基于變徑-變壓塔的甲醇/氯仿二元共沸物精餾分離過(guò)程熱集成與動(dòng)態(tài)控制

單寶明，張方坤，艾自東，吳忠旺，李化國(guó)，朱兆友

(1.青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.山東省思威安全生產(chǎn)技術(shù)中心，山東 濟(jì)南 250014；3.青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

control

近年來(lái)，變壓蒸餾因其在分離共沸物體系時(shí)具有其它方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性，得到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注[1-3]。許多文獻(xiàn)探討了基于變壓蒸餾(PSD)分離共沸混合物的工藝設(shè)計(jì)、建模和過(guò)程優(yōu)化。其中，PSD過(guò)程熱集成及動(dòng)態(tài)控制是蒸餾設(shè)計(jì)和工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素[4-6]。當(dāng)不同塔截面的摩爾流量幾乎相等時(shí)，通常使用等徑塔，而當(dāng)不同部分的摩爾流量相差很大時(shí)，采用變徑塔(VDC)。通過(guò)比較研究發(fā)現(xiàn)，VDC-PSD通常比普通精餾塔具有更優(yōu)越的液壓性能[7]。

本文在前人工作[8-10]基礎(chǔ)上研究了甲醇/氯仿二元共沸體系VDC-PSD的熱集成效應(yīng)及動(dòng)態(tài)控制仿真，對(duì)帶有熱集成的VDC-PSD的有效控制進(jìn)行探索，并基于Aspen dynamics軟件進(jìn)行了控制方案動(dòng)態(tài)仿真。

1 研究對(duì)象及操作條件

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的工藝過(guò)程，設(shè)定甲醇和氯仿分離過(guò)程的操作條件，最佳熱力學(xué)模型為NRTL。氯仿和甲醇的組成均為50%，總進(jìn)料速度為100 kmol/h。所需的產(chǎn)物純度為99.5%。低壓塔與高壓塔的操作壓力分別為0.1 MPa和1.0 MPa。

圖1顯示了在無(wú)熱集成情況下兩級(jí)變徑塔塔徑隨塔板數(shù)的變化。低壓塔在汽提段有明顯的直徑變化，高壓塔中存在足夠的直徑差，因此，改變兩個(gè)塔的直徑是可行的。其中，低壓塔直徑在第17段和第18段之間有較大變化，而高壓塔在第20段塔徑出現(xiàn)明顯變化。因此，低壓塔變徑位置為18段，而高壓塔變徑位置為第20段。

圖1 無(wú)熱集成的VDC-PSD分離甲醇-氯仿的兩塔直徑分布Fig.1 Diameter distribution of two columns for separatingmethanol-chloroform without heat-integrated VDC-PSDa.低壓塔；b.高壓塔

圖2顯示了甲醇-氯仿的VDC-PSD分離流程圖，低壓塔的再沸器(341.21 K)與高壓塔的冷凝器(405.67 K)之間的溫差約為64 K，這意味著可以進(jìn)行熱集成。熱集成通常包括部分熱集成和完全集成。

圖2 甲醇-氯仿的VDC-PSD分離流程圖Fig.2 Flowchart of VDC-PSD for separatingmethanol-chloroform

由圖2可知，高壓塔冷凝器的熱負(fù)荷為 1.18 MW，而低壓塔再沸器的熱負(fù)荷為1.64 MW。因此，低壓塔需要一個(gè)輔助再沸器，要求的負(fù)荷是0.46 MW。該熱集成方式為部分熱集成。該操作方式可以通過(guò)更改塔位置直徑，并且保持最佳操作參數(shù)與不進(jìn)行熱集成的過(guò)程相同實(shí)現(xiàn)。

另一種熱集成方式是采用完全熱集成。即低壓塔的再沸器負(fù)荷完全由高壓塔提供，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)高壓塔的回流比來(lái)實(shí)現(xiàn)。在Aspen plus中，兩個(gè)塔模塊的“設(shè)計(jì)規(guī)格”和“變化”功能用于調(diào)整塔底流速，以在每個(gè)塔中獲得所需的產(chǎn)品純度。“流程設(shè)計(jì)規(guī)范”用于使低壓塔再沸器熱負(fù)荷QR1等于高壓塔塔頂冷凝器負(fù)荷QC2。該操作方式亦可以改變塔直徑，而最佳操作參數(shù)與不進(jìn)行熱集成的過(guò)程相同。鑒于部分熱集成的PSD在普通塔和變徑塔節(jié)能上等效，本文主要對(duì)比分析無(wú)熱集成和完全熱集成的經(jīng)濟(jì)效益和動(dòng)態(tài)控制。

基于Aspen Plus對(duì)工藝流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析后，確定所有必需參數(shù)，然后將穩(wěn)態(tài)Aspen plus文件導(dǎo)出到壓力驅(qū)動(dòng)的Aspen dynamics文件。回流罐和集液槽的大小可設(shè)置成半滿時(shí)可保持5 min。回流罐和集液槽的高度與直徑之比均設(shè)置為2。使用泵和閥控制壓降和流量。

本文采用動(dòng)態(tài)控制方案基本控制結(jié)構(gòu)：①進(jìn)料由進(jìn)料閥控制(反作用)。②通過(guò)控制冷凝器的熱負(fù)荷(反作用)來(lái)控制塔壓力。③兩個(gè)塔的回流比是固定的，以確保兩個(gè)塔在穩(wěn)定的條件下運(yùn)行。④控制餾出液流量(正作用)以保持兩塔的回流罐液位。⑤控制底部流量(正作用)以保持兩塔的水槽水位。

當(dāng)集液槽或回流罐液位為75%時(shí)，閥門處于全開狀態(tài)，液位控制器的增益(KC)為2的倍數(shù)。當(dāng)閥門完全關(guān)閉時(shí)，集液槽或回流罐的液位為25%[8]。進(jìn)料受流量控制，控制器的正常設(shè)定值(KC)為0.50，積分時(shí)間為0.30 min。

在兩個(gè)溫度控制回路中，時(shí)滯均設(shè)置為1 min。兩個(gè)溫度控制器使用繼電器反饋測(cè)試和Tyreus-Luyben法整定來(lái)確定最終增益和周期[12-13]。

2 基于VDC-PSD的甲醇/氯仿的熱集成分析

2.1 無(wú)熱集成VDC-PSD控制方案

在低壓塔中，操縱低壓塔的再沸器熱輸入以控制19段的溫度。與低壓塔不同，高壓塔的再沸器熱輸入被控制以控制24段上的溫度。由于簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)的性能很難滿足質(zhì)量要求，因此，采用復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)，即添加了其他控制結(jié)構(gòu)，例如回流/進(jìn)料流量比，固定回流比和再沸器/進(jìn)料流量比的熱負(fù)荷。經(jīng)測(cè)試成分/溫度組成串級(jí)控制結(jié)構(gòu)具有更佳的控制效果，見圖3(CS1)。

圖3 無(wú)熱集的甲醇/氯仿VDC-PSD的控制結(jié)構(gòu)(CS1)Fig.3 Control structure for separating methanol-chloroformwithout heat integration (CS1)

低壓塔和高壓塔均采用組分/溫度串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。通過(guò)分別測(cè)量塔底出料物流中甲醇和氯仿組分占比，然后將其作為輸入信號(hào)傳輸?shù)綔囟瓤刂破鳌＝M分控制器的輸出信號(hào)作為溫度控制器的設(shè)定值。兩個(gè)串級(jí)控制器均為正作用，時(shí)滯時(shí)間為3 min。溫度控制器TC1和TC2正常調(diào)整，而成分控制器CC1和CC2分別與TC1和TC2組成串級(jí)控制進(jìn)行參數(shù)整定。

2.2 完全熱集成VDC-PSD控制方案

確定精餾塔溫度最常用的原理是“坡度準(zhǔn)則”[8]，本文亦采用坡度準(zhǔn)則進(jìn)行變徑塔的溫度分析，見圖4。

圖4 熱集成VDC-PSD塔溫度曲線和溫度變化率圖Fig.4 Temperature profiles and temperature slopvalue plots of two columns for heat-integrated VDC-PSDa，a′.低壓塔；b，b′.高壓塔

由于完全熱集成的經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，選擇甲醇/氯仿完全熱集成的VDC-PSD來(lái)研究其可控性。通過(guò)在“流程圖”功能的文本編輯器窗口中輸入適當(dāng)?shù)姆匠淌剑邏核赏耆峁┑蛪核臒崃枯斎搿Ｍㄟ^(guò)控制回流比來(lái)控制低壓塔中第19段溫度，并且通過(guò)控制再沸器熱負(fù)荷來(lái)控制高壓塔第24段溫度。高壓塔中未包含壓力控制器，隨著操作條件的變化，壓力也會(huì)相應(yīng)變化。

類似地，基于上述控制結(jié)構(gòu)，測(cè)試了幾種帶有溫度控制器的控制結(jié)構(gòu)，但未能實(shí)現(xiàn)有效控制。從流程圖中刪除低壓塔的溫度控制器，并通過(guò)控制回流比來(lái)控制組成控制器。有效控制結(jié)構(gòu)見圖5(CS2)，其中，串級(jí)控制器為正作用。

圖5 完全熱集成分離甲醇/氯仿的控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Control structure for separating methanol-chloroformwith full heat integration (CS2)

3 動(dòng)態(tài)控制仿真與結(jié)果分析

對(duì)無(wú)熱集成的VDC-PSD控制，圖6顯示了控制結(jié)構(gòu)(CS1)對(duì)進(jìn)料流量在±20%擾動(dòng)下，即進(jìn)料流量分別為120 kmol/h和80 kmol/h時(shí)，以及在進(jìn)料甲醇組分±20%擾動(dòng)下，即40%(摩爾分?jǐn)?shù))甲醇或60%時(shí)，甲醇氯仿產(chǎn)品質(zhì)量及兩塔塔板溫度(T1，19，T2，24)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

由圖6可知，串級(jí)控制結(jié)構(gòu)在維持兩個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量方面表現(xiàn)良好，在進(jìn)料流量和組分±20%擾動(dòng)下，組分和溫度控制均能達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 進(jìn)料流量和組分?jǐn)_動(dòng)下無(wú)熱集成控制方案CS1的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.6 Dynamic response of CS1 under the disturbancesof feed rate and composition

對(duì)具有完全熱集成的VDC-PSD控制，圖7顯示了CS2對(duì)進(jìn)料流量和進(jìn)料組成在±20%階躍擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

由圖7可知，在進(jìn)料流量和組分±20%擾動(dòng)下，產(chǎn)品純度和兩塔溫度均能恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值，瞬態(tài)偏差很小，尤其是對(duì)于氯仿純度而言。

圖7 進(jìn)料流量和組分?jǐn)_動(dòng)下完全熱集成控制方案CS2的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic response of CS2 under the disturbancesof feed rate and composition

表1給出了不同控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)偏差。

表1 甲醇-氯仿的穩(wěn)態(tài)偏差Table 1 Steady-state deviations of methanol-chloroform

分析可得，與無(wú)熱集成的過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)相比，采用完全熱集成的VDC-PSD分離過(guò)程不會(huì)增加控制難度，且控制方案CS2在進(jìn)料流量和進(jìn)料組分±20%擾動(dòng)下，具有可與控制方案CS1相比的較小偏差。

4 結(jié)論

基于仿真研究了二元共沸物體系甲醇/氯仿的VDC-PSD分離過(guò)程。對(duì)二元共沸物體系甲醇/氯仿的VDC-PSD進(jìn)行了熱集成分析，并基于Aspen dynamics 對(duì)控制方案進(jìn)行了仿真分析，實(shí)現(xiàn)了在進(jìn)料流量和組分±20%擾動(dòng)情況下的有效控制。對(duì)比分析了無(wú)熱集成和完全熱集成的控制結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)具有熱集成的VDC-PSD不需要特殊的控制方案，但可以實(shí)現(xiàn)熱量有效利用。

此外，本文熱集成控制策略可以對(duì)各種共沸體系的VDC-PSD熱集成有效控制設(shè)計(jì)提供有益參考，還可以針對(duì)不同體系進(jìn)一步改進(jìn)控制方案，充分發(fā)揮VDC-PSD的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)其工業(yè)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。