基于响应面的天然气三甘醇脱水装置用能优化.pdf

第4 3卷 第 2期 2 0 1 5年 2月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E R I N G C H I N A Vo 1 ． 43 No． 2 F e b ． 2 01 5 基 于响应面 的天然气三甘醇脱水装 置用 能优化 诸林，邓骥，杨洋，李林峰 西南石油大学 化学化工学院，四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 运用流程模拟软件 H Y S Y S建立三甘醇 T E G 脱水装置的工艺模型， 选择循环量 q v ． 再生温度 t 和三甘醇富 液进塔温度 t i 作为主要参数， 基于响应面方法 R S M 建立脱水装置能耗的二次显式模型。对响应面模型的显著性 和三维图进行分析， 结果表明 循环量、 再生温度和富液进塔温度对装置能耗影响显著 ， 影响程度为 循环量 富液 进塔温度 再生温度； 在对能耗的共同影响中， 循环量和再生温度、 循环量和富液进塔温度交互作用显著而再生温 度和富液进塔温度问交互作用可以忽略。以吸收塔出口气体水露点满足 G B 1 7 8 2 0 --2 0 1 2为约束条件 ， 对模型进行 最优化求解得到最优操作条件为 循环量4 0 0 lMh 、 再生温度 1 9 9 ． 8 ℃、 富液进塔温度 1 3 0℃， 在此条件下理论能耗 可下降 4 8 ． 3 ％， 具有显著的节能效果。 关键词三甘醇脱水；H Y S Y S ；R S M；显式模型；交互作用；优化 中图分类号 T E 6 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 9 9 5 4 2 0 1 5 0 2 - 0 0 4 0 - 0 4 D oI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 - 9 9 5 4 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 9 Opt i mi z a t i o n o f e n e r g y u t i l i z a t i o n f o r n a t ur a l g a s d e h y d r a tio n f a c i l i tie s ba s e d o n RS M ZHU L i n，DENG J i ，YANG Ya n g，L I Li n - f e n g C o l l e g e o f C h e m i s t r yC h e m i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， S i c h u a n P r o v i n c e ， C h i n a Abs t r a c t Th e mo d e l o f TEG d e h y d r a t i o n u n i t wa s e s t a b l i s h e d b y t he c h e mi c a l p r o c e s s s i mu l a t i o n s o f t wa r e HYS YS． Ci r c u l a t i o n r a t e q ，r e g e n e r a t i o n t e mp e r a t u r e t a n d f e e d t e mp e r a t u r e o f r i c h s o l u t i o n t i we r e c h o s e n a s t h e k e y p a r a me t e r s ．Th e e x p l i c i t e n e r g y c o n s u mp t i o n mo d e l o f t h e d e h y d r a t i o n u n i t wa s e s t a b l i s he d u s i n g RS M ．Th r o ug h t he a n a l y s i s o f e n e r g y c o ns ump t i o n mo d e l ， i t s ho ws t ha t t h e c i r c u l a t i o n r a t e， r e g e n e r a t i o n t e mp e r a t u r e a n d f e e d t e mp e r a t ur e o f ric h s o l u t i o n a l l ma k e s i g n i f i c a n t c o n t rib u t i o n t o e n e r g y c o n s u mp t i o n a nd t h e i n f l u e n c e d e g r e e o f t h e m i s q t it ． I n a d d i t i o n，t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n a n y t wo f a c t o r s i s s i g n i fic a n t whi l e t h a t b e t we e n r e g e n e r a t i o n t e m p e r a t u r e a n d f e e d t e mp e r a t u r e o f ri c h s o l u t i o n i s n e g l i g i b l e ．T h e r e g r e s s i o n mo d e l w a s o p t i m i z e d s u b j e c t i n g t o t h e c rit e rio n t h a t t h e de w p o i n t o f o ut l e t n a t u r a l g a s mu s t c o n f o r m t o GB1 7 8 2 0- 2 01 2 wi t h Ma t l a b． Th e o p t i ma l c o n d i t i o n s we r e o bt a i n e d a s M l o ws c i r c ul a t i o n r a t e 40 0 L ／h， r e g e n e r a t i o n t e mp e r a t u r e 1 9 9．8 o C a n d f e e d t e mp e r a t u r e o f r i c h s o l u t i o n 1 3 0℃ ． U n d e r t h o s e o p t i ma l c o n d i t i o n s ．t h e t h e o r e t i c a l e n e r g y c o n s u mp t i o n c a n b e r e d u c e d b y 48． 3％ ．p r e s e n t i ng a n o t a b l e e n e r g y c o n s e r v a t i o n e f f e c t ． Ke y wo r ds TEG d e h y dr a t i o n；HYS YS；RS M ；e x p l i c i t mo d e l ；i n t e r a c t i o n；o p t i mi z a t i o n 三甘醇 T E G 脱水工艺因压力损失小、 控制简 单 、 操作检修方便等优点在天然气脱水 中得到广泛 应用 。当前 ， 三甘醇脱水装置普遍存在能耗偏高 的问题 。因此 ， 通过过程参数分析来优化现有装 置操作条件具有重要意义 。国内外许多文献采 用单 因素分析法探讨了干气水露点和装置能耗随主 要操作参数 的变化关 系 ， 驯， 基于神经 网络建立 的优化模 型在参数 优化方面 取得 良好 结果 。 收稿 日期 2 0 1 4 -0 5 2 7 作者简 介 诸林 1 9 6 5 一 ， 男 ， 教授 ， 主要从 事天然气 处理研究 ， 电话 0 2 8 8 3 0 3 7 3 2 3， E ma i l z h u l i n s w p 而5 g ma i l ． c o rn。 诸林等基于响应面的天然气三甘醇脱水装置用能优化 41 但单 因素分析法不能分析 因素间交互作用对 目标值 的影响， 神经网络模型属于黑箱模型 ， 网络训练需要 上百组数据， 模型建立难度大 。响应 面法 R S M 是 一 种将试验设计与统计分析技术相结合的回归建模 方法 ， 可以在较少 的试验次数下定量地分析各 因素 及其交互作用 对响应值 目标值 的影 响 。 ‘ 。文 中用响应面方法建立三甘醇脱水的能耗模型并在此 基础上进行用能优化 ， 为降低装置能耗提供依据 。 1 脱水装置工艺模型 1 ． 1 工艺流程 某处理量为 1 0 0 x 1 0 m ／ d的三甘醇脱水装置 的工艺流程如图 1 [3 1 。经过滤分离器去除游离水和 固体杂质的湿天然气从吸 收塔下部进塔 ， 与三甘醇 贫液逆向接触 。脱除水分后 的天然气从吸收塔塔顶 排 出， 三甘醇富液从吸收塔塔底流出经节流 、 闪蒸和 升温后进入再生塔进行再生。含有少量烃类气体的 蒸汽从塔顶排出， 从塔底流 出的三甘醇贫液经升压 和降温后从吸收塔塔顶人塔。 干气／ 贫； 换热器 士 出 湿 气 进 站 吸 吸收塔 l l 1 器和 闪蒸罐九l 污 腋 三 甘 醇 贫 液 汽 燃 料 气 图 1 三甘醇 脱水装 置工艺流程图 F i g ． 1 F l o w d i a g r a m o f T EG d e h y d r a t i o n s y s t e m p r o c e s s 焚 烧 炉 1 ． 2 模拟流程 的建立 在 H Y S Y S环境 中建立 天然气脱水装置模拟流 程 ， 选择 P - R方程作为物性方法 。参 照装置实际 运行数据_ 3 J ， 将 主要 工艺参数输 入流程进行 模拟。 装置操作运行值 与采用 H Y S Y S模拟得到的数据对 比如表 1 ， 由表 1 数据可知 ， 建立的模拟流程与实际 情况 的吻合度较高。 2能耗模型的建立 2 ． 1 回归参数选取 T E G脱水装置能耗可通过式 1 进行计算 。 E E 1 式中 E为装置能耗 ， k W； E 为循 环泵用能 ， k W； E 为再沸器加热量 ， k W。 表 1 装置操作运行值与模拟值 比较 T a b l e 1 C o mp a r i s o n b e t we e n s i mu l a t e d d a t a a n d o p e r a t i n g d a t a 影响 T E G脱水装置能耗和产品气露点 的关键 参数有 T E G循环量 4 0 0 --8 0 0 L ／ h 、 再生塔底温度 1 8 8 -2 0 4 ℃ 、 富液进塔温度 9 O 一1 3 0 ℃ 、 原料气 温度 2 0 5 0℃ 、 吸收塔压力 4 0 0 0 0 0 0 k P a 和吸收塔塔板数 6 1 2块 。对各参数进行 敏感性分析 ， 结果见图 2 。由图 2可知 ， 相较于其他 参数 ， 循环量 、 再生温度和富液进塔温度对装置能耗 具有更显著的影响力 。由此 ， 选择 T E G循环量 q ， L ／ h 、 再沸 器温 度 t ， ℃ 、 三 甘醇 富液进塔 温度 o C 作为能耗模型的回归参数 。 亭 拦 耀 媒 一循 环 量 一再 生温度 ／ | 一富液进塔温度 ／ ．二 壤 毽 劈／／ ／ ． 吸 收 塔 压 力 ／ 一吸 收塔塔板 数／ - 一 ． ． ．． ／． ． ． ． _． 参 数变换 值／ ％ 图 2 参数对脱水 能耗影 响的敏感性分析 F i g ． 2 S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f o p e r a t i o n c o n d i t i o n s i mp a c t o n e n e r g y c o n s u mp t i o n i n d e h y d r a t i o n p r o c e s s 2 ． 2回归模型 B o x ～ B e h n k e n D e s i g n B B D 是 响应面方法 中常 用的试验方法， 可在较少试验次数下对影响响应值 的因子及其交互作用作出有效评 价 。采用 B B D 设计 3因子 3 水平试验方案， 借助 H Y S Y S 模拟得出 装置能耗 ， 结果见表 2 _ 3 ] 。 ‘ _-4 ． - ‘ ’ ’ 投 稿 平 台Ht t p ／ ／ i mi y ． c b p t ． c n k i ． n e t ‘ “ 4 2 化学工程2 0 1 5年第 4 3卷第 2期 表 2 试 验方案与结果 T a b l e 2 P a r a me t e r s d e s i g n a n d r e s u l t s 采用软件 D e s i g n E x p e 对试验结果进行回归分 析得到装置能耗模型如式 2 ， 方差分析见表 3 。在 表 3中， 模型 P值 0 ． 0 0 0 1 远小于 0 ． 0 5表明其 有极高的可靠性 和显著性 _ 1 。回归模型复相关系 数 R 0 ． 9 9 9 7 接近于 1 ， 校正相关系数 i 0 ． 9 9 9 5 ， 表明模型可表征试验中 9 9 ． 9 5 ％的数据 ， 预 测相关系数 R 0 ． 9 9 9 0与校正相关系数相当接 近表明该模型试验误差较小 _ l ， 一般信噪 比大 于 4 即可 』 ， 该模型的信噪比为2 1 4 ． 1 0 9 ， 说明模型精密 度很高 。所 以基 于响应面建立的能耗模型具有较高 准确度。 E 7． 3 63 5 3 0． 03 3 3 63 q 0． 01 4 21 9 t 一 0． 0 0 9 6 2 5 t i 0． 0 01 0 7 3 7 5 q t 一0． 0 0 0 8 4 2 5 q t i 2 表 3方差分析结果 Ta b l e 3 Ana l y s i s o f v a r i a n c e 2 ． 3 露点约束 通过 HY S Y S模拟探究不同露点下三甘醇循环 量和再生温度 的关系 ， 结果如 图 3 。对干气露点为 一 1 5℃ 的点拟合得到式 3 ， 校正相关 系数 a 2 d j 0 ． 9 9 5， 相关性 良好。 q 3 ． 6 9 9 X 1 0 9． 3 8 2 X 1 0 t 9． 51 8 X 1 0 t 一 4． 8 2 7 x 1 0。 1 2 ．2 3 8 t 一 0 ． 0 1 2 4 t 3 『、 l ● 旨 抠 再 生 温 度／ ℃ 图3循环量与再 生温度对 干气露点的影响 F i g ． 3 I mpa c t o f c i r c u l a t i o n a n d r e g e n e r a t i o n t e mp e r a t u r e o n d r y g a s d e w p o i n t 在图 3中， 3条 曲线代表 的干气水 露点 由下至 上逐渐降低 ， 所 以只要操作点在拟合 曲线上方即可 保证干气露点低 于 一1 5℃ 以满足 G B 1 7 8 2 0 --2 0 1 2 的要求。结合参数取值 范围 ， 基于响应 面建立的能 耗模型为 l 4 0 0 q v ≤ 8 0 0 4 -- - - 投 稿 平 台 Ht t p ／ ／ i mi y ． c b p t ． c n k i ． n e t 。 - 4 - ” 4 8 化学工程2 0 1 5年第 4 3卷第 2期 型中 N a C 1 和 C a C 1 混合电解质 的混合参数0 N a C a 和 N a C a C U。将实验结果与考虑了混合参数的 P i tz e r 方程的计算结果进行比较， 结果发现用 P i t z e r 理 论计算混合电解质在混合溶剂中的平均活度系数能得 出满意的结果 ， 为相关学科提供基础数据和理论参考。 参考文献 [ 1 ] 曾善军， 刘国杰．初级的强电解质水溶液热力学模型 [ J ] ．化工学报， 2 0 0 3 ， 5 4 3 2 8 1 2 8 7 ． [ 2 ] 张伟 ，吕婧， 杨志强， 等．1 ， 1 ， 1 一 三氟- 2 ， 3 一 二氯丙烷 饱和蒸汽压的测定与关联 [ J ] ．化学工程 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 0 3 7 3 9 ． [ 3 ] G H A L A M I C H O O B A R B ，M O G H I M I M，M A H M O O D I N，e t a 1 ． P o t e n t i o me t r i c de t e r mi na t i o n o f t h e t he r mo d y n a m i e p r o p e r t i e s f o r t h e t e r n a r y s y s t e m K C 1 K N O 3 H 2 Oa t T 2 9 8 ．1 5 K[ J ] ．J C h e m T h e r m o d y n a m i c s ， 2 0 1 0 ， 4 2 4 4 5 4 46 1 ． [ 4 ] 周丽华，钱保华， 刘英红， 等．电动势法确定水． 丙酮一 氯化 钠一 氯化镁体 系热力 学性质 [ J ] ．化 学工程， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 4 9 - 5 0 ． [ 5 ] 周丽华 ， 钱保华， 许乃祥 ， 等．水一 乙二醇混合溶液中 【 上接第 4 3页】 [ 6 ] M O H A MA D B E I G Y K ．S t u d y i n g o f t h e e f f e c t i v e n e s s p a r a m e t e r s o n g a s d e h y d r a t i o n p l a n t[ J ] ．P e t r o l e u m C o a l ， 2 0 0 8 ， 5 0 2 4 7 - 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1 e l e c t r o l y t e s i n mi x e d s o l v e nt s [ J ] ．J o u r n a l o f S o l u t i o n C h e m i s t ry， 1 9 8 5， 1 4 9 6 3 5 6 51． f 1 0] GHAL A MI ． CHOOB AR B．T h e rm o d y n a mi c s t u d y o f t h e t e r n a r y m i x e d e l e c t r o l y t e N a C 1 N i C 1 2 H 2 O s y s t e m Ap pl i c a t i o n o f Pi t z e r mo d e l wi t h hi g he r o r de r e l e c t r o s t a t i c e f f e c t s[ J ] ．J C h e m T h e r m o d y n a m i c s ，2 0 1 1 ，4 3 6 9 01- 9 0 7． [ 1 1 ]F A N G Z， F A N G Y， Z H A N G Q， e t a1．Mo d e l i n g o f t h e r mo d y n a mi c p r o p e rt i e s o f mu l t i -c o mp o n e n t e l e c t r o l y t e s o l u -- t i o n s[ J ] ．T r a n s N o n f e r r o u s Me t S o c C h i n a ，2 0 0 1 ，1 1 3 4 2 5 42 9 ． [ 1 2 ]王国建， 王宜龙．钢结构防火涂料配方的响应面法优 化 [ J ] ．化工学报， 2 0 1 2 ， 6 3 3 9 7 8 9 8 4 ． [ 1 3 ]江元翔， 高淑红 ， 陈长华．响应面设计法优化腺苷发 酵培养基 [ J ] ．华东理工大学学报 自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 1 3 3 0 9 3 1 3 ． [ 1 4 ]王洪海，崔小英 ， 钟宏伟，等．R S M 与流程模拟结合 用于复杂塔操作参数优化 [ J ] ．河北工业大学学报 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 3 6 40 ． [ 1 5 ]刘家洪，周平．浅析 H Y S Y S软件在三甘醇脱水工艺 设计中的应用 [ J ] ．天然气与石油， 2 0 0 0 ，1 8 1 1 8 1 9． [ 1 6 ]王小林 ， 刘瑾，魏莹鹏．天然气净化过程节能参数优 化研究 [ J ] ．天然气与石油， 2 0 1 3 ， 3 1 1 4 1 5 3 ． [ 1 7 ]周艳艳．精馏一 蒸汽渗透进行异丙醇脱水的响应面优 化 [ D] ．大连 大连理工大学， 2 0 1 3 2 8 3 8 ． [ 1 8 ]诸林．天然气加工工程 [ M] ．2版．北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 8 1 6 0 1 6 4 ． “ ‘ 投稿平 台 H t t p ／ ／ i m i y ． c b p t ． c n k i ． n e t ‘ “