟开发出一套新系统，虽然新系统能达到节能的目的，但新流［83］程的改造实施过程复杂，成本较高。张海涛采用水力学计算的方法，从脱甲烷塔内部改造的角度出发，降低脱甲烷塔的乙烯损失率。［12］Nawaz等建立利润的经济目标函数，应用模拟退火算法寻求系统最优的设备尺寸和操作条件。
综上所述，对于乙烯裂解装置脱甲烷塔的研究，目前文献的研究限制在应用流程模拟或者操作条件优化对脱甲烷塔本身的改造和操作条件修改的范畴，未从脱甲烷塔的进料位置分布对内部传热/传质特性的影响以及瓶颈分析、进料位置的流程重构的设计方面进行研究。
与脱甲烷塔的控制策略相关问题的研究也是一个重要的课题，金［75］冶主要从传统的控制器控制方法进行研究，探讨塔的控制方法，［84］以保证产品的质量指标，未考虑其他的因素。方红飞等通过流程模拟，在脱甲烷系统内部引入质量控制回路，并通过控制系统的闭环动态模拟为脱甲烷塔的操作优化和控制系统设计提供决策依据。针［85，86］对脱甲烷塔的进料状态随进料位置的差异，Luyben对脱甲烷塔系统的动态控制进行了研究，提出脱甲烷塔的进料中甲烷和乙烷的相对数量对深冷高压精馏塔塔底产品有重要影响，同时分析了进料组成对脱甲烷塔设计的影响，提出随着进料组分数量的变化，应该对设备进行有效的改造。但同时考虑脱甲烷塔关键指标控制与系统能量优化的控制策略并未提及，针对多组合进料位置的切换问题也未涉及。
综合分析以脱甲烷塔为主要研究对象的文献，主要限制在应用流程模拟或者操作优化对脱甲烷塔的内部结构、外围设备的改造以及操作条件的优化方面，而对多股进料脱甲烷塔内部传热/传质的分析、进料位置调整的控制方法及控制与能量优化相结合的控制策略的研究较少。本书从脱甲烷塔内部的传热/传质的分析研究出发，研究进料位置对内部的传热/传质的影响规律，进而实现系统的瓶颈分析及流程重构的设计，在进料位置切换的流程重构过程中同时解决关键指标的控制与系统能量的协同优化等问题。第3章 脱甲烷塔装置仿真平台的建立
要了解乙烯裂解过程中脱甲烷装置能量利用及分离的瓶颈，并研究出对于类似装置的瓶颈识别方法及流程重构的策略，在实际的工业生产装置上开展研究是最直接而有效的途径。但考虑到在实际的工业生产中，由于生产指标及操作安全等因素，不允许直接对常规运行的装置进行操作分析及大规模流程调整作业，为了准确地了解实际装置的特点，针对原始装置进行分析并得出控制方法，对实际装置进行流程模拟，建立仿真平台是较常用的方法。结合实际装置提供的生产数据及装置的设计施工参数建立脱甲烷塔装置的仿真平台，再对具有相似特点的装置模型进行研究，这种方法在实际装置上的应用具有较大的参考意义。在装置的整个生命周期内，过程装置的研究开发、设计、生产及装置的淘汰，各个阶段均离不开化工过程模拟，因此对于脱甲烷塔的节能研究可以通过装置的仿真来进行。
化工过程模拟软件是一种应用型计算机程序，用于实现单元过程以及由这些单元过程所组成的化工过程系统的模拟软件（模拟计算流程）的研发。从20世纪50年代中期开始，经过半个多世纪的发展，化工过程模拟软件已经逐步走向专业化、商业化的发展方向，模拟计算的复杂程度和准确性越来越高。Aspen Tech公司的Aspen Plus，Simulation Sciences公司的Pro-Ⅱ，加拿大Hypro Tech公司的HYSIM等是其中的重要代表。
根据各种软件实现的功能的不同，选择合适的软件进行相应的过程模拟至关重要。此外，正确的物性方法在流程模拟中扮演着重要的角色，是模拟准确与否的关键因素。化工过程模拟较为复杂的主要原因在于它包含较为复杂的物性计算过程，若能在建模的过程中选择出合适的物性计算软件，取代这些复杂的物性参数的显式计算过程，则能够降低模型的复杂程度。同时，专业的物性计算软件比直接从工具手册中得到的数据参数更加可靠。对于化工装置的模拟，应根据其化工过程的基本原理与方法进行。
为了实现对给定装置的模拟，需要根据装置的施工图了解装置内部各部分实现的功能及装置内部个操作单元之间的连接关系，进而对装置进行划分。对于一些常见操作单元的建模问题，可根据文献中是否有相关的研究来处理，若所研究的对象在文献中有所涉及，则可以借鉴其模型为装置建模服务，能有效降低系统建模的难度。对于那些未有相关报道研究或者对于自己所涉及的相关课题过于复杂的模型，可以根据化工过程的基本原理简化模型的建模，进而得到与实际装置输出较为接近的模拟结果。
考虑到流程模拟的重要意义，本章主要基于国内某乙烯厂的脱甲烷塔装置的实际运行数据及工艺流程图，讨论建立乙烯裂解过程脱甲烷塔装置的仿真平台的方法。为解决装置内部核心操作单元的建模和整个装置的建模问题，对脱甲烷塔装置平台进行动态仿真，并对仿真平台的准确性与可靠性进行验证。3.1 脱甲烷塔装置平台建模3.1.1 脱甲烷塔装置的仿真平台简介
脱甲烷塔系统主要包含原料的预冷和脱甲烷塔两个部分，其冷量消耗约占总冷负荷的一半。甲烷-氢气分离主要是利用低温，在脱甲烷塔内部使得裂解气中除甲烷和氢气以外的各种组分全部液化，进而将不可凝气体甲烷和氢气分离出去。脱甲烷部分的冷量消耗约占整个系统总负荷的12%，并且甲烷-氢气的分离效果直接影响产品的纯度和后续的分离工序，是裂解气分离的关键。因此在整个深冷分离系统中，都是围绕着脱甲烷-氢气来展开的。
对于脱甲烷塔而言，其轻关键组分为甲烷，重关键组分为乙烯。在脱甲烷塔中分离甲烷-氢气，一方面要使塔顶尾气中的乙烯含量尽可能低，以提高乙烯的回收率；另一方面要使塔釜的甲烷含量尽可能低，以提高乙烯的纯度。与此同时，还要尽可能地降低能量的消耗。脱甲烷塔装置的研究对于提高乙烯回收率、增加乙烯纯度和降低能耗均有较大的帮助，因此乙烯裂解过程脱甲烷塔的建模具有重要的意义。
根据乙烯裂解过程脱甲烷塔装置工艺流程图（图1.2），从实现的功能上说，整个系统主要分为前置预冷和脱甲烷塔两个部分。预切割塔的裂解气先后经过换热器E317、E308、E318、E309预冷后，再经过一系列的串联闪蒸操作构成脱甲烷塔的四股进料。经过闪蒸罐T304分离处理的裂解气，重组分流股经过冷箱E316换热成为脱甲烷塔的第三股和第四股进料，而轻组分经过冷箱E314和E310降温继续作为下一级闪蒸罐T305的进料。闪蒸罐T305的液相重组分流股作为脱甲烷塔的第二股进料，而气相轻组分流股经过冷箱E312换热作为闪蒸罐T306的进料。闪蒸罐T306的液相产品经过冷箱E312回收冷量，作为脱甲烷塔的第一股进料，而气相部分经过冷箱E311进入闪蒸罐T307分离成更高纯度的氢和甲烷。塔顶气相流股经过冷箱换热及往复式压缩机K-302加压提供动力，作为脱甲烷塔的回流。从流程上看，四股进料的状态既受冷箱的影响，又受闪蒸罐操作条件的影响。当四股进料状态固定时，四股进料的位置直接影响到脱甲烷塔的分离效果。
从各部分实现的功能角度来说，整个系统主要包含五个不同功能的子系统：压缩机系统、冷箱系统、闪蒸罐系统、脱甲烷系统和换热器系统，如图3.1所示，图中有向箭头代表各子系统之间存在的流股连接关系。换热器系统对裂解气进料进行预冷，同时为脱甲烷系统提供热量。闪蒸罐系统实现对裂解气的粗分离，产生脱甲烷塔的不同能级的四股进料，同时分离出裂解气中的氢组分，进而得到高纯氢气。脱甲烷塔主要实现甲烷-氢气与其他重组分气体的分离，是整个裂解气分离过程中温度最低的分离塔。冷箱系统实现进料的预冷和产品中冷量资源的回收，对整个系统的节能具有重要意义。压缩机系统作为整个系统能量的主要来源，为裂解气的分离提供能量并得到高压甲烷产品。图3.1 乙烯裂解过程脱甲烷塔装置内部子系统关系图
对比学者们对系统内的各个子系统相关模型的研究现状，在对整个系统建模的过程中，主要采用首先分别对各个系统进行建模，然后再将各个子系统进行连接，进而得到整个脱甲烷装置的模型的解决策略。针对压缩机系统、换热器系统和闪蒸罐系统，罗雄麟课题组对相［87～89］关模型均有深入的研究及建模，直接采用相关研究模型方程，方便实现上述三个子系统模型的建立。而对于冷箱系统，内部主［90～93］要涉及板翅式换热器的建模问题，陈长青课题组采用机理建模方法解决多层板翅式换热器模型的分析求解问题，其中较多地涉及换热过程参数及物性的计算，且后续的研究也主要在于板翅式换热器的设计问题，而对于较复杂的系统，这些计算方程会极大地增加模型求解的难度，本书重点讨论从调用外部物性数据库的角度来提出新的冷箱系统的简化计算模型，以降低冷箱模型计算的复杂度。对于脱甲烷塔系统，在传统的单进料精馏塔模型的基础上，将多股进料的特点纳入该模型并给出脱甲烷塔的模型。综上所述，本小节的研究主要涉及冷箱换热器的简化计算模型、多股进料脱甲烷塔的机理模型以及各子系统之间连接问题的解决策略。
在对整个系统建模时，首先分别对各个子系统进行建模，再将不同的系统组合，进而得到脱甲烷塔装置的整体模型，能够有效降低系统的整体建模的复杂度，同时也便于程序的调试，是行之有效的策略。本小节将在详细了解各子系统功能的基础上，选择合适的平台软件，分别对各子个系统模块完成建模，而后再完成对整个乙烯裂解气分离过程脱甲烷塔装置的仿真平台的建立及仿真验证。3.1.2 仿真软件及物性方法的选择
为了能够建立出脱甲烷塔装置的准确仿真模型，选择合适的仿真软件和模型设计方法是必要的前提。序贯模块法和联立方程法是两种仿真设计的常见设计思路。自从20世纪90年代，基于序贯模块法的稳态仿真技术便获得了广泛应用，例如常见流程模拟软件Aspen Plus和Pro-Ⅱ，但是序贯模块方法对于实现动态模型的仿真与优化存在诸多的不便性。考虑到传统的序贯模块法在模型计算中的不便性，帝国理工大学系统工程实验室推出了基于联立方程法的gPROMS（general PROcess Model System）软件，并能够较好地处理大规模方程组的计算求解问题。同时针对物性计算的问题，gPROMS软件提供了多种与其他软件的接口程序，方便在仿真调试过程中调用其他软件完成模型功能的拓展，从而降低了建模的难度。基于该软件在功能上的便利，为实现平台系统的动态建模及方便对模型中的各个变量的调用和讨论分析，本书选用gPROMS软件来实现平台的建立。考虑到Aspen Properties物性数据库强大的计算功能，且gPROMS软件方便通过Cape-Open接口与其进行数据的交换，因此将结合这两款常用软件实现对整个装置的建模。
Aspen Plus为用户提供的物性模型分为理想模型、状态方程模型、活度系数模型和特殊模型，且第二种和第三种较为常用。同时，也为用户提供了多种物性方法，其选择取决于物系的非理想程度和操作条［94］件，可以根据经验法和Aspen Plus的帮助系统进行选择。物性方法选择示意图如图3.2所示，且在气体加工过程中，一般选择PR和SRK物性方法。因此，在物性方法的选择方面，将分析各种物性方法［95，96］所适用的对象，并选择Peng-Robinson（PR）状态方程进行物性参数的计算。3.1.3 冷箱换热器简易模型
乙烯裂解过程脱甲烷装置包含多个冷箱换热器，它们共同组成冷箱系统，是实现流股降温的主要能量交换场所。与常规双流股换热器相比，它包含多股换热流股，如一股热流与两股冷流之间的换热，如图3.3所示为冷箱换热器的简易模型。在普通的两流股换热器中，当输入物流固定时，输出物流的温度随着换热器的确定而确定。而对于多流股的多层冷箱换热器，输出温度受到其他换热器输入流股及传热系数的影响。如图3.3所示的冷箱换热器，其热流层的温度同时受到两个冷流层的影响，热流进口温度的变化直接影响到其他两股冷流。这种层叠式的换热器能够有效减小空间消耗，其传热效率也比普通换［97］热器更高。图3.3 冷箱换热器的简易模型［97］ 考虑三种常见的换热器流股分布关系——并流、逆流及错流，逆流换热在实现热量传输最大方面具有优势，因而本书采用逆流换热方式建立冷箱换热器的计算模型。图3.3所代表的模型是整个流程中冷箱换热器E311的简化模型，表示一股热流与两股冷流之间的冷量交换。假设存在冷箱换热器u，两股冷流和一股热流之间的热量交换计算方程如式（3.1）～式（3.13）所示，冷箱换热器对应的流股间的传热系数可以根据换热设计要求计算求解。按照流股之间的换热匹配关系，拓展上述方程，可以分别得到其他各个冷箱换热器的模型方程，并通过相关计算可以求解得到冷热流股的出口温度。 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） （3.12）
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