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

單寶明，張方坤，艾自東，吳忠旺，李化國，朱兆友

(1.青島科技大學 自動化與電子工程學院，山東 青島 266061；2.山東省思威安全生產(chǎn)技術中心，山東 濟南 250014；3.青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

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近年來，變壓蒸餾因其在分離共沸物體系時具有其它方法無法比擬的優(yōu)越性，得到國內(nèi)外許多學者關注[1-3]。許多文獻探討了基于變壓蒸餾(PSD)分離共沸混合物的工藝設計、建模和過程優(yōu)化。其中，PSD過程熱集成及動態(tài)控制是蒸餾設計和工業(yè)實際應用的關鍵因素[4-6]。當不同塔截面的摩爾流量幾乎相等時，通常使用等徑塔，而當不同部分的摩爾流量相差很大時，采用變徑塔(VDC)。通過比較研究發(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]基礎上研究了甲醇/氯仿二元共沸體系VDC-PSD的熱集成效應及動態(tài)控制仿真，對帶有熱集成的VDC-PSD的有效控制進行探索，并基于Aspen dynamics軟件進行了控制方案動態(tài)仿真。

1 研究對象及操作條件

根據(jù)文獻[11]的工藝過程，設定甲醇和氯仿分離過程的操作條件，最佳熱力學模型為NRTL。氯仿和甲醇的組成均為50%，總進料速度為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顯示了在無熱集成情況下兩級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荷為 1.18 MW，而低壓塔再沸器的熱負荷為1.64 MW。因此，低壓塔需要一個輔助再沸器，要求的負荷是0.46 MW。該熱集成方式為部分熱集成。該操作方式可以通過更改塔位置直徑，并且保持最佳操作參數(shù)與不進行熱集成的過程相同實現(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荷完全由高壓塔提供，這可以通過調(diào)節(jié)高壓塔的回流比來實現(xiàn)。在Aspen plus中，兩個塔模塊的“設計規(guī)格”和“變化”功能用于調(diào)整塔底流速，以在每個塔中獲得所需的產(chǎn)品純度?！傲鞒淘O計規(guī)范”用于使低壓塔再沸器熱負荷QR1等于高壓塔塔頂冷凝器負荷QC2。該操作方式亦可以改變塔直徑，而最佳操作參數(shù)與不進行熱集成的過程相同。鑒于部分熱集成的PSD在普通塔和變徑塔節(jié)能上等效，本文主要對比分析無熱集成和完全熱集成的經(jīng)濟效益和動態(tài)控制。

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

本文采用動態(tài)控制方案基本控制結構：①進料由進料閥控制(反作用)。②通過控制冷凝器的熱負荷(反作用)來控制塔壓力。③兩個塔的回流比是固定的，以確保兩個塔在穩(wěn)定的條件下運行。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。

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

在兩個溫度控制回路中，時滯均設置為1 min。兩個溫度控制器使用繼電器反饋測試和Tyreus-Luyben法整定來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。由于簡單控制結構的性能很難滿足質量要求，因此，采用復雜控制結構，即添加了其他控制結構，例如回流/進料流量比，固定回流比和再沸器/進料流量比的熱負荷。經(jīng)測試成分/溫度組成串級控制結構具有更佳的控制效果，見圖3(CS1)。

圖3 無熱集的甲醇/氯仿VDC-PSD的控制結構(CS1)Fig.3 Control structure for separating methanol-chloroformwithout heat integration (CS1)

低壓塔和高壓塔均采用組分/溫度串級控制結構。通過分別測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傳輸?shù)綔囟瓤刂破?。組分控制器的輸出信號作為溫度控制器的設定值。兩個串級控制器均為正作用，時滯時間為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組成串級控制進行參數(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“坡度準則”[8]，本文亦采用坡度準則進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)濟上的優(yōu)勢，選擇甲醇/氯仿完全熱集成的VDC-PSD來研究其可控性。通過在“流程圖”功能的文本編輯器窗口中輸入適當?shù)姆匠淌?，高壓塔可完全提供低壓塔的熱量輸入。通過控制回流比來控制低壓塔中第19段溫度，并且通過控制再沸器熱負荷來控制高壓塔第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，壓力也會相應變化。

類似地，基于上述控制結構，測試了幾種帶有溫度控制器的控制結構，但未能實現(xiàn)有效控制。從流程圖中刪除低壓塔的溫度控制器，并通過控制回流比來控制組成控制器。有效控制結構見圖5(CS2)，其中，串級控制器為正作用。

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

3 動態(tài)控制仿真與結果分析

對無熱集成的VDC-PSD控制，圖6顯示了控制結構(CS1)對進料流量在±20%擾動下，即進料流量分別為120 kmol/h和80 kmol/h時，以及在進料甲醇組分±20%擾動下，即40%(摩爾分數(shù))甲醇或60%時，甲醇氯仿產(chǎn)品質量及兩塔塔板溫度(T1，19，T2，24)的動態(tài)響應。

由圖6可知，串級控制結構在維持兩個產(chǎn)品質量方面表現(xiàn)良好，在進料流量和組分±20%擾動下，組分和溫度控制均能達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 進料流量和組分擾動下無熱集成控制方案CS1的動態(tài)響應Fig.6 Dynamic response of CS1 under the disturbancesof feed rate and composition

對具有完全熱集成的VDC-PSD控制，圖7顯示了CS2對進料流量和進料組成在±20%階躍擾動下的動態(tài)響應。

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

圖7 進料流量和組分擾動下完全熱集成控制方案CS2的動態(tài)響應Fig.7 Dynamic response of CS2 under the disturbancesof feed rate and composition

表1給出了不同控制結構的穩(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，與無熱集成的過程動態(tài)響應相比，采用完全熱集成的VDC-PSD分離過程不會增加控制難度，且控制方案CS2在進料流量和進料組分±20%擾動下，具有可與控制方案CS1相比的較小偏差。

4 結論

基于仿真研究了二元共沸物體系甲醇/氯仿的VDC-PSD分離過程。對二元共沸物體系甲醇/氯仿的VDC-PSD進行了熱集成分析，并基于Aspen dynamics 對控制方案進行了仿真分析，實現(xiàn)了在進料流量和組分±20%擾動情況下的有效控制。對比分析了無熱集成和完全熱集成的控制結構，發(fā)現(xiàn)具有熱集成的VDC-PSD不需要特殊的控制方案，但可以實現(xiàn)熱量有效利用。

此外，本文熱集成控制策略可以對各種共沸體系的VDC-PSD熱集成有效控制設計提供有益參考，還可以針對不同體系進一步改進控制方案，充分發(fā)揮VDC-PSD的優(yōu)勢，推動其工業(yè)設計和應用。