基于Aspen軟件的甲醇精餾熱焓控制方案設計

徐明慧 東華工程科技股份有限公司 合肥 230002

甲醇精餾是甲醇生產中的重要處理工序，甲醇精餾中最主要的設備一般是由精餾塔、再沸器、冷凝器、回流罐等組成，其中精餾塔是最主要的設備，在過程控制中精餾塔作為被控對象是一個多輸入、多輸出的多變量對應關系的復雜過程[1,2]，而精餾塔的出料是最終產品或者是下一工段的原料，所以，精餾塔的控制品質的好壞直接影響到整個工藝過程生產的成敗，精餾塔的控制方案的研究由此也顯得極為重要。精餾塔要求進料、回流和溫度在相對穩定的條件下進行操作，因此熱量輸入應該控制在相應的恒定值[3]。根據精餾工藝的不同，精餾塔熱量輸入的控制方案也有很大的差異。溫度控制隨著化工工藝日益復雜，工藝參數關聯度增強，常規的PID控制難以做到實時有效的控制，谷玉凱、王華強[4]等人將模糊神經網絡分類器應用在精餾塔溫度控制上實現了精餾塔的智能控制;高軍禮、陳瑋[5]等人用串級Smith預估補償控制方案解決精餾塔底溫度具有的大純滯后、大慣性時間常數且難以控制的特點。而將熱焓控制用于維持精餾塔塔釜熱量恒定的研究相對較少。

1 甲醇三塔精餾工藝介紹

本文以粗甲醇三塔精餾流程工藝為背景，工藝主要設備包括：預塔(T-01)、加壓塔(T-02)、常壓塔(T-03)。

工藝流程圖見圖1。

圖1 甲醇三塔精餾工藝流程圖

精餾預塔底部出料工藝流程見圖2。

圖2 精餾預塔底部出料工藝流程圖

0.5MPa(A)下的低壓蒸汽進入預塔蒸汽再沸器E-01與預塔的出料進行換熱，而蒸汽冷凝再沸器E-02利用來自加壓塔T-02再沸器(E-05 A/B)的低壓冷凝液為預塔T-01提供熱量，以降低加熱蒸汽量的消耗。預塔底部與甲醇泵相連接，將預塔底部已分離出輕組分雜質和溶解氣體的甲醇通過甲醇泵加入到甲醇壓力塔T-02[6]。

2 預塔熱焓控制方案設計

熱焓指的是由于溫差的存在而導致的能量轉化過程中所轉移的能量，熱焓控制是保持某物料的熱焓為定值或按一定的規律變化的操作[7]。預塔T-01利用來自加壓塔蒸汽冷凝液和低壓蒸汽的熱量來保持精餾塔底部溫度在操作點處。精餾塔的冷凝是一個穩定的過程，但是實際工況下會受到諸多外界因素如進料流量和物料溫度等的干擾。本文根據甲醇精餾工藝中再沸器液相進料形成氣液混合物的特點，其熱焓與溫度之間沒有單值對應關系，采用熱焓控制維持精餾塔平穩操作。

預塔蒸汽冷凝再沸器E-02的熱供給來自加壓塔的再沸器 E-05A/B出來的冷凝液，冷凝液的溫度取決于加壓塔的負荷。熱負荷的公式如下：

熱負荷(W)=質量流量×比熱容×溫差

(1)

蒸汽凝液以飽和狀態進入再沸器，而后與再沸器換熱降溫，溫降的變化即是與預塔換熱產生，凝液從飽和態降到了過冷狀態，進一步利用這部分熱量。將E-02的進出口溫度檢測后做差值，由工藝數據可知冷凝液的比熱容為4.3 J/(kg·K)以得到熱恒定值，熱恒定值乘以質量流速得到E-02的熱負荷，公式如下：

HeatLoadE-02=Fmass×(Tinlet-Toutlet)×4.3

(2)

來自再沸器E-01的熱負載等于出口流量乘上特定的熱常數2.013 MJ/kg，此外，E-01的進口介質為飽和低壓蒸汽(溫度為180℃)，按上述方法計算得到E-01的熱負荷為：

HeatLoadE-01=Fmass×2.023+Fmass×(180℃-Toutlet)×4.3

(3)

公式(2)、(3)中HeatLoadE-01、HeatLoadE-02分別為換熱器E-01和E-02的熱負荷，Fmass即為質量流量，該變量為現場測量值，Tinlet、Toutlet為再沸器的進出口溫度，由現場溫度變送器測量給出。

預塔T-01的總熱負荷值等于換熱器E-01和E-02之和，得到的值將作為T-01熱焓控制的測量值，熱焓控制采用串級控制，主控制回路為熱焓控制，副回路控制為E-01的冷凝液流量控制。精餾預塔塔釜熱焓控制方案見圖3。

圖3 精餾預塔塔釜的熱焓控制方案圖

若來自E-01或E-02的熱焓供給降低，即主回路的測量值下降，來自E-01的低壓蒸汽流量會增大以增加預塔的熱供給。

3 基于Aspen軟件的精餾塔熱焓控制仿真實現

3.1 Aspen Plus中建立預塔T-01穩態精餾體系

圖4為預塔T-01在Aspen Plus軟件界面中的穩態工藝流程圖。預塔T-01的作用是將揮發性雜質如二甲醚、甲醛和可溶性惰性氣體從粗甲醇中脫除。仿真進料雜質主要為二甲醚，以塔頂和塔底出料中丙酮的含量作為精餾質量的參考標準，進料的組份為三元進料[8]，分別是粗甲醇和二甲醚。

圖4 預塔T-01的Aspen Plus穩態工藝流程圖

預塔塔頂主要除去輕組分，如微量的H2、CO、少量的水、甲醇、二甲醚、丙酮、甲酸甲酯和CO2。其中，微量的H2、CO和CO2等不凝氣去火炬或作為燃料氣；二甲醚、甲酸甲酯和丙酮等作為輕油相通過用水萃取去除，進入雜醇油罐。

整個精餾過程中各個組分的摩爾分率的變化趨勢見圖5。

圖5 精餾過程各個組分的摩爾分率變化趨勢

仿真收斂后精餾預塔塔頂出料中二甲醚0.92mol%，甲醇為0.053mol%，水為0.025mol%；塔底粗甲醇產物中甲醇為0.26mol%，水為0.74mol%，二甲醚為0.002mol%，無丙酮及其它沸點更輕的物質，已達到作為壓力塔T-02的進料的純度，實現了三塔精餾工藝中預塔T-01的功能。橫坐標為精餾塔塔板數，縱坐標為物料的摩爾分率以表示各物料在各塔板上的成分變化。

3.2 熱焓控制策略在Aspen Dynamic中的實現

熱焓控制的實質是一種串級控制，見圖6。

圖6 預塔T-01塔釜熱焓控制方案圖

流量控制器FIC-1104所在的控制回路為副回路，用來克服流量帶來的擾動，其控制器的設定值來自于飽和低壓蒸汽的熱焓計算，熱焓控制的優勢在于可根據精餾塔穩定時的熱焓值，克服精餾過程中擾動引起的低壓飽和蒸汽的熱焓值的波動，從而為精餾塔提供穩定的熱源供給，操作變量為載熱體的流量，仿真通過改變飽和低壓蒸汽的溫度和流量，觀察熱焓控制的控制品質。

以改變飽和低壓蒸汽進料溫度作為擾動，溫度改變后，相關變量的變化趨勢見圖7。

圖7 熱焓控制中相關變量的變化趨勢

蒸汽的溫度由170℃變為190℃之后變為150℃，再回到初始值，整個變化過程中，蒸汽的進料流量也會相應的變化，當蒸汽溫度由170℃變為190℃時，蒸汽進料流量降低，塔釜的熱負荷相應的降低，為保證熱負荷恒定，熱焓控制回路會降低蒸汽出料流量，使得熱負荷回到設定值，整個過程中，預塔出料產品中乙二醇的摩爾分率都控制在工藝可接受的范圍內，達到了預期的控制效果。

常規溫度控制方案見圖圖8。

圖8 預塔T-01塔釜常規溫度控制方案圖

下面利用與熱焓控制相同的擾動對溫度控制動態響應進行仿真測試，觀察兩種控制策略的差異。

仿真常規的溫度控制之前，需找到預塔的靈敏塔板，即該塔板的溫度對外界干擾因素的反映最靈敏。將感溫元件安置在靈敏板上對精餾塔進行溫度調節以穩定精餾塔熱量供給[9]。

預塔T-01各塔板的溫度特性曲線見圖9。

圖9 預塔T-01各塔板的溫度特性曲線

可以看出第10塊塔板為靈敏塔板，溫度控制檢測預塔第10塊塔板的溫度，并相應的控制飽和低壓蒸汽進料流量組成簡單的單回路溫度控制方案。

同樣以改變飽和低壓蒸汽進料溫度作為擾動，預塔第10塊塔板溫度控制器輸出曲線見圖10。

圖10 預塔第10塊塔板溫度控制器輸出曲線圖

從曲線的變化趨勢可以看出，當達到穩態后，蒸汽進料的溫度向下波動，預塔第10塊塔板上的溫度并沒有回到設定值。因溫度與熱焓之間并不成單值對應的關系，控制器的輸出不能較好的控制溫度，從而說明了單純的以塔板溫度控制塔釜的熱量供給不可行。

4 仿真結果討論

以相同的擾動測試常規的溫度控制和熱焓控制對塔釜熱量供給控制的有效性，由仿真的結果相互對比可以看出熱焓控制的優勢和有效性。

根據塔板溫度控制蒸汽進料流量的控制方案只能解決換熱器的物料進出狀態相同的情況，實際生產工況下，溫度與熱焓之間沒有單值關系，采用溫度控制意義不大，也無法控制最佳蒸汽用量。而熱焓控制的最終目的并不是根據某一塊塔板的溫度來控制載熱體的流量，而是根據精餾塔初始的熱焓值，克服因加熱介質(蒸汽)溫度等變量變化而引起的熱焓值的波動，在保證精餾品質的前提下，保持整個精餾過程中精餾塔熱焓值的穩定，從而達到節能降耗的目的。

5 結語

本文根據甲醇三塔精餾預塔T-01的工藝特點，在精餾控制中使用了熱焓控制，通過與精餾塔的常規溫度控制的對比,驗證了熱焓控制方案的優勢；通過仿真驗證了熱焓控制方案的可行性和有效性，在滿足精餾工藝要求的同時，較好地控制了蒸汽用量，在保證精餾品質的同時，達到了節能降耗的目的。本文所研究的熱焓控制方案對甲醇精餾控制的工業應用具有一定指導意義。