一種分壁精餾塔的控制方法
2023-06-05 06:19:46
專利名稱：一種分壁精餾塔的控制方法
技術領域：
本發明屬於化工精餾過程和自動化控制領域，涉及了分壁精餾塔分離多組分混合物的控制方法。
背景技術：
隨著能源日趨緊張和市場競爭的日益激烈，節能降耗在化工行業的運行管理中越來越受到重視。分壁精餾塔作為典型的過程強化技術受到了業界人士和研究人員的普遍關注。分壁精餾塔可在一個塔內實現三組分、四組分和更多組分混合物的清晰分割。分壁精餾塔是在精餾塔內部設置一垂直分隔壁，將精餾塔分割為四個部分分隔壁上下兩部分為上部精餾段和下部提餾段，分隔壁兩邊分別為預分餾段(或進料段)和側線出料段。與傳統的兩塔精餾流程相比，分壁精餾塔具有節能、投資低、佔地少等優點。與傳統精餾塔不同，分壁精餾塔內部更加複雜，塔內相鄰區塊和多區塊間、不同自由度間和多變量間高度耦合，改變任何一個操作變量均會對塔內氣液平衡狀態、傳熱和傳質過程以及目標產品純度帶來連鎖反應，實現分壁精餾塔的平穩控制一直是一個難題。目前對分隔壁精餾塔的研究還主要集中在與傳統精餾塔的能效方面的比較，針對分壁精餾塔的控制方面報導和專利較少。分壁精餾塔穩態研究的開拓性文獻由Wolff和 Skogestad 在 1995 年發表(Operation of integrated three-product (Petlyuk)distillation columns, Wolff, E. A.， Skogestadj S，Ind. Eng. Chem. Res, 1995，34 :2094 - 2103),他們利用分壁精餾塔研究了乙醇/丙醇/ 丁醇三組分系統。該塔主塔由40塊塔板組成，預分餾部分有20塊塔板。他們同時研究了三點控制和四點控制。在三點控制模型中，調節回流率來改變塔頂產品純度，調節側線流率改變側線產品純度，調節塔底蒸汽量來改變塔底產品純度。四點控制模型增加了利用塔頂塔底產品的純度調節側線產品的雜質含量，該模型不能確保分壁精餾塔在最優能耗附近操作，且在進料流量和進料組成波動時不能實現平穩控制。1998年Abdul Mutalib和Smith在含有23塊塔板的分壁精餾塔中對甲醇/2—丙醇 / 丁醇物系進行了研究(Operation and control of dividing wall columnsPartl: Degree of freedom and dynamic simulation , Abdul Mutalib, M. I. , Smith, R.,Trans. Inst. Chem. Eng. , PartA 1998，76:308-318)，產品純度可達 98. 5%。與 Wolff■和Skogestad得出的結果不同，他們發現在三組分控制模型中，利用改變後的配對關係V-XS2與S-XB3並結合R-XDl或D-XDl (改變回流量)調節迴路，可以得到非常好的結果。他們並沒有使用液相分配變量。Abdul Mutalib、Zeglam和Smith對相同的系統利用溫度而不是組成作為控制變量進行了模擬和實驗的研究(Operation and control of dividing wallcolumns Part2:Simulation and pilot plant studies using temperature control,AbdulMutalib, M. I. , Zeglam, A. 0. , Smith, R. , Trans. Inst. Chem. Eng. , PartA 1998,76: 319-334)。這些學者嘗試只控制系統中的兩個溫度。他們同時保持側線物流流率的恆定。這兩個特點在所提到的模型中是兩個主要的缺陷，導致穩態模擬結果和穩態實驗結果具有明顯不同。例如實驗過程中所得到的塔頂產品純度為98. 1%，而不是模擬當中的98.5%。另外，即使進料組成中發生非常小的擾動，也無法實現預期的控制效果。例如當進料組成從33. 3%甲醇、33. 3%2-丙醇、33. 4% 丁醇變為36. 3%甲醇、28. 4%2_丙醇、35. 3% 丁醇時，所得到的甲醇精餾純度由98. 5%降到了 96. 5%。這些結果表明，僅僅控制兩個溫度並固定側線物料流率無法進行有效的控制。Adrian等報導了在巴斯弗小型試驗裝置中丁醇/戊醇/己醇三元系統的研究成果(Model predictive control of integrated unit operations: Control of a dividedwall column, Adrian, T. , Schoenmakers, H. , Boll, M, Chem. Eng. Process. , 2004,43: 347-355)。他們使用的塔總高度為11. 5米。需要控制三個溫度，其中一個為預分餾部分的溫度，預分餾部分的主要作用是防止重組分從分隔壁的上部進入側線採出部分。這種控制方法要比僅僅控制兩個溫度或不控制預分餾部分溫度的方法更加合理。他們將PID控制與模型預測控制(MPC)進行比較得出利用MPC控制可以提高控制效果。PID控制模型主要包括三方面調節回流率來控制預分餾部分的溫度、調節液相分配來控制側線採出位置上的溫度以及通過調節側線流率控制塔底的溫度。在MPC控制模型中，除了以上三個溫度控制變量以外，還使用再沸器的熱流量作為變量。雖然他們的結論表明MPC的效果更好，但是其在PID控制模型中假設輸入熱量是固定的，這一假設讓人們對他們結論的正確性產生了質疑。另外，在他們的論文中沒有對其他變量組的選擇和改進的控制調節進行評價。以上為數不多的研究，，雖然開展了針對原料組成和原料流量波動的控制研究，然而原料組成發生大規模波動時，如何實現分壁精餾塔平穩控制、保持產品的純度的問題尚未解決。
發明內容
為解決上述技術問題，本發明提供一種分壁精餾塔的控制方法，可以在進料流量或者進料組分含量發生變化時，通過塔頂、側線、塔底以及預分餾段頂部共計四個組分濃度控制迴路實現全塔的平穩控制，保證產品質量，並確保全塔能耗處於最優範圍。解決了分壁精餾塔在進料流量和進料組分含量大幅波動時的控制問題，具有重要實用價值，應用前景廣闊。本發明採用如下技術方案
一種分壁精餾塔的控制方法，採用四個控制迴路，分別為
(1)塔頂餾出物組成控制迴路，通過塔頂餾出物組分濃度控制塔頂回流量；
(2)側線餾出物組成控制迴路，通過側線餾出物組分濃度控制側線流量；
(3)塔釜餾出物組成控制迴路，通過塔釜餾出物組分濃度控制塔釜熱負荷；
(4)預分餾段頂部氣相組成控制迴路，通過預分餾段頂部氣相重組分濃度控制分壁精餾塔內部的分液比。
所述塔頂餾出物組分濃度是指塔頂餾出物中目的產品或雜質的濃度；側線餾出物組分濃度是指側線餾出物中目的產品或雜質的濃度；塔釜餾出物組分濃度是指塔釜餾出物中目的產品或雜質的濃度；預分餾段頂部氣相重組分濃度是指原料中沸點高於或揮發度低於塔頂和側線目的產品的一種物質的濃度或幾種物質的濃度總和。
優選的，所述塔頂餾出物組分濃度、側線餾出物組分濃度、塔釜餾出物組分濃度或預分餾段頂部氣相重組分濃度由在線濃度分析儀測定。本發明所述控制迴路均優選為PID控制迴路。在上述PID控制迴路中，優選的，通過數學公式(I)，分別建立塔頂回流量和塔頂餾出物組分濃度、側線流量和側線餾出物組分濃度、塔釜熱負荷和塔釜餾出物組分濃度、分壁精餾塔內部的分液比和預分餾段頂部氣相重組分濃度的聯繫，
權利要求
1.一種分壁精餾塔的控制方法，其特徵在於採用四個控制迴路，分別為(1)塔頂餾出物組成控制迴路，通過塔頂餾出物組分濃度控制塔頂回流量；(2)側線餾出物組成控制迴路，通過側線餾出物組分濃度控制側線流量；(3)塔釜餾出物組成控制迴路，通過塔釜餾出物組分濃度控制塔釜熱負荷； (4)預分餾段頂部氣相組成控制迴路，通過預分餾段頂部氣相重組分濃度控制分壁精餾塔內部的分液比。
2.按照權利要求I所說的控制方法，其特徵在於所述塔頂餾出物組分濃度是指塔頂餾出物中目的產品或雜質的濃度；側線餾出物組分濃度是指側線餾出物中目的產品或雜質的濃度；塔釜餾出物組分濃度是指塔釜餾出物中目的產品或雜質的濃度；預分餾段頂部氣相重組分濃度是指原料中沸點高於或揮發度低於塔頂和側線目的產品的一種物質的濃度或幾種物質的濃度總和。
3.按照權利要求I所說的控制方法，其特徵在於所述塔頂餾出物組分濃度、側線餾出物組分濃度、塔釜餾出物組分濃度或預分餾段頂部氣相重組分濃度由在線濃度分析儀測定。
4.按照權利要求I所說的控制方法，其特徵在於所述控制迴路均為PID控制迴路。
5.按照權利要求4所說的控制方法，其特徵在於通過數學公式(I)，分別建立塔頂回流量和塔頂餾出物組分濃度、側線流量和側線餾出物組分濃度、塔釜熱負荷和塔釜餾出物組分濃度、分壁精餾塔內部的分液比和預分餾段頂部氣相重組分濃度的聯繫，
6.根據權利要求5所述的控制方法，其特徵在於所述PID控制器的調諧參數通過Tyreus-Luyben 方法獲得。
7.根據權利要求I所述的控制方法，其特徵在於具體步驟包括(1)在分壁精餾塔的塔頂出料處、側線出料處、塔釜出料處和預分餾段頂部分別設置在線濃度分析儀，並分別建立塔頂回流量控制裝置、側線流量控制裝置、塔釜再沸器負荷控制裝置和預分餾段頂部分液比控制裝置的PID控制迴路；(2)各個PID控制器採用Tyreus-Luyben方法,分別進行參數整定,方法如下首先，將PID控制器改為比例作用，放在初始比例度，由手動操作改為自動操作；在平穩後，改變PID控制迴路中的控制裝置的操作變量，待組分濃度測定值穩定後，利用記錄的操作變量和所述組分濃度測定值繪製該過程的奈奎斯特圖，從圖中讀取交越頻率ω。和放大係數Ku，利用T =2 π / ω。計算出Tu,再通過如下公式計算得出所述PID控制器的調諧參數^、!^及！^Kp= Ku/2. 2Ti=2. 2 TuTd= Tu /6. 3 ；(3)進料量或進料組分發生變化後，待組分濃度測定值穩定後，計算所述組分濃度的設定值和測定值的差值e⑴，將e⑴、Kp、Ti及Td代入所述公式I計算得到各個所述控制裝置的新操作變量。
8.權利要求I至7任一所述的控制方法在實現分壁精餾塔分離多組分混合物，進料量或進料組分發生變化時的穩定控制中的應用。
9.根據權利要求8所述的應用，其特徵在於，所述的多組分混合物為三組分、四組分或五組分混合物。
10.根據權利要求9所述的應用，其特徵在於所述多組分混合物為以苯-甲苯-二甲苯為主的混合物。
全文摘要
本發明公開了一種分壁精餾塔的控制方法，採用四個控制迴路，分別為塔頂餾出物組成控制迴路，通過塔頂餾出物組分濃度控制塔頂回流量；側線餾出物組成控制迴路，通過側線餾出物組分濃度控制側線流量；塔釜餾出物組成控制迴路，通過塔釜餾出物組分濃度控制塔釜熱負荷；預分餾段頂部氣相組成控制迴路，通過預分餾段頂部氣相重組分濃度控制分壁精餾塔內部的分液比。所述控制迴路均優選為PID控制迴路。本發明的控制方法，可以在進料流量或者進料組分含量發生變化時，實現全塔的平穩控制，保證產品質量，並確保全塔能耗處於最優範圍。
文檔編號C07C7/04GK102631791SQ20121009525
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者凌昊, 吳昊, 沈本賢, 潘蓉, 王軍, 蔡智 申請人:中國石油化工股份有限公司, 華東理工大學