環(huán)己烯催化精餾水合制備環(huán)己醇系統(tǒng)響應(yīng)特征分析

胡明圓，田 暉*，孫大海，劉 帥，許文友,2

(1.煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.山東省輕烴資源化綜合利用協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 煙臺(tái) 264005)

環(huán)己醇是一種非常重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，其生產(chǎn)方法主要有三種:苯酚加氫法、環(huán)己烷氧化法、環(huán)己烯水合法[1-3]。其中環(huán)己烯水合法因?yàn)樵诎踩?、選擇性及成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)領(lǐng)域和生產(chǎn)工業(yè)的廣泛關(guān)注。目前環(huán)己烯水合法還存在轉(zhuǎn)化率低、分離工序復(fù)雜等缺點(diǎn)[4-5]，我們課題組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(bǔ)目前環(huán)己烯水合法的不足。

化工過(guò)程模擬分為穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬[9-11]，穩(wěn)態(tài)模擬對(duì)于工藝流程和設(shè)備的設(shè)計(jì)是很有用的。但是在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，動(dòng)態(tài)模擬比靜態(tài)模擬更為重要，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)難免會(huì)受到一些干擾[12-13]，在干擾引起系統(tǒng)變動(dòng)后，只有深入的了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，并搞清系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，滿足過(guò)程控制的要求。與穩(wěn)態(tài)模擬相比，由于其復(fù)雜性，動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬很少被使用。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，該種方法的使用也越來(lái)越頻繁。對(duì)于控制工程師來(lái)說(shuō)，在對(duì)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)之前，首先要做的是了解和分析統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。很多人都忽視了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性而試圖采用各種分析控制方法或者復(fù)雜控制手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這種做法通常都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的失敗。

目前關(guān)于環(huán)己烯水合生產(chǎn)環(huán)己醇的催化精餾工藝大多還處于實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)模擬階段，關(guān)于其控制方案的研究還很少。本文在已有研究的基礎(chǔ)上[14-15]，建立了環(huán)己烯催化精餾水合制備環(huán)己醇的三塔工藝流程，并且建立動(dòng)態(tài)模型，分析系統(tǒng)在擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，然后進(jìn)行靈敏板位置選擇，希望可以為后續(xù)建立理想的控制方案提供基礎(chǔ)。

1 工藝流程概述

圖1為我們?cè)谝延醒芯康幕A(chǔ)上[8,16]，建立的環(huán)己烯催化精餾水合制備環(huán)己醇的三塔工藝流程。主要包括一個(gè)催化精餾塔(RD)、兩個(gè)純化精餾塔(PD1、PD2)、兩個(gè)分相器(Decanter1、Decanter2)。我們將原料環(huán)己烯、水和助溶劑異佛爾酮混合后進(jìn)料到RD塔，然后經(jīng)過(guò)PD1塔和PD2塔的純化，得到高純度的環(huán)己醇產(chǎn)品和異佛爾酮，異佛爾酮循環(huán)使用。Decanter1、Decanter2的作用就是將有機(jī)相跟水相分離，其中有機(jī)相主要成分為環(huán)己烯。

RD塔由精餾段和反應(yīng)段組成。RD塔塔頂蒸餾出沸點(diǎn)最低的環(huán)己烯-水共沸物，并通過(guò)Decanter1將環(huán)己烯與水分離，RD塔還是一個(gè)共沸精餾的過(guò)程，共沸劑為環(huán)己烯，所以我們通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)相回流比，保證RD塔內(nèi)環(huán)己烯有較高的濃度。通過(guò)向Decanter1中加水來(lái)提高Decanter1的分相效果。PD1塔實(shí)際上是一個(gè)共沸精餾塔，共沸劑為環(huán)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(huán)己烯和水)與重組分的環(huán)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(chǎn)品環(huán)己醇分離，得到高純度的環(huán)己醇產(chǎn)品，高純度的異佛爾酮。

計(jì)算所得的各設(shè)備操作參數(shù)如表1所示。

注：ENE為環(huán)己烯，W為水，IP為異佛爾酮，NOL為環(huán)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(shè)備參數(shù)

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制策略研究，首先要了解和分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。如果忽視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而直接控制方案的設(shè)計(jì)，往往難以達(dá)到理想的控制效果。我們利用Aspen Plus Dynamics動(dòng)態(tài)模擬軟件，對(duì)此工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。本文我們主要進(jìn)行了常見(jiàn)的擾動(dòng)分析和操縱變量的靈敏性分析。

2.1 動(dòng)態(tài)模型

我們利用Aspen Plus Dynamics建立的動(dòng)態(tài)模型如圖2所示，其中包括了第一級(jí)的控制器，主要有4個(gè)流量控制器，3個(gè)壓力控制器，8個(gè)液位控制器。本文的擾動(dòng)分析和靈敏性分析都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(dòng)態(tài)模型

2.2 擾動(dòng)分析

本文主要分析常見(jiàn)的系統(tǒng)擾動(dòng)，其中有有機(jī)相回流比、再沸器負(fù)荷、進(jìn)料流量。

2.2.1 RD塔有機(jī)相回流比

在進(jìn)行RD塔有機(jī)相回流比的擾動(dòng)過(guò)程中，我們?cè)谙到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2 h之后，使RD塔有機(jī)相回流比發(fā)生階躍變化，變化幅度為±5%，考察有機(jī)相回流比擾動(dòng)對(duì)環(huán)己醇產(chǎn)量和純度的影響。結(jié)果如圖3。

圖3 有機(jī)相回流比擾動(dòng)下對(duì)環(huán)己醇產(chǎn)量(a)及純度(b)的影響

從圖3中可以看出，當(dāng)有機(jī)相回流比增大時(shí)，環(huán)己醇的產(chǎn)量增大，環(huán)己醇產(chǎn)品的純度經(jīng)過(guò)先增加后減少然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。相反，當(dāng)有機(jī)相回流比減小時(shí)，環(huán)己醇的產(chǎn)量減小，產(chǎn)品純度先減少后增加然后達(dá)到穩(wěn)定。有機(jī)相回流比增大的幅度越大，環(huán)己醇產(chǎn)量和純度的響應(yīng)也越大。

當(dāng)有機(jī)相回流比發(fā)生改變后，環(huán)己醇純度的變化比較迅速，其對(duì)再沸器熱負(fù)荷正方向和反方向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)呈對(duì)稱分布。而且有機(jī)相回流比增大的幅度越大，環(huán)己醇產(chǎn)量和純度的響應(yīng)也越大。所以可以考慮有機(jī)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(fù)荷

RD塔再沸器熱負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2 h之后，改變幅度分別為±3%和±2%，同樣考察環(huán)己醇產(chǎn)量和純度的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 再沸器熱負(fù)荷擾動(dòng)下環(huán)己醇產(chǎn)品產(chǎn)量(a)及純度(b)的變化

從圖4中可以看出，當(dāng)熱負(fù)荷增大時(shí)，環(huán)己醇的產(chǎn)量減少，環(huán)己醇產(chǎn)品的純度先增加后減少然后趨于穩(wěn)定；當(dāng)熱負(fù)荷減小時(shí)，環(huán)己醇的產(chǎn)量增大，環(huán)己醇產(chǎn)品的純度先減少后增加然后趨于穩(wěn)定。

熱負(fù)荷階躍改變后，環(huán)己醇純度的變化比較迅速，其對(duì)再沸器熱負(fù)荷正方向和反方向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)呈對(duì)稱分布，環(huán)己醇的產(chǎn)量可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，而且熱負(fù)荷增大的幅度越大，環(huán)己醇產(chǎn)量和純度的響應(yīng)也越大。所以同樣可以考慮RD塔再沸器熱負(fù)荷作為控制策略中的控制變量。

2.2.3 進(jìn)料流量

我們考察的是進(jìn)料混合物的總流量，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行兩個(gè)小時(shí)之后，使進(jìn)料總流量發(fā)生階躍變化，改變幅度為±5%和±3%，觀察環(huán)己醇產(chǎn)量和環(huán)己醇純度的變化。

從圖5中可以看出，當(dāng)進(jìn)料流量增大時(shí)，環(huán)己醇的產(chǎn)量和純度都是先增加然后緩慢減少，最后趨于穩(wěn)定。環(huán)己醇的純度對(duì)于進(jìn)料流量的擾動(dòng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定，而且對(duì)于正方向和反方向的響應(yīng)并不對(duì)稱。所以不建議考慮進(jìn)料流量作為控制策略中的控制變量。

圖5 進(jìn)料流量擾動(dòng)下環(huán)己醇產(chǎn)品產(chǎn)量(a)及純度(b)的變化

2.3 靈敏板位置

對(duì)于精餾過(guò)程的控制，首先必須確保產(chǎn)物的純度達(dá)到預(yù)期的規(guī)格。在工業(yè)中，通常使用滯后較小的溫度控制來(lái)確保產(chǎn)品純度。通過(guò)對(duì)RD塔的擾動(dòng)分析可以看出，RD塔塔釜再沸器熱負(fù)荷和有機(jī)相回流比都可以作為操縱變量，所以對(duì)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(wèn)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(duì)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(tǒng)的開(kāi)環(huán)靈敏度分析確定[17-18]。該方法要使某個(gè)操縱變量(如回流量)發(fā)生很小的變化(如設(shè)計(jì)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(duì)于其他操縱變量(如再沸器熱量輸入)，則可重復(fù)上述過(guò)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(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)增益。溫度變化最大的塔板即是最“靈敏”的，故選擇該塔板來(lái)進(jìn)行控制。某塔板的溫度增益值較大，說(shuō)明該塔板的溫度可以由響應(yīng)的操縱變量有效地控制。反之，增益較小說(shuō)明閥門調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，且操作區(qū)域會(huì)受到限制。

RD塔的開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)增益如圖6所示，當(dāng)再沸器熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，RD塔的第17塊塔板增益最大，表明選擇再沸器熱負(fù)荷做操縱變量時(shí)，RD的靈敏板位置在第17塊理論板。同理，選擇有機(jī)相回流比做操縱變量時(shí)，RD塔的靈敏板位置在第7塊理論板。

圖6 RD 塔開(kāi)環(huán)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(píng)估

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

我們利用計(jì)算得到的所有塔板溫度和兩個(gè)操縱變量之間的穩(wěn)態(tài)增益，形成一個(gè)增益矩陣K。該矩陣有20行(塔板數(shù))和2列(操縱變量數(shù))。利用Matlab中的SVD函數(shù)將此矩陣分解為三個(gè)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(shù)為橫坐標(biāo)軸，繪制矩陣U的兩個(gè)向量元素值的曲線，如圖7所示。對(duì)應(yīng)著U中元素量值最大的一塊或數(shù)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(guān)，U2與有機(jī)相回流比相關(guān)。奇異值分解分析的結(jié)果與靈敏度分析的結(jié)果一樣，第7塊板溫度可由有機(jī)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(kāi)環(huán)靈敏性分析結(jié)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(duì)角矩陣，其元素是矩陣K的奇異值。矩陣σ的對(duì)角元素中較大者與較小者的比值即為條件數(shù)，可以用來(lái)評(píng)估雙溫度控制方案的可行性。條件數(shù)較大(或最小奇異值較小)時(shí)表明系統(tǒng)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(shuō)明這是一個(gè)奇異矩陣，不可求逆。穩(wěn)態(tài)增益矩陣的奇異值是σ1= 22.4786和σ2= 17.9476，其給出條件數(shù)CN = σ1/σ2= 1.25。這表明兩個(gè)溫度是相當(dāng)獨(dú)立的，因此雙溫控制方案應(yīng)該是可行的，至少?gòu)姆€(wěn)態(tài)的角度來(lái)看是這樣。

圖7 RD塔奇異值分解

3 結(jié)論

本文使用Aspen Plus Dynamics軟件對(duì)我們所建立的環(huán)己烯催化精餾水合制備環(huán)己醇的工藝流程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征分析?？疾炝水?dāng)RD塔有機(jī)相回流比、RD塔再沸器熱負(fù)荷、進(jìn)料流量發(fā)生變化時(shí)，環(huán)己醇的產(chǎn)量和純度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從結(jié)果可以看出環(huán)己醇產(chǎn)量和純度對(duì)于RD塔再沸器熱負(fù)荷和RD塔有機(jī)相回流比的響應(yīng)比較靈敏，而且對(duì)于正方向和反方向的響應(yīng)也比較對(duì)稱，可以考慮作為控制策略中的操縱變量。

利用開(kāi)環(huán)靈敏度分析的方法進(jìn)行了單溫度控制方案靈敏板位置分析。再沸器熱負(fù)荷做操縱變量時(shí)，RD的靈敏板位置在第17塊理論板；有機(jī)相回流比做操縱變量時(shí)，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(jìn)行了雙溫度控制方案的靈敏板位置選擇和可行性評(píng)估。靈敏板位置選擇結(jié)果與單溫度控制方案一致，第7塊板溫度可由有機(jī)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(shù)為1.25，表明雙溫度控制方案從穩(wěn)態(tài)角度看是可行的。

本文主要針對(duì)催化精餾塔進(jìn)行了分析，希望可以為后續(xù)控制策略的研究提供基礎(chǔ)。對(duì)于PD1和PD2塔的分析，以及控制策略有待進(jìn)一步研究。