隔壁塔用于苯、甲苯、二甲苯分離的控制

李 軍，王純正，馬占華，孫蘭義

（1 中國石油大學化學工程學院，山東 青島266580；2 華東師范大學化學系，上海200062）

隔壁塔是內部完全熱耦合塔，在精餾過程中避免中間組分的返混效應，且實現隔壁頂部和底部進料物流的完全匹配，從而極大地提高熱力學效率[1]。研究表明，對不同的分離體系，隔壁塔可節約10%～60%的能耗，減少10%～50%的設備投資[2-4]。然而，隔壁塔從其概念的提出到其工業化應用經歷了很長時間，其主要是隔壁塔具有很多的自由度，導致它難于設計與控制[5]，以致于長期以來隔壁塔的控制問題是限制其工業應用的一個瓶頸。

盡管人們對精餾控制過程做了深入的研究，但是對隔壁塔控制的研究卻很少，研究者選擇不同的體系采用不同的控制策略，往往得出不一樣甚至是矛盾的結論。Wolff 等[6]在乙醇、丙醇、丁醇體系下采用非線性工具進行動態模擬，結果表明隔壁塔易于控制，而當產品純度設定有微小改變時控制效果卻很差，他們提出采用液相分配比來解決這個問題。Wang 等[7]采用溫度控制代替組成控制策略，采用預分餾塔單溫度控制點和主塔雙溫度控制點的三溫度控制回路，結果表明，該模型對于進料流率干擾控制效果好，但不能很好地控制進料組成干擾，他們推薦采用溫度組成串級控制來解決這個問題。Ling等[8]對比了傳統工藝與隔壁塔工藝的控制效果，并提出需要控制液相分配比來實現能量最小化。Serra等[9]在虛擬假設的體系下，研究了不同變量之間的匹配，結果標明PI 控制模型具有較好的可控性而模型預測控制DMC 則具有較多的限制條件，同時指出控制性能的好壞與隔壁塔的設計有關。

芳烴是重要的有機化工原料，其分離在整個生產過程中所占的能耗約為45%，如何降低三苯（苯、甲苯、二甲苯，簡稱BTX）分離過程的能耗與投資是我國芳烴工業一個亟待解決的問題，而將隔壁塔應用于BTX 分離系統可以降低能耗和投資。本文作者利用Aspen Plus 建立隔壁塔分離BTX 流程，并在Aspen Dynamic 平臺上研究隔壁塔的控制策略和動態特性，為隔壁塔在該體系的推廣奠定基礎。

1 隔壁塔分離BTX 的工藝流程

隔壁塔分離BTX 系統流程如圖1 所示，該塔由預分餾段、公共精餾段、側線抽出段和公共提餾段四部分組成（圖1）。在Aspen Plus 中建立隔壁塔的Radfrac 兩塔模型（圖2），過程的主要操作及設備參數見表1，并將其導入動態模擬軟件Aspen Dynamic，后添加隔壁塔控制回路，分析其在進料流量和進料組成干擾下的動態特性。

1.1 設計規定

圖1 隔壁塔結構

圖2 隔壁塔的Radfrac 兩塔模型

表1 優化后的兩塔模型參數

要求苯、甲苯和二甲苯產品的摩爾分數分別不低于0.990、0.996 和0.975，將調節時間TS和產品純度最大摩爾偏差A 作為評價控制系統的品質指標，TS為從加入干擾到滿足式（1）且3 個產品純度30 min 內保持不變的一段時間，A 為從加入干擾到穩定后3 個產品純度偏離其設定值的最大偏差。

1.2 自由度分析

隔壁塔結構確定以后，經自由度分析，BTX 分離過程有8 個操作型自由度，分別是冷凝器負荷QC、塔頂抽出量D、塔底抽出量B、側線抽出量S、回流量L、再沸器負荷V、液相分配比βL和氣相分配比βg，其中氣相分配比指從公共提餾段流向預分餾段和側線抽出段的氣相摩爾比，它是由水力學條件（壓力降和流動阻力）所決定的，因此不能作為一個操縱變量進行控制，實際只有7 個被控變量。其中液相分配比βL指從公共精餾段抽出的液相進行再分配進入預分餾段和側線抽出段的液相摩 爾比。

1.3 PID 參數整定

隔壁塔的被控變量和操縱變量之間的非線性很強，控制回路的關聯和耦合度非常大，本研究按照控制回路響應程度大小依次整定PID 參數，順序為塔底產品回路、塔頂產品回路和側線產品回路，先由繼電反饋法計算最終增益Ku和最終周期Pu，然后用Tyreus-Luyben 準則（KC=Ku/3，TI=2Pu）計算得到PI 控制規律的比例增益KC和積分時間TI，此外，規定組分控制器純滯后為5min，溫度控制器純滯后為1min。

2 隔壁塔控制性能

2.1 4 種典型組成控制策略的動態特性

在不考慮βL的前提下，通過QC控制塔頂壓力，通過D 或L 控制回流罐液位，通過B 或V 控制塔底液位，剩下的3 個操作變量控制3 個產品純度（組成控制），這樣可以形成4 種典型的控制策略，如圖3 所示。采用L 和V 分別控制回流罐液位和塔底液位，用D、S 和B 分別控制苯、甲苯和二甲苯產品純度，該控制策略即為LV/DSB，此外還有DB/LSV、DV/LSB 和LB/DSV 控制策略。

由表2 得，DV/LSB 的TS最長且A 最大，而LV/DSB 的TS較短且A 最小。根據傳統精餾塔的控制經驗，當回流比大于3 時，宜采用回流量代替塔頂抽出量來控制塔頂液位[9]，本模擬中液相回流比和氣相回流比分別為9.58 和8.16，應選擇L 和V 控制塔頂和塔底液位，這與模擬結果一致，LV/DSB是4 種典型控制策略中較好的一種。

圖3 隔壁塔的LV/DSB 控制結構

LV/DSB 控制策略的動態特性如圖4 和圖5 所示。由圖4 可知，進料流率增加10%時，塔頂苯的純度產生了一個小波峰后很快恢復到設定值，苯的純度增加，正調節作用使塔頂抽出量增大，然后苯的純度又逐漸降低至設定值。二甲苯的純度產生了兩個小波谷，干擾時增加的液相進料量很快流向塔底，導致塔底產品純度降低，塔底抽出量先減小后增大并使二甲苯產品純度增大至設定值，進料流率干擾對甲苯的純度影響較小。由圖5 可知，進料甲苯組成增加10%時，苯和二甲苯產生兩個波谷后增大至設定值，其變化趨勢相同，而甲苯純度的波動較小。

表2 4 種典型控制策略的控制評價

圖4 LV/DSB 對于進料流率波動的動態響應

圖5 LV/DSB 對于進料甲苯組成波動的動態響應

2.2 不同的LV/DSB 控制策略

2.2.1 采用溫度控制點的LV/DSB

在組成控制LV/DSB 的基礎上，采用溫度控制代替組成控制，應用Luyben[10]的斜率準則選出3 個靈敏板，通過D、S 和B 分別控制公共精餾段（主塔第9 塊）、側線抽出段（主塔第11 塊）和公共提餾段（主塔第39 塊）的一個溫度控制點，從而間接的保證3 個產品純度，仍采用L 和V 分別控制塔頂和塔底液位。圖6 為進料流率波動時隔壁塔的動態響應。由圖7 得，當進料組成增加10%時，甲苯純度先小幅增大后迅速降低，偏差最大時甲苯產品組成為XB=0.001、XT=0.977 和XX=0.022，其主要雜質為二甲苯，二甲苯從公共提餾段流向抽出段，而這種波動對第11 塊塔板溫度影響不大，即主塔第11塊塔板溫度不能保證甲苯產品純度。原因在于，中間產品甲苯的雜質可能是苯或者二甲苯，采用抽出段上部溫度控制點只能控制輕組分雜質的量，采用抽出段下部的溫度控制點只能控制重組分雜質的含量，側線單溫度控制點不能保證甲苯產品純度。

圖6 LV/DSB 對于進料流率波動的動態響應

圖7 LV/DSB 對于進料甲苯組成波動的動態響應

2.2.2 溫度組成聯合控制的LV/DSB

鑒于甲苯產品溫度控制回路不能保證其產品純度，因此提出溫度組成聯合控制策略，通過D、B 分別控制公共精餾段（主塔第9 塊）、公共提餾段（主塔第39 塊）的一個溫度控制點，通過S 直接控制甲苯產品純度，即采用組成控制策略控制甲苯產品純度，仍采用L 和V 分別控制塔頂和塔底液位。由圖8 和圖9 得，與溫度控制策略相比，該方案有效保證了甲苯產品純度，兼有溫度控制和組成控制策略的優點，溫度控制滯后小、調節迅速平穩，組成控制沒有余差、調節準確，而苯和二甲苯產品純度控制有一定的余差。

2.2.3 溫度組成串級控制的LV/DSB

將3 個組成控制作為主回路和3 個溫度控制作為副回路，從而分別形成3 個串級控制，仍采用L和V 分別控制塔頂和塔底液位。由圖10 和圖11 得，該方案的動態特性具有溫度組成聯合控制策略的優點，同時保證3 個產品純度控制都沒有余差。

2.2.4 不同LV/DSB 控制策略的對比

表3 中控制策略1、2、3 和4 分別為典型的LV/DSB、采用溫度控制點的LV/DSB、溫度組成聯合控制的LV/DSB 和溫度組成串級控制的LV/DSB。由表3 可知，加入溫度控制回路后，由于其純滯后時間僅為1 min，使得TS大大縮短，A 也有所降低?？刂撇呗? 的TS較小、A 最小，且其調節過程較為平穩，在精餾塔內產生的波動小，因此該方案控制效果最好。

3 結 論

（1）在BTX 分離體系下，采用PID 控制規律，應用繼電反饋法和Tyreus-Luyben 準則進行PID 參數整定，在Aspen Dynamic 平臺上系統地分析了DB/LSV、DV/LSB、LB/DSV 和LV/DSB 4 種典型組成控制策略的動態特性，其中LV/DSB 的控制效果較好。

圖8 LV/DSB 對于進料流率波動的動態響應

圖9 LV/DSB 對于進料甲苯組成波動的動態響應

圖10 LV/DSB 對于進料流率波動的動態響應

圖11 LV/DSB 對于進料甲苯組成波動的動態響應

表3 不同控制策略的控制評價

（2）研究了不同LV/DSB 的組成溫度控制策略，其中溫度組成串級控制的LV/DSB 對隔壁塔的控制效果最好，其調節時間TS最長為2.97 h、最大偏差A 為0.0015。此外，由于中間產品的主要雜質可能是輕組分或重組分，側線抽出段溫度控制回路不能保證中間產品的純度，所以僅采用單溫度控制回路不能對隔壁塔進行有效的控制。

（3）BTX 分離隔壁塔控制策略的實現，證明隔壁塔是可控的，克服了隔壁塔難于控制的瓶頸，使隔壁塔在相似體系的推廣成為可能。

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