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系統識別號 U0002-0208202022480000
中文論文名稱 酸水汽提塔之程序動態模擬與控制研究
英文論文名稱 Dynamic simulation and control of a sour water stripper
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 張超閔
研究生英文姓名 Chao-Min Chang
學號 607400305
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-08-01
論文頁數 127頁
口試委員 指導教授-張煖
委員-陳逸航
委員-程學恒
中文關鍵字 酸水  汽提塔  軟儀表  程序控制 
英文關鍵字 sour water  stripper  soft sensors  process control 
學科別分類
中文摘要 在煉油廠中,製程水的回收與再使用有助於降低用水量。煉油程序均會產生含有H2S和NH3的酸水,可以經由汽提塔處理以達回收使用的規格,然而因酸水來自諸多煉油單元,汽提塔進料條件變動頻繁且難以掌握其組成擾動,導致能夠獲得符合規格汽提水的操作成為具有高度挑戰性的任務。本研究針對典型煉油廠的酸水汽提塔,利用Aspen Plus建立了穩態模式,完成了熱力學驗證與參數影響的分析,並使用Matlab軟體,建立進料組成、最低再沸器熱負荷以及對應的塔內特定位置溫度的預測模式。此外,本研究使用Aspen Plus Dynamics,以汽提塔塔底NH3濃度低於20 ppmw以及最低能耗為目標,提出多種控制架構,並進行控制性能之比較。
針對酸水進料干擾,各種控制架構的控制性能分析結果顯示,前饋溫度控制FFT雖然具有的最低的 IAE_NH3 與安定時間,但最終穩態無法滿足塔底NH3 濃度20 ppmw規格;以安定期能耗最低而言,組成-溫度串級回饋控制FBAT為最好的控制架構;以最終穩態無偏差,安定時間最短且 IAE_NH3 最低而言,組成量測延遲為3分鐘的組成回饋控制FBA-DT3為最好的控制架構。
英文摘要 Sustainable water utilization is an important issue to petroleum refining, the realization of reducing water consumption depends on whether the water treatment can meet the stringent water quality requirement for reuse and can be operated with low energy consumption. In oil refineries, steam and/or water is used in various refinery units and results in the sour water. A stripper with an externally heated reboiler is the most employed sour water treatment in petroleum refining. The variable feed flow and composition due to multiple sour water sources makes the tight operation of sour water stripper with minimum energy consumption to meet the stringent specification for stripped sour water a highly challenging task.
This study developed steady-state and dynamic simulation of sour water stripper using Aspen Plus and Aspen Plus Dynamics, respectively. Models have been developed for prediction of the sour water feed composition of H2S and NH3, which are not online measured, minimum reboiler duty and the corresponding tray temperature for the control of sour water stripper. A variety of control schemes, including feedforward, feedback, feedback with external reset and feedforward-feedback, are developed for better responses to the disturbances of sour water feed conditions.
The feedforward temperature control scheme FFT gives the lowest integrated absolute error of NH3 (IAE_NH3) and settling time but with final offset in the NH3 concentration of the stripped sour water. As for the energy consumption during the settling period, FBAT is the best control scheme. For the lowest settling time and IAE_NH3 without control offset, the composition feedback control with 3 minutes measurement lag FBA-DT3 is the best control scheme.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1 酸水汽提塔背景 1
1.2 研究目的與範疇 2
1.3 研究方法 3
1.4 論文組織架構 3
第二章 文獻整理 5
第三章 汽提塔模式說明 10
3.1 熱力學模式與驗證 10
3.2 穩態模式設定 14
3.3 動態模式設定 15
第四章 進料條件與操作參數影響分析 17
4.1 基本個案設計與操作範圍 18
4.2 酸水進料條件影響分析 22
4.2.1 塔內效率分佈 23
4.2.2 塔底出料組成pH值 25
4.3 再沸器熱負荷對影響分析 29
4.3.1 塔內溫度分佈 29
4.3.2 塔底出料組成/pH值分佈 31
第五章 軟儀表與最低能耗操作模式 35
5.1 反應曲面法 35
5.2 進料組成軟儀表模式 37
5.2.1 進料組成模擬個案規劃 37
5.2.2 進料組成預測迴歸式與分析結果 39
5.3 最低熱負荷與塔內特定位置溫度預測模式 43
5.3.1 最低熱負荷與塔內特定溫度模式模擬個案規劃 43
5.3.2 最低熱負荷迴歸式與分析結果 45
5.3.3 塔內特定位置溫度迴歸式與分析結果 49
第六章 酸水汽提塔控制系統 52
6.1 控制架構 52
6.1.1 控制自由度 52
6.1.2 控制器類型 54
6.1.3 PID控制器參數之決定 55
6.1.4 轉移函數之決定 60
6.1.4.1 酸水進料流量干擾轉移函數 60
6.1.4.2 酸水進料溫度干擾轉移函數 62
6.1.4.3 酸水進料NH3組成干擾轉移函數 63
6.1.4.4 酸水進料H2S組成干擾轉移函數 64
6.1.4.5 程序轉移函數 66
6.1.5 前饋控制架構 67
6.1.5.1 FFQ-1 68
6.1.5.2 FFQ-2 72
6.1.5.3 FFQ-3 73
6.1.5.4 FFT 75
6.1.6 回饋控制架構 76
6.1.6.1 FBA-DT 76
6.1.6.1 FBAT 78
6.1.7 前饋-回饋控制架構 83
6.1.7.1 FFQ-1-FBA 83
6.1.7.2 FFQ-2-FBA 84
6.2 控制響應 85
6.2.1 酸水進料流量干擾 86
6.2.2 酸水進料溫度干擾 93
6.2.3 酸水進料NH3組成干擾 99
6.2.4 酸水進料H2S組成干擾 105
6.3 控制性能指標 111
6.3.1 安定時間 111
6.3.2 NH3濃度絕對偏差積分 115
6.3.3 單位能耗絕對偏差積分 119
第七章 結論 123
參考文獻 125

圖目錄
圖 1.1 典型的煉油廠酸水來源與汽提單元(Das and Singh, 2018) 2
圖 2.1 酸水汽提塔配置: (a)塔頂使用冷凝器、塔底使用水蒸氣汽提,(b)塔頂使用循環水洗、塔底使用蒸氣再沸器 6
圖 2.2 傳統酸水汽提塔配置 6
圖 2.3 酸水汽提塔配置: (a)簡單設計、(b)進料分流設計、(c)蒸汽壓縮設計(Zahid, 2019) 7
圖 2.4 使用機械蒸氣再壓縮熱泵(MVRHP)的酸水汽提塔配置 8
圖 2.5 使用酸水進料流量與蒸氣進料流量比例控制的酸水汽提塔 9
圖 3.1 不同溫度與液相中NH3/H2S比例下,NH3氣液相平衡濃度比較: (a)80℉模擬結果、(b) 80℉文獻結果、(c)120℉模擬結果、(d) 120℉文獻結果 11
圖 3.2 不同溫度與液相中NH3/H2S比例下,H2S氣液相平衡濃度比較: (a)80℉模擬結果、(b) 80℉文獻結果、(c)120℉模擬結果、(d) 120℉文獻結果、(e)280℉模擬結果、(f) 280℉文獻結果 12
圖 3.3 氣液相之熱質傳 14
圖 3.4 酸水汽提塔傳統配置 15
圖 4.1 基本個案的酸水汽提塔規格 19
圖 4.2 基本個案之塔內分佈: (a)溫度分佈、(b)氣體液體質量流量分佈、(c)NH3與H2S液相分佈、(d) NH3與H2S汽相分佈、(e)NH3與H2S默菲效率 21
圖 4.3 酸水進料條件對塔底出料濃度影響: (a)進料流量改變、(b)進料溫度改變、(c)固定進料H2S組成,改變NH3/H2S =1, 1.5, 2的比例 27
圖 4.4 酸水進料條件對塔底出料pH影響: (a)進料流量改變、(b)進料溫度改變、(c)固定進料H2S組成,改變NH3/H2S =1, 1.5, 2的比例 28
圖 4.5 不同酸水進料狀態下調整再沸器熱負荷對塔內溫度分佈之影響: (a)Case 1、(b) Case 2、(c) Case 3、(d) Case 4、(e) Case 5、(f) Case 6 30
圖 4.6 再沸器熱負荷對塔底汽提水NH3濃度之影響: (a)Case 1、(b) Case 2、(c) Case 3、(d) Case 4、(e) Case 5、(f) Case 6 32
圖 5.1 三個因子的中央複合設計: (a) CCC、(b) CCI、(c) CCF 36
圖 5.2 不同溫度下改變酸水進料NH3與H2S比例的酸水質量密度 37
圖 5.3 不同溫度下改變酸水進料NH3與H2S比例的酸水pH值 38
圖 5.4 進料H2S重量百分濃度隨質量密度與pH值改變之反應曲面圖 (a)溫度85℃ (b)溫度90℃ (c)溫度95℃ (d)溫度100℃ 42
圖 5.5 進料NH3重量百分濃度隨質量密度與pH值改變之反應曲面圖 (a)溫度85℃ (b)溫度90℃ (c)溫度95℃ (d)溫度100℃ 42
圖 5.6 最低再沸器熱負荷與進料流量比隨進料NH3與H2S組成改變的反應曲面圖 48
圖 5.7 塔內特定位置溫度隨進料NH3與H2S組成改變的反應曲面圖 51
圖 6.1 酸水汽提塔控制閥與存量控制配置 53
圖 6.2 前饋-回饋控制系統 54
圖 6.3 酸水汽提塔前饋控制 55
圖 6.4 一階帶延遲轉移函數參數決定 57
圖 6.5 ATV調諧示意圖 58
圖 6.6 酸水進料流量階梯改變之反應曲線(低濃度) 61
圖 6.7 酸水進料流量階梯改變之反應曲線(高濃度) 61
圖 6.8 酸水進料溫度階梯改變之反應曲線(低濃度) 62
圖 6.9 酸水進料溫度階梯改變之反應曲線(高濃度) 62
圖 6.10 酸水進料組成NH3階梯改變之反應曲線(低濃度) 63
圖 6.11 酸水進料組成NH3階梯改變之反應曲線(高濃度) 64
圖 6.12 酸水進料組成H2S階梯改變之反應曲線(低濃度) 65
圖 6.13 酸水進料組成H2S階梯改變之反應曲線(高濃度) 65
圖 6.14 再沸器熱負荷階梯改變之反應曲線(低濃度) 66
圖 6.15 再沸器熱負荷階梯改變之反應曲線(高濃度) 66
圖 6.16 酸水汽提塔FFQ-1控制架構 69
圖 6.17 使用高濃度/低濃度/平均轉移函數之干擾控制動態響應: (a)流量干擾+10%、(b)流量干擾-10%、(c)溫度干擾+10%、(d)溫度干擾-10%、(e) NH3組成干擾+10%、(f) NH3組成干擾-10%、(g) H2S組成干擾+10%、(h) H2S組成干擾-10% 70
圖 6.18 酸水汽提塔FFQ-2控制架構 72
圖 6.19 酸水汽提塔FFQ-3控制架構 73
圖 6.20 酸水汽提塔FFQ-3控制架構前饋動態設定 74
圖 6.21 酸水汽提塔控制架構FFT 75
圖 6.22 酸水汽提塔FBA-DT控制架構 77
圖 6.23 酸水汽提塔FBAT控制架構 78
圖6.24 酸水汽提塔積分飽和現象-溫度+10%干擾: (a)汽提水NH3濃度 (b)再沸器熱負荷量 80
圖 6.25 PI控制器之外部重置迴路 80
圖 6.26 酸水汽提塔FB-ER控制架構 81
圖 6.27 外部重置回饋控制迴圈設定 81
圖 6.28 外部重置回饋控制器輸出: (a)組成控制與外部重置控制器輸出、(b) 低選擇器輸出 82
圖 6.29 酸水汽提塔FFQ-1-FBA控制架構 83
圖 6.30 酸水汽提塔FFQ-2-FBA控制架構 84
圖 6.31 酸水進料流量干擾+10%之控制響 88
圖 6.32 酸水進料流量干擾-10%之控制響應 91
圖 6.33 酸水進料流量干擾-10% FB-ER之再沸器熱負荷響應 92
圖 6.34 酸水進料溫度干擾+10%之控制響應 95
圖 6.35 酸水進料溫度干擾-10%之控制響應 98
圖 6.36 酸水進料NH3組成干擾+10%之控制響應 101
圖 6.37 酸水進料NH3組成干擾-10%之控制響應 104
圖 6.38 酸水進料H2S組成干擾+10%之控制響應 107
圖 6.39 酸水進料H2S組成干擾-10%之控制響應 110
圖 6.40 酸水汽提塔各控制架構之安定時間–正向干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 112
圖 6.41 酸水汽提塔各控制架構之安定時間–負向干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 113
圖 6.42 酸水汽提塔各控制架構之安定時間–正負向干擾平均(*最終穩態與目標穩態不同) 114
圖 6.43 NH3濃度IAE分析結果-正向干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 116
圖 6.44 NH3濃度IAE分析結果-負向干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 117
圖 6.45 NH3濃度IAE分析結果-正負平均干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 118
圖 6.46 單位能耗IAE分析結果-正向干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 120
圖 6.47 單位能耗IAE分析結果-負向干擾(*最終穩態與目標穩態不同) 121
圖 6.48 單位能耗IAE分析結果-正負向干擾平均(*最終穩態與目標穩態不同) 122


表目錄
表 3.1 汽提塔塔釜之持留時間與體積設定 16
表 3.2 酸水汽提塔塔板/填充物尺寸規格 16
表 4.1 基本個案酸水進料條件 17
表 4.2 基本個案的酸水汽提塔設計與分離規格 19
表 4.3 基本個案的酸水汽提塔物流資料 20
表 4.4 酸水汽提塔進料條件改變範圍 22
表 4.5 進料條件影響分析個案 24
表 4.6 不同進料條件的默菲效率與平均值 24
表 4.7 進料條件對塔底出料濃度與pH值影響分析個案 26
表 4.8 再沸器熱負荷影響分析個案 29
表 5.1 酸水進料組成預測軟儀表建立自變數範圍 38
表 5.2 進料H2S重量百分比完整二次多項式迴歸分析結果 40
表 5.3 進料NH3重量百分比完整二次多項式迴歸分析結果 40
表 5.4 進料H2S重量百分比調整後模式迴歸分析結果 41
表 5.5 進料NH3重量百分比調整後模式迴歸分析結果 41
表 5.6 最低再沸器熱負荷與塔內特定溫度預測模式自變數範圍 43
表 5.7 四因子的最低能耗與塔內特定位置溫度模式實驗設計結果 44
表 5.8 最低能耗模式完整二次多項式迴歸分析結果 47
表 5.9 最低能耗模式調整後模式迴歸分析結果 47
表 5.10 最低能耗模式完整二次多項式迴歸分析結果 50
表 5.11 最低能耗模式調整後模式迴歸分析結果 50
表 6.1酸水汽提塔存量控制操作與受控變數 53
表 6.2 Ziegler-Nichols閉環控制器參數 57
表 6.3 液位控制之控制器參數 58
表 6.4 流量控制之控制器參數 58
表 6.5 壓力控制之控制器參數 59
表 6.6 酸水汽提塔組成與溫度控制器參數調諧結果 59
表 6.7 酸水進料流量干擾轉移函數 61
表 6.8 酸水進料溫度干擾轉移函數 63
表 6.9 酸水進料NH3組成干擾轉移函數 64
表 6.10 酸水進料H2S組成干擾轉移函數 65
表 6.11 程序轉移函數 67
表 6.12 FFQ-1前饋控制器轉移函數設定(進料流量干擾) 71
表 6.13 FFQ-1前饋控制器轉移函數設定(進料溫度干擾) 71
表 6.14 FFQ-1前饋控制器轉移函數設定(進料NH3組成干擾) 71
表 6.15 FFQ-1前饋控制器轉移函數設定(進料H2S組成干擾) 71
表 6.16 FFT溫度控制器參數 75
表6.17 FBA-DT 3、10、20控制器參數 77
表6.18 FBAT組成控制器參數 78
表 6.19 酸水進料擾動變化範圍 85
表 6.20 各干擾條件之最終穩態再沸器熱負荷值 85
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