單體精餾的優(yōu)化控制

馬力祥　陳輝

【摘 要】隨著單體精餾工作的不斷進(jìn)步，研究其優(yōu)化控制凸顯出重要意義。本文首先對(duì)單體精餾技術(shù)做了概述，分析了精餾操作過程的影響因素。在探討單體精餾過程優(yōu)化控制的同時(shí)，從多方面提出了加強(qiáng)精餾節(jié)能技術(shù)的措施。

【關(guān)鍵詞】單體精餾的優(yōu)化控制

一、前言

作為單體精餾工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其優(yōu)化控制在近期得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。該項(xiàng)課題的研究，將會(huì)更好地提升單體精餾的實(shí)踐效果，從而保證該項(xiàng)工作效果的最優(yōu)化。本文從介紹單體精餾技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容著手本課題的研究。

二、單體精餾技術(shù)概述

1.單體精餾技術(shù)的開發(fā)背景

（一）開發(fā)單體精餾節(jié)能技術(shù)的國家導(dǎo)向

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，在生產(chǎn)生活中對(duì)化工產(chǎn)品的需求也越來越大，但必須正視的一點(diǎn)是我國的化工生產(chǎn)活動(dòng)在目前仍基本停留在高耗能，高污染的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，并且時(shí)不時(shí)還在造成一些因?yàn)榄h(huán)境破壞問題導(dǎo)致的不良影響。早在“十一五”規(guī)劃設(shè)計(jì)之初，我國政府及相關(guān)部門便早已提出了建立節(jié)能型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的目標(biāo)，首先就要求工業(yè)生產(chǎn)必須做到節(jié)能環(huán)保，低排高效。正是在這樣的背景下，有關(guān)單體精餾節(jié)能技術(shù)的研究自然也就提上了日程。

（二）精餾技術(shù)的使用現(xiàn)狀及新方法的開發(fā)前景

眾所周知，化工行業(yè)的生產(chǎn)包括有兩個(gè)基本的生產(chǎn)過程，即反應(yīng)過程和分離過程。其中，分離過程產(chǎn)生的能耗是整個(gè)生產(chǎn)過程能耗的80%左右?，F(xiàn)有的化工原料分離過程所采取的常用方法就是本文要涉及到的蒸餾法，而且通過實(shí)踐，它也是公認(rèn)的最有效的化工原料分離方法。對(duì)節(jié)能高效的新型單體精餾節(jié)能技術(shù)的研究開發(fā)和運(yùn)用可以使我們一下扔掉傳統(tǒng)精餾法帶來的高污染高能耗的“大包袱”，早日實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，環(huán)境友好的環(huán)境目標(biāo)。可以說，高效節(jié)能精餾節(jié)能技術(shù)的前景可謂一片光明。

2.高效節(jié)能精餾技術(shù)的基本原理

（一）傳統(tǒng)精餾法。目前使用的傳統(tǒng)精餾法過程大致如下：將原料從精餾塔下送入精餾器的原料釜內(nèi)，然后由釜下的鍋爐放出大量的高壓蒸汽，以提供精餾原料所需要的熱量。這一熱量通過塔釜的傳導(dǎo)作用到原料上，從而使原料迅速的汽化并上升，在上升的過程中汽化原料和釜內(nèi)的液化原料不斷傳質(zhì)傳熱和再汽化冷凝。再由塔頂儲(chǔ)存的冷卻水將上升到塔頂?shù)钠嫌枰岳淠?/p>

（二）新型節(jié)能蒸餾法。與傳統(tǒng)精餾法相比，新型精餾法對(duì)精餾塔頂冷凝水對(duì)原料降溫產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行了合理的再利用。使其通過體內(nèi)的內(nèi)循環(huán)，有效地參與了對(duì)原料的再次加熱和精餾。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱能量的回收和再利用。

三、精餾操作過程的影響因素

1.工作壓力和溫度的影響。精餾操作只有在一定的壓力和溫度下才能進(jìn)行。

在精餾操作過程中，精餾塔內(nèi)部的壓力不是一成不變的，而是隨著反應(yīng)的進(jìn)行而時(shí)刻發(fā)生著變化，直接造成不同塔板上的氣液成分發(fā)生變化。也就是說，精餾塔內(nèi)的壓力變化會(huì)直接影響到氣相中輕組分的含量和濃度。

精餾塔內(nèi)部的溫度變化也對(duì)精餾操作過程的有非常大的影響。例如，當(dāng)物料的溫度降低時(shí)，就會(huì)相應(yīng)地增加精餾塔底部的熱負(fù)荷，使精餾塔頂部的冷負(fù)荷降低。精餾塔內(nèi)部的溫度變化就意味著物料的狀態(tài)發(fā)生了改變，反應(yīng)的條件發(fā)生了變化，對(duì)反應(yīng)結(jié)果必然會(huì)造成很大的影響。所以精餾塔內(nèi)部溫度的控制是影響精餾操作的重要因素之一。

2.回流比的影響?；亓鞅瓤梢燥@著地影響精餾塔內(nèi)的精餾效果，改變回流比來控制和調(diào)節(jié)精餾產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，回流比增大時(shí)，精餾段操作線的斜率就會(huì)隨之變大，塔內(nèi)傳質(zhì)的推動(dòng)力會(huì)隨著增加，精餾得到的組成成分也會(huì)跟著變大。同時(shí)，回流比增大，提餾段操作線斜率會(huì)隨之變小，會(huì)造成釜?dú)堃旱慕M成成分變小。反之，當(dāng)回流比減小時(shí)，會(huì)造成分離效果變差。

3.物料平衡的影響。維持精餾塔內(nèi)部穩(wěn)定的必要條件之一是保持精餾過程的物料平衡。對(duì)于一定的原料液流量，只要確定了精餾分離度，也就可以分別確定釜?dú)堃毫髁亢宛s出液流量。因此釜?dú)堃毫髁亢宛s出液流量只能根據(jù)精餾分離度來確定，而不能隨意增加或減少，否則進(jìn)入精餾塔內(nèi)物料的量和精餾塔產(chǎn)出的產(chǎn)品的量就會(huì)不平衡，導(dǎo)致精餾塔內(nèi)反應(yīng)波動(dòng)，組分發(fā)生變化，使精餾不能達(dá)到組分分離的目的。

4.進(jìn)料組成和進(jìn)料狀況的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于原料的差別等因素，會(huì)造成進(jìn)料的組成和狀態(tài)發(fā)生改變，這時(shí)候應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)馗淖冞M(jìn)料的位置，以適應(yīng)這種變化。

通常情況下，精餾塔上設(shè)計(jì)有多個(gè)進(jìn)料口，保證在不同的進(jìn)料組分和狀況條件下，能夠在精餾塔的適宜位置下進(jìn)料，使得精餾塔內(nèi)部的精餾反應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果進(jìn)料組成和進(jìn)料狀態(tài)發(fā)生改變而進(jìn)料位置不變，必然會(huì)導(dǎo)致餾出液成分和釜?dú)堃撼煞值膭×也▌?dòng)，對(duì)精餾產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

四、單體精餾過程的優(yōu)化控制

1.過程優(yōu)化

過程優(yōu)化是生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵，可以極大提高過程中的經(jīng)濟(jì)效益。在過程系統(tǒng)性能、特點(diǎn)所特定的條件下，找到可以讓系統(tǒng)的性能指標(biāo)或者目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最?。ㄗ畲螅┑脑O(shè)施設(shè)備參數(shù)和操作條件。過程在線優(yōu)化是指對(duì)過程建模技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)的操控技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。要在可以滿足安全的生產(chǎn)要求和較好產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，不斷的計(jì)算和更新過程的操作條件，讓生產(chǎn)過程一直保持在“最優(yōu)狀態(tài)”。精餾過程優(yōu)化是使精餾過程得到良好經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，可以有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低能量的消耗。

2.精餾過程的優(yōu)化模型

過程優(yōu)化必須建立在過程精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，直接影響優(yōu)化結(jié)果的最大原因就是模型的精度。因?yàn)榫s的過程具有時(shí)變特性，所以，建立實(shí)時(shí)校正技術(shù)和具有準(zhǔn)確的過程數(shù)學(xué)模型就至關(guān)重要了。一般還要給確定一定的約束條件，以確保優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際過程之間的協(xié)調(diào)，從而可以及時(shí)刪除不符合實(shí)際過程的結(jié)果。尋優(yōu)時(shí)間是過程優(yōu)化中與實(shí)際過程相協(xié)調(diào)的另一個(gè)大的影響因素。實(shí)際過程中優(yōu)化計(jì)算的頻率并不是很高，但是精餾過程數(shù)學(xué)模型的求解時(shí)間有點(diǎn)長，所以，一定會(huì)影響尋優(yōu)的速度，因此我們需要建立速度快、易解答的精餾過程數(shù)學(xué)模型。

3.精餾過程的優(yōu)化方法

生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵之處是過程優(yōu)化，可以極大程度地提升過程的經(jīng)濟(jì)效益。一般，過程優(yōu)化有以下三種基本方法：1.Box的穩(wěn)態(tài)調(diào)優(yōu)技術(shù)；2.在過程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化計(jì)算方法；3.相似過程動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)辨識(shí)調(diào)優(yōu)技術(shù)。目前，在精餾優(yōu)化過程中大多采用在過程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化計(jì)算方法，即第二個(gè)方法。它的原理是把描述過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)做最優(yōu)化的約束條件，采用最優(yōu)化的方法，如用來優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和找出過程的最優(yōu)設(shè)定值的是：線性、非線性規(guī)劃等。因此優(yōu)化問題關(guān)鍵點(diǎn)的其中之一是選用的優(yōu)化算法，我們能選用有約束條件下的優(yōu)化算法、不依賴于模型導(dǎo)數(shù)的算法和非線性算法。

五、加強(qiáng)精餾節(jié)能技術(shù)的措施

1.完善操作條件

在化工生產(chǎn)中，若想順利進(jìn)行混合物的分離，就必須更好的滿足和完善精餾塔運(yùn)行的條件。精餾塔的主要操作條件包括操作壓力、溫度、踏板壓降、進(jìn)料溫度、回流溫度、塔頂塔底采出量、組分分割程度等，由于塔的操作壓力往往是預(yù)定的，其他條件必須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，以確保分離的最大化值，獲得最小冷凝負(fù)荷和再沸負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)約精餾能耗的目的。

2.充分利用中間換熱裝置節(jié)能

由于精餾塔底部與頂部存在較大的溫度差異，可以通過增加中間熱換器使冷熱量達(dá)到均衡狀態(tài)。一旦精餾塔上部溫度出現(xiàn)了大幅度上升或者下降，可以在精餾段某踏板間設(shè)置冷凝器，用低品位冷劑作為冷源，從而達(dá)到節(jié)省主冷凝器高品位劑量的目標(biāo)，有利于降低能耗。如果精餾塔底部溫度變化明顯，可以在提餾段某踏板間設(shè)置中間再沸器，通過減少再沸器高品位熱量的消耗來降低精餾塔熱能，從而有效的提高熱效率，實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。

3.多塔精餾分離序列的優(yōu)化

在單體精餾過程中，為降低后續(xù)設(shè)備材質(zhì)要求，確保穩(wěn)定操作，應(yīng)除去容易造成系統(tǒng)腐蝕和結(jié)焦的部分。將進(jìn)料分為分子數(shù)接近的兩股流，根據(jù)塔頂和塔底1：1的分餾比例設(shè)置，按照塔頂產(chǎn)品揮發(fā)度以此遞減的順序逐個(gè)回收，結(jié)合各組分沸點(diǎn)的差異，進(jìn)行高效的分餾。相對(duì)無熱集成技術(shù)，精餾流程采用熱集成技術(shù)減少了50%的操作成本投入，且塔系熱集成技術(shù)獲得的效果更加顯著。

六、結(jié)束語

通過對(duì)單體精餾優(yōu)化控制的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)工作的開展有賴于對(duì)多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)因素的利用，有關(guān)人員應(yīng)該從單體精餾的客觀實(shí)際出發(fā)，充分利用優(yōu)良條件，研究制定最為科學(xué)合理的優(yōu)化控制實(shí)施方案。

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