基于數(shù)據(jù)驅(qū)動與流程模擬的低溫甲醇洗流程操作優(yōu)化

I摘要凈化天然氣化工生產(chǎn)中為較為常見的工藝操作，通常使用低溫甲醇洗工藝來進(jìn)行凈化天然氣，雖然當(dāng)前工業(yè)的低溫甲醇洗工藝較為成熟，但還有一些不足，為了進(jìn)一步減少能耗和成本，本文將利用aspen軟件對低溫甲醇洗工藝進(jìn)行優(yōu)化。本文主要優(yōu)化精脫碳塔的甲醇進(jìn)料量、甲醇進(jìn)料溫度、粗天然氣的進(jìn)料溫度、精脫碳塔的塔頂壓力和精脫碳塔的塔板數(shù)這五個變量，利用aspen中靈敏度分析的考察五個變量與甲烷的質(zhì)量分率之間的關(guān)系，結(jié)合甲烷的質(zhì)量分率、工廠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)生產(chǎn)成本等多方面因素進(jìn)行優(yōu)化。最終得出結(jié)果較優(yōu)的操作參數(shù)為甲醇進(jìn)料量8×105kg/hr，甲醇進(jìn)料溫度-47℃，粗天然氣的進(jìn)料溫度為-20℃，精脫碳塔的塔頂壓力為3.5MPa，精脫碳塔的塔板數(shù)為14塊。同時我們利用數(shù)據(jù)驅(qū)動對模擬進(jìn)行因素分析和預(yù)測，利用jupyter軟件編程，將aspen的模擬結(jié)果輸入進(jìn)程序，得出誤差和SHAP圖，最終發(fā)現(xiàn)甲醇進(jìn)料量對甲烷的質(zhì)量分率的影響最大，而五個變量之間的相互影響作用幾乎沒有并且程序預(yù)測誤差很小。本文優(yōu)化了精脫碳塔的5個操作條件，得出年度資本成本大約為（ACC）為1.5×107美元/年，運營支出（OPEX）為5.5×107美元/年，總年度成本（TAC）為7.03×107美元/年。減少了低溫甲醇工藝的運行成本，增加了低溫甲醇洗工藝凈化天然氣的效率。同時利用了數(shù)據(jù)驅(qū)動對低溫甲醇洗工藝進(jìn)行預(yù)測，并探究了操作條件間的相互影響性，對實際工廠運行操作有著巨大意義。關(guān)鍵詞：低溫甲醇洗工藝；精脫碳塔；AspenPlus；數(shù)據(jù)驅(qū)動AbstractAsacommonprocessoperationinchemicalproductionofpurifiednaturalgas,low-temperaturemethanolwashingprocessisusuallyusedtopurifynaturalgas.Althoughthecurrentlow-temperaturemethanolwashingprocessinindustryisrelativelymature,therearestillsomedeficiencies.Inordertofurtherreduceenergyconsumptionandcost,thispaperwilluseaspensoftwaretooptimizethelow-temperaturemethanolwashingprocess.Wewillfocusontherefineddecarburizationtowerbody,mainlyoptimizethefivevariablesoftherefineddecarburizationtower:methanolfeedvolume,methanolfeedtemperature,rawnaturalgasfeedtemperature,toppressureoftherefineddecarburizationtowerandthenumberofplatesoftherefineddecarburizationtower,andobservetherelationshipbetweenthefivevariablesandthemassfractionofmethanebyusingthesensitivityanalysisfunctionofaspenanddrawingonorigin.Theoptimizationwascarriedoutbasedonthequalityfractionofmethane,factoryproductstandardandindustrialproductioncost.Theoptimaloperatingparametersareasfollows:methanolfeedamountof800000kg/hr,methanolfeedtemperatureof-47℃,rawnaturalgasfeedtemperatureof-20℃,toppressureoffinedecarburizingtoweris3.5MPa,andthenumberofplatesoffinedecarburizingtoweris14.Atthesametime,weusedata-drivenfactoranalysisandpredictionforthesimulation.Byusingjupytersoftwareprogramming,weinputaspensimulationresultsintotheprogram,andobtaintheerrorandSHAPchart.Finally,wefindthatthemethanolfeedamounthasthegreatestinfluenceonthemassfractionofmethane,whiletheinteractionbetweenthefivevariablesisalmostnon-significantandthepredictionerroroftheprogramissmall.Comparedwiththeusuallowtemperaturemethanolwashingprocess,thefiveoperatingconditionsofthefinedecarburizingtowerwereoptimized,whichreducedtheoperatingcostofthelowtemperaturemethanolprocessandincreasedtheefficiencyofthelowtemperaturemethanolwashingprocess.Atthesametime,datadriveisusedtopredictthelowtemperaturemethanolwashingprocess,andexplorethemutualinfluenceofoperatingconditions,whichhasgreatsignificancefortheactualplantoperationKeywords:Lowtemperaturemethanolwashingprocess;Refineddecarburizationtower;AspenPlus;Data-driven.總結(jié)4.1研究結(jié)論本次研究針對工廠利用凈化天然氣的低溫甲醇洗工藝能耗高，成本高但產(chǎn)量和純度較低的問題進(jìn)行改造和優(yōu)化。我們運用aspen軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化同時運用數(shù)據(jù)驅(qū)動對模擬結(jié)果進(jìn)行預(yù)測和因素分析，最終得出以下結(jié)論：（1）結(jié)合文獻(xiàn)了解低溫甲醇洗工藝的基本工藝流程和各個單元操作，并將其和aspen軟件結(jié)合，在aspen上模擬出低溫甲醇洗的工藝流程以及確定工藝所需設(shè)備和模擬需要輸入的變量數(shù)。最終可以確定在模擬中使用了8個換熱器和脫硫塔、粗脫碳塔、精脫碳塔、碳解吸塔和硫解吸塔5個塔。而結(jié)合工藝參數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)，在aspen中選用了NRTL的物性方法進(jìn)行模擬。（2）其中，由于精脫碳塔在低溫甲醇洗中較為重要，我們著重選擇精脫碳塔進(jìn)行優(yōu)化，在精脫碳塔中，影響甲烷的質(zhì)量分率的關(guān)鍵變量有甲醇進(jìn)料量、粗天然氣的進(jìn)料溫度、甲醇進(jìn)料溫度、精脫碳塔的塔頂壓力和塔板數(shù)這5個，本文逐一對這五個變量進(jìn)行優(yōu)化。首先保持其他變量不變，保持單一變量的改變，利用aspen中的靈敏度分析功能，觀察變量與甲烷質(zhì)量分率之間的關(guān)系，同時做出圖形得出最優(yōu)操作點的大致范圍，最后結(jié)合5個變量的相互影響關(guān)系得出優(yōu)化后的操作條件：甲醇進(jìn)料量8×105kg/hr，甲醇進(jìn)料溫度-47℃，粗天然氣的進(jìn)料溫度為-20℃，精脫碳塔的塔頂壓力為3.5Mpa，精脫碳塔的塔板數(shù)為14塊，在此操作條件下甲烷的質(zhì)量分率為0.9903，質(zhì)量流量為1.36×105kg/hr。此外，本文將優(yōu)化后的條件輸入aspen模擬進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，最終計算得出年度資本成本大約為（ACC）為1.5×107美元/年，運營支出（OPEX）為5.5×107美元/年，總年度成本（TAC）為7.03×107美元/年。（3）本文使用了數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)行預(yù)測和經(jīng)濟(jì)分析，利用軟件編程得出回歸預(yù)測方程和5個特征之間相互的影響。根據(jù)程序運行結(jié)果R2=0.999614，誤差較小，程序預(yù)測結(jié)果基本與模擬結(jié)果一致，而根據(jù)做出的SHAP圖，可以得出甲醇進(jìn)料量對甲烷的質(zhì)量分率的影響是最大的且當(dāng)甲醇進(jìn)料量增加時甲烷質(zhì)量分率會增加，粗天然氣進(jìn)料溫度和甲醇進(jìn)料溫度增加時甲烷質(zhì)量分率會下降，精脫碳塔的塔頂壓力和塔板數(shù)的改變對甲烷的質(zhì)量分率影響較小。所有特征之間的相互影響作用幾乎沒有，但甲醇進(jìn)料量對其他特征有正向影響，粗天然氣進(jìn)料溫度和甲醇進(jìn)料溫度對其他特征有著較小的正向影響，精脫碳塔的塔頂壓力和塔板數(shù)對其他特征有著負(fù)向影響。4.2展望在本次研究中還有許多不足，希望未來可以改進(jìn)。1.aspen模擬的低溫甲醇洗工藝較為簡單與實際工廠的工藝有較大差別，可以通過更多的實際工廠數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)對模擬進(jìn)一步的完善，讓模擬的結(jié)果更接近實際。2.優(yōu)化的變量較少，不夠全面，數(shù)據(jù)不夠多，閱讀文獻(xiàn)增加變量個數(shù)，讓優(yōu)化更進(jìn)一步。參考文獻(xiàn)[1]石曉林，李東風(fēng)．低溫甲醇洗技術(shù)凈化工藝及研究進(jìn)展[J]．煤炭與化工，2016，39(11)：21~25．[2]王亞亞．低溫甲醇洗工藝流程模擬與優(yōu)化[D]．西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文．2014．1~21[3]李雅靜．某廠煤制甲醇低溫甲醇洗工藝的模擬與改造[D]．大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文．2013．9~43[4]彭濤．低溫甲醇洗工藝模擬及工況優(yōu)化[D]．青島科技大學(xué)碩士學(xué)位論文．2015．1~10[5]韓燕．某廠煤制甲醇工藝中低溫甲醇洗裝置的改造及優(yōu)化研究[D]．大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文．2014．9~50[6]張國民，楚文鋒，耿恒聚．低溫甲醇洗工藝的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]．化學(xué)工程師，2010，24(10)：31~33.[7]汪家銘．低溫甲醇洗工藝的技術(shù)優(yō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