醋酸甲酯側反應精餾過程的多變量動態控制

薄翠梅，黃慶慶，湯吉海，張廣明，喬旭（南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京 86；南京工業大學化學化工學院，江蘇 南京 86）

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醋酸甲酯側反應精餾過程的多變量動態控制

薄翠梅1，黃慶慶1，湯吉海2，張廣明1，喬旭2
（1南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京 211816；2南京工業大學化學化工學院，江蘇 南京 211816）

摘要：側反應器與精餾塔的耦合結構與物料交換方式的靈活性，造成系統的自由度高、設計變量多，增加了該過程的穩態優化模擬和動態控制的難度。針對側反應精餾過程（SRC）的平滑操作和自動控制問題，以醋酸甲酯工業生產過程為例，采用基于獨立反應量的穩態設計方法獲取最佳的反應精餾集成結構和操作參數，在此基礎上設計了以產品成分調節變比值控制為主的多變量控制方案，并通過在Aspen流程模擬軟件建立醋酸甲酯側反應精餾動態流程模擬系統，驗證控制方案的有效性。

關鍵詞：醋酸甲酯；側反應精餾；穩態模擬；動態控制

2015-12-28收到初稿，2016-01-08收到修改稿。

聯系人及第一作者：薄翠梅（1973—），女，教授。

引 言

傳統的反應精餾（RD）過程在充分利用反應熱、提高設備集成度、節省投資等方面具有明顯優勢[1-3]。然而傳統反應精餾對適用體系有著苛刻的條件，而新型帶側反應器反應精餾塔外集成（SRC）技術不僅可有效提高原料轉化率和目標產物選擇性，而且可以有效克服傳統反應精餾過程的局限性[4-5]。SRC過程采用了反應器與精餾塔塔外耦合連接的模式，操作都更加靈活，增加了控制系統設計的靈活性和復雜性，至今該過程的應用成果甚少[6-8]。

Gangadwala等[9]利用MINLP法設計了生產乙酸丁酯的SRC工藝，Luyben等[10]建立了基于生產成本的SRC設計的序貫優化法。Luyben等[11-14]對RD過程提出了8種不同控制結構。Kaymak等[15]建立了SRC動態模型，并應用其提出的傳統控制結構中的兩種（CS5和CS7）進行對比研究。文獻[16]用成本優化方法進行穩態優化，并設計了廠級控制方案，但目前對SRC過程動態控制的研究依然很少[17]。

本文以醋酸甲酯反應精餾體系[15]為例，采用基于獨立反應量的穩態設計方法[18-19]獲取最佳的反應精餾集成結構與穩態模擬結果，在此基礎上進行以產品成分調節變比值控制為主的多變量控制系統設計，并通過Aspen流程模擬軟件進行動態閉環系統性能測試。

1 醋酸甲酯側反應精餾集成工藝

1.1 醋酸甲酯側反應精餾的集成結構

工業上醋酸甲酯一般是通過在強酸性催化劑條件下用醋酸和甲醇酯化反應制備而成。作為可逆反應的酯化反應，其平衡轉化率受限，而且在該酸醇酯化四元物系中，醋酸甲酯同水和甲醇都會形成共沸物，所以本文采用反應精餾技術，利用酯化體系中的不同組分的沸點差異，將高沸點產物與低沸點產物不斷通過精餾作用及時從反應段分離，降低產物濃度對反應的抑制作用，使單程轉化率提升。反應方程如下：

該反應為可逆反應，其動力學的模型采用以活度為濃度基礎，指數形式的速率控制模型[20]。

式中，r為反應速率；mcat為催化劑的質量；k+和k－為正/逆反應速率常數，用Arrhenius方程來表示；aα、bα、cα、dα為各組分活度，a為醋酸，b為甲醇，c為醋酸甲酯，d為水。在強酸性催化劑作用下，醋酸和甲醇反應生成水和醋酸甲酯。重組分水從塔底排出，輕組分醋酸甲酯從塔頂采出，甲醇和醋酸留在塔內繼續反應。組分特性見表1。

表1 物質物性Table 1 Material properties

1.2 醋酸甲酯側反應精餾穩態優化設計

反應精餾優化設計的穩態結構與操作參數，將作為動態模擬和控制系統設計的研究基礎，并且穩態優化最佳操作參數，如產品質量、反應轉化率和最小生產成本等將作為控制系統設計的理想控制目標。采用本課題組在文獻[17]提出的基于獨立反應量的不同工況反應精餾集成穩態優化設計方法，利用基于產品質量的生產成本分別優化反應器數、塔板數等變量對醋酸甲酯側反應精餾集成結構進行穩態優化設計。假設每個側反應器之間的塔板數相同，考察不同側反應器臺數，每臺反應器之間的塔板間隔，進料位置，回流比等對醋酸甲酯側反應精餾的影響情況，如圖1所示，通過分析在不同變量影響下塔頂醋酸甲酯成分的對應情況，來確定一個合理的參數模型。

以傳統反應精餾的塔頂產品質量要求為標準，保證塔頂采出醋酸甲酯產品的純度不小于96%，塔釜廢液中含量不高于1‰。通過對各個參數優化的結果，得到最佳的醋酸甲酯SRC過程穩態模型，該過程的模擬結果如圖2所示。醋酸甲酯反應精餾塔共30塊塔板，醋酸進料位置為第4塊塔板，進料流量為50 kmol·h?1，甲醇進料位置為第25塊塔板，進料流量50 kmol·h?1，精餾塔回流比設為1.5，塔頂醋酸甲酯采出量為50 kmol·h?1。該反應精餾塔外集成結構共有5臺側反應器，第1臺反應器于第26塊塔板處與精餾塔相連，依次向上，且每間隔4塊塔板設置1臺反應器。塔內生成的醋酸甲酯在反應段初步分離后，在精餾段進一步分離，從塔頂采出。

在此穩態模型中，反應精餾過程的塔板液相的組成分布曲線如圖3所示。

圖1 側反應精餾過程優化設計與分析Fig.1 Optimal design and analysis of SRC for methyl acetate production

圖2 穩態模擬設計參數Fig.2 Design parameters of steady-state

圖3 精餾塔液相組成分布Fig.3 Composition profiles of optimal steady state configuration

在塔板液相組成中，各自進料位置處的醋酸和甲醇的含量最高，反應段內原料逐漸消耗，當進入提餾段和精餾段，殘余的醋酸和甲醇也得到迅速分離。從整體的液相組成分布圖中可以看出，在反應段物料可以充分反應并進行緩慢的分離，達到以分離促反應的效果，當物料超出反應段后，由于反應物的大量消耗，分離作用又可以得到充分發揮，實現了以反應促分離的效果。

2 SRC過程的動態控制

為了保證上述新型的醋酸甲酯反應與精餾塔外集成裝置的平穩運行，首先應通過選擇合適的被控變量和操作變量配對模式，設計SRC過程的基礎控制回路見表2。通過溫度相對增益矩陣法來確定靈敏板位置，確定該反應精餾塔外集成結構的靈敏板為第6塊塔板。塔頂采出的醋酸甲酯純度是整個側反應精餾產品質量最重要的指標，采用進料流量成分變比值控制回路保證系統性能。多變量控制結構如圖4所示。

表2 多變量控制方案回路Table 2 Control loops of multi-variable control scheme

圖4 動態控制方案結構Fig.4 Structure of dynamic control scheme

設計原則遵循如下步驟[21]：（1）確定控制目標（典型的控制目標包括產品純度、溫度、液位等）；（2）確定控制自由度（清點所有控制閥和可能的執行器）；（3）通過進料比值控制維持化學計量平衡；（4）從溫度控制開始，按順序整定控制器，將單個回路依次置于閉環狀態，可以重復該過程直到參數收斂；（5）優化控制目標：檢查動態性能，如有必要，可以進行替換。

3 動態響應性能分析

采用化工流程模擬軟件Aspen Dynamics 搭建醋酸甲酯側反應精餾過程動態模擬系統。為了測試分析該控制系統的動態性能，在系統平穩運行1 h后，分別引入不同類型的過程擾動：±10%醇進料流量擾動、5%醇進料組分擾動，±5%加熱量隨機熱值擾動，以及同時加入上述3類擾動。通過分析靈敏板溫度變化和塔頂產品純度變化來觀察系統的動態響應。在測量過程中加入了1/1000的測量誤差和15 min的測量延遲。

（1）進料流量擾動下系統動態響應情況

圖5 進料流率擾動下系統動態響應曲線Fig.5 Response of step disturbance in feed flow rate

從圖5可以看出，在醇進料量擾動作用于系統時，靈敏板溫度控制回路較快發揮作用，使溫度很快穩定在設定值，溫度控制回路對進料流量擾動起到一定抑制作用。由產品醋酸甲酯純度變化趨勢可以看出，成分的控制回路的調節時間要比溫度調節時間略長，說明純度控制存在一定滯后作用，但仍在合理范圍內。

（2）進料組分擾動下系統動態響應情況

由圖6靈敏板響應曲線可以看出，溫度出現向下的波動后再回復設定值，這是由于進料雜質中水屬于重組分，沸點較高，需要再沸器增大加熱量塔板溫度才能回復原值。而醋酸甲酯含量小幅上升的原因是增加純度擾動后塔頂產品采出量下降，回流比上升造成的影響。可以看出整個動態響應的過程中，該控制方案可以實現良好的控制。

圖6 進料成分擾動下系統動態響應曲線Fig.6 Response of disturbance in feed stream composition

（3）加熱量隨機熱值擾動下系統動態響應情況

在裝置運行過程中，再沸器的加熱量是關鍵控制變量，它為整個精餾塔的分離作用提供熱量，在工程生產中也是最主要的能量消耗。圖7為靈敏板溫度的響應曲線和塔頂醋酸甲酯含量的響應曲線。由圖可以看出控制效果較為良好，塔板溫度和產品純度以服從正態分布的方式在小范圍內波動。

（4）綜合擾動下系統動態響應情況

圖7 加熱量隨機擾動下系統動態響應曲線Fig.7 Response of random disturbance in reboiler duty

為了考察醋酸甲酯SRC過程在極端條件下，多變量控制方案的有效性，同時加入+10%的進料擾動，5%的進料組分擾動，以及±5%服從正態分布的隨機熱值擾動。圖8靈敏板T6的溫度響應和塔頂醋酸甲酯純度響應雖然出現波動，但是最終都能穩定在一定范圍內。

圖8 綜合擾動下系統動態響應曲線Fig.8 Response of comprehensive disturbance

4 結 論

新型帶側反應器反應精餾塔外集成（SRC）技術不僅可有效提高原料轉化率和目標產物選擇性，而且可以克服RD過程溫度或壓力不匹配問題。本文進行了醋酸甲酯側反應精餾過程的穩態優化模擬設計，并且研究了以產品成分調節變比值控制為主的多變量控制系統，在多種類型擾動下系統都可以有效抑制其影響，很好地保證產品純度。醋酸甲酯反應精餾塔外集成結構穩態優化設計和動態控制研究，可以為今后實際生產過程控制系統設計提供一個參考。

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研究論文

Received date: 2015-12-28.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (61203020, 21276126, 61403190) and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20141461).

Multi-variable dynamic control of distillation column with side reactors for methyl acetate production

BO Cuimei1, HUANG Qingqing1, TANG Jihai2, ZHANG Guangming1, QIAO Xu2
(1College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, Jiangsu, China;2College of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, Jiangsu, China)

Abstract:The distillation column with side reactors (SRC) process allowing a more flexible way of coupling reaction and separation leads to the increase in the freedom of the system and the number of design variables, which consequently increases the difficulty in the process simulation, optimization and dynamic control. For smooth operation and automatic control of the SRC process, with the SRC integration technique in the production of methyl acetate production process as an example, the steady-state optimization, dynamic control and simulation are discussed in the paper. To obtain the optimum integrated structure and the steady-state simulation of SRC for methyl acetate production, the systematic design approach based on the concept of independent reaction amount is applied to the process of SRC for methyl acetate production. Then multivariable control schemes based on product quality control with variable ratio control are designed and SRC of methyl acetate dynamic simulation based on process simulation software Aspen is used to verify the effectiveness of the control scheme. The simulation results show good control precision, robustness and dynamic follow performance of the control scheme.

Key words:methyl acetate; distillation column with side reactors; steady-state simulation; dynamic control

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151984

中圖分類號：TP 13

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）03—0919—06

基金項目：國家自然科學基金項目（61203020，21276126；61403190）；江蘇省自然科學基金項目（BK20141461）。

Corresponding author:Prof. BO Cuimei, lj_bcm@163.com