環己烯催化精餾水合制備環己醇系統響應特征分析

胡明圓，田 暉*，孫大海，劉 帥，許文友,2

(1.煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005；2.山東省輕烴資源化綜合利用協同創新中心，山東 煙臺 264005)

環己醇是一種非常重要的有機化工產品，其生產方法主要有三種:苯酚加氫法、環己烷氧化法、環己烯水合法[1-3]。其中環己烯水合法因為在安全性、選擇性及成本方面具有明顯優勢，所以受到國內外學術領域和生產工業的廣泛關注。目前環己烯水合法還存在轉化率低、分離工序復雜等缺點[4-5]，我們課題組經過長期的研究提出了一種加入助溶劑異佛爾酮的催化精餾工藝[6-8]，希望彌補目前環己烯水合法的不足。

化工過程模擬分為穩態模擬和動態模擬[9-11]，穩態模擬對于工藝流程和設備的設計是很有用的。但是在實際生產操作過程中，動態模擬比靜態模擬更為重要，因為實際生產過程中系統難免會受到一些干擾[12-13]，在干擾引起系統變動后，只有深入的了解系統的動態行為，并搞清系統究竟能否建立新的平衡和怎樣去建立新的平衡，才能有的放矢的搞好系統的設計和運行，滿足過程控制的要求。與穩態模擬相比，由于其復雜性，動態過程模擬很少被使用。但是，隨著技術的進步，該種方法的使用也越來越頻繁。對于控制工程師來說，在對系統控制方案設計之前，首先要做的是了解和分析統的動態特性。很多人都忽視了系統的動態特性而試圖采用各種分析控制方法或者復雜控制手段對系統進行控制，這種做法通常都會導致嚴重的失敗。

目前關于環己烯水合生產環己醇的催化精餾工藝大多還處于實驗和穩態模擬階段，關于其控制方案的研究還很少。本文在已有研究的基礎上[14-15]，建立了環己烯催化精餾水合制備環己醇的三塔工藝流程，并且建立動態模型，分析系統在擾動下的動態響應情況，然后進行靈敏板位置選擇，希望可以為后續建立理想的控制方案提供基礎。

1 工藝流程概述

圖1為我們在已有研究的基礎上[8,16]，建立的環己烯催化精餾水合制備環己醇的三塔工藝流程。主要包括一個催化精餾塔(RD)、兩個純化精餾塔(PD1、PD2)、兩個分相器(Decanter1、Decanter2)。我們將原料環己烯、水和助溶劑異佛爾酮混合后進料到RD塔，然后經過PD1塔和PD2塔的純化，得到高純度的環己醇產品和異佛爾酮，異佛爾酮循環使用。Decanter1、Decanter2的作用就是將有機相跟水相分離，其中有機相主要成分為環己烯。

RD塔由精餾段和反應段組成。RD塔塔頂蒸餾出沸點最低的環己烯-水共沸物，并通過Decanter1將環己烯與水分離，RD塔還是一個共沸精餾的過程，共沸劑為環己烯，所以我們通過調節有機相回流比，保證RD塔內環己烯有較高的濃度。通過向Decanter1中加水來提高Decanter1的分相效果。PD1塔實際上是一個共沸精餾塔，共沸劑為環己烯。PD1塔的作用是將RD塔塔釜采出的物料中剩余的原料(環己烯和水)與重組分的環己醇和異佛爾酮分離。PD2塔的目的是將助溶劑異佛爾酮和產品環己醇分離，得到高純度的環己醇產品，高純度的異佛爾酮。

計算所得的各設備操作參數如表1所示。

注：ENE為環己烯，W為水，IP為異佛爾酮，NOL為環己醇，RD為催化精餾塔，PD1為純化精餾塔1，PD2為純化精餾塔2，Decant1為分相器1，Decant2為分相器2。

圖1 工藝流程

表1 各設備參數

2 系統動態響應分析

要對系統進行控制策略研究，首先要了解和分析系統的動態特性。如果忽視系統的動態特性，而直接控制方案的設計，往往難以達到理想的控制效果。我們利用Aspen Plus Dynamics動態模擬軟件，對此工藝進行動態分析。本文我們主要進行了常見的擾動分析和操縱變量的靈敏性分析。

2.1 動態模型

我們利用Aspen Plus Dynamics建立的動態模型如圖2所示，其中包括了第一級的控制器，主要有4個流量控制器，3個壓力控制器，8個液位控制器。本文的擾動分析和靈敏性分析都是在此基礎上進行的。

注：液位控制器；壓力控制器；溫度控制器；流量控制器。

圖2 動態模型

2.2 擾動分析

本文主要分析常見的系統擾動，其中有有機相回流比、再沸器負荷、進料流量。

2.2.1 RD塔有機相回流比

在進行RD塔有機相回流比的擾動過程中，我們在系統穩定運行2 h之后，使RD塔有機相回流比發生階躍變化，變化幅度為±5%，考察有機相回流比擾動對環己醇產量和純度的影響。結果如圖3。

圖3 有機相回流比擾動下對環己醇產量(a)及純度(b)的影響

從圖3中可以看出，當有機相回流比增大時，環己醇的產量增大，環己醇產品的純度經過先增加后減少然后逐漸達到穩定。相反，當有機相回流比減小時，環己醇的產量減小，產品純度先減少后增加然后達到穩定。有機相回流比增大的幅度越大，環己醇產量和純度的響應也越大。

當有機相回流比發生改變后，環己醇純度的變化比較迅速，其對再沸器熱負荷正方向和反方向的動態響應呈對稱分布。而且有機相回流比增大的幅度越大，環己醇產量和純度的響應也越大。所以可以考慮有機相回流比作為控制策略中的控制變量。

2.2.2 RD塔再沸器熱負荷

RD塔再沸器熱負荷擾動下的動態響應，在系統穩定運行2 h之后，改變幅度分別為±3%和±2%，同樣考察環己醇產量和純度的變化，結果如圖4所示。

圖4 再沸器熱負荷擾動下環己醇產品產量(a)及純度(b)的變化

從圖4中可以看出，當熱負荷增大時，環己醇的產量減少，環己醇產品的純度先增加后減少然后趨于穩定；當熱負荷減小時，環己醇的產量增大，環己醇產品的純度先減少后增加然后趨于穩定。

熱負荷階躍改變后，環己醇純度的變化比較迅速，其對再沸器熱負荷正方向和反方向的動態響應呈對稱分布，環己醇的產量可以在較短的時間內達到新的穩態，而且熱負荷增大的幅度越大，環己醇產量和純度的響應也越大。所以同樣可以考慮RD塔再沸器熱負荷作為控制策略中的控制變量。

2.2.3 進料流量

我們考察的是進料混合物的總流量，在系統穩定運行兩個小時之后，使進料總流量發生階躍變化，改變幅度為±5%和±3%，觀察環己醇產量和環己醇純度的變化。

從圖5中可以看出，當進料流量增大時，環己醇的產量和純度都是先增加然后緩慢減少，最后趨于穩定。環己醇的純度對于進料流量的擾動需要較長的時間達到穩定，而且對于正方向和反方向的響應并不對稱。所以不建議考慮進料流量作為控制策略中的控制變量。

圖5 進料流量擾動下環己醇產品產量(a)及純度(b)的變化

2.3 靈敏板位置

對于精餾過程的控制，首先必須確保產物的純度達到預期的規格。在工業中，通常使用滯后較小的溫度控制來確保產品純度。通過對RD塔的擾動分析可以看出，RD塔塔釜再沸器熱負荷和有機相回流比都可以作為操縱變量，所以對于RD塔的控制，單溫度控制方案和雙溫度控制方案都可以考慮。

2.3.1 單溫度控制靈敏板位置

要使用溫度溫度控制，首要的問題就是靈敏度位置(溫度控制板)的選擇。單溫度控制方案和雙溫度控制方案對于靈敏板位置選擇的方法是不同的。單溫度控制器的位置由傳統的開環靈敏度分析確定[17-18]。該方法要使某個操縱變量(如回流量)發生很小的變化(如設計值的0.1%)，考察各塊塔板溫度的變化并找出溫度變化最大的塔板。對于其他操縱變量(如再沸器熱量輸入)，則可重復上述過程。塔板溫度的變化值除以操縱變量的變化值，就是該塔板溫度與各操縱變量之間的開環穩態增益。溫度變化最大的塔板即是最“靈敏”的，故選擇該塔板來進行控制。某塔板的溫度增益值較大，說明該塔板的溫度可以由響應的操縱變量有效地控制。反之，增益較小說明閥門調節容易出現飽和現象，且操作區域會受到限制。

RD塔的開環穩態增益如圖6所示，當再沸器熱負荷發生變化時，RD塔的第17塊塔板增益最大，表明選擇再沸器熱負荷做操縱變量時，RD的靈敏板位置在第17塊理論板。同理，選擇有機相回流比做操縱變量時，RD塔的靈敏板位置在第7塊理論板。

圖6 RD 塔開環靈敏度分析

2.3.2 雙溫度控制靈敏板位置選擇及可行性評估

雙溫度控制相比單溫度控制更加復雜，不僅要考慮環路靈敏度問題，還要平衡兩個控制器之間的相互作用。我們使用奇異值分解分析進行進一步分析[19]，不僅能夠進行靈敏板位置選擇，還可以評估雙溫度控制方案的可行性。

我們利用計算得到的所有塔板溫度和兩個操縱變量之間的穩態增益，形成一個增益矩陣K。該矩陣有20行(塔板數)和2列(操縱變量數)。利用Matlab中的SVD函數將此矩陣分解為三個矩陣：K=U σ VT( U是20×2矩陣，σ是2×2矩陣，V是2×2矩陣)。以塔板數為橫坐標軸，繪制矩陣U的兩個向量元素值的曲線，如圖7所示。對應著U中元素量值最大的一塊或數塊塔板則表示了塔中最有效的控制位置。在圖7中，U1與再沸器熱輸入相關，U2與有機相回流比相關。奇異值分解分析的結果與靈敏度分析的結果一樣，第7塊板溫度可由有機相回流比控制，而第17塊板溫度可由再沸器熱量輸入控制。與開環靈敏性分析結果一致，表明兩操縱變量之間的相互作用較小。

σ是2×2的對角矩陣，其元素是矩陣K的奇異值。矩陣σ的對角元素中較大者與較小者的比值即為條件數，可以用來評估雙溫度控制方案的可行性。條件數較大(或最小奇異值較小)時表明系統的控制比較困難。控制器就是裝置增益矩陣的逆矩陣，如果奇異值為“0”則說明這是一個奇異矩陣，不可求逆。穩態增益矩陣的奇異值是σ1= 22.4786和σ2= 17.9476，其給出條件數CN = σ1/σ2= 1.25。這表明兩個溫度是相當獨立的，因此雙溫控制方案應該是可行的，至少從穩態的角度來看是這樣。

圖7 RD塔奇異值分解

3 結論

本文使用Aspen Plus Dynamics軟件對我們所建立的環己烯催化精餾水合制備環己醇的工藝流程進行了動態響應特征分析。考察了當RD塔有機相回流比、RD塔再沸器熱負荷、進料流量發生變化時，環己醇的產量和純度的動態響應。從結果可以看出環己醇產量和純度對于RD塔再沸器熱負荷和RD塔有機相回流比的響應比較靈敏，而且對于正方向和反方向的響應也比較對稱，可以考慮作為控制策略中的操縱變量。

利用開環靈敏度分析的方法進行了單溫度控制方案靈敏板位置分析。再沸器熱負荷做操縱變量時，RD的靈敏板位置在第17塊理論板；有機相回流比做操縱變量時，RD塔的靈敏板位置在第7塊理論板。

利用奇異值分解分析進行了雙溫度控制方案的靈敏板位置選擇和可行性評估。靈敏板位置選擇結果與單溫度控制方案一致，第7塊板溫度可由有機相回流比控制，第17塊板溫度可由再沸器熱量輸入控制。 條件數為1.25，表明雙溫度控制方案從穩態角度看是可行的。

本文主要針對催化精餾塔進行了分析，希望可以為后續控制策略的研究提供基礎。對于PD1和PD2塔的分析，以及控制策略有待進一步研究。