芳烴抽提裝置控制方案研究

劉平平

(中石化南京工程有限公司,江蘇 南京 211100)

芳烴抽提裝置是利用芳烴和非芳烴在不同溶劑中的溶解能力不同,將芳烴和非芳烴進(jìn)行分離,通過精餾提高芳烴的純度來產(chǎn)出純度合格的苯、甲苯、二甲苯等產(chǎn)品[1]。研究表明,不同溶劑的選擇,不僅影響產(chǎn)品的產(chǎn)量,也影響整套裝置的能源消耗[2]。中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司開發(fā)的SED芳烴抽提蒸餾工藝是中國目前最具代表性的一套生產(chǎn)工藝。本文以SED芳烴抽提蒸餾工藝為研究對象,重點(diǎn)闡述了抽提單元和分離單元的主要控制方案,并探討了操作溫度、操作壓力、液位等重要工藝參數(shù)在不同控制方案中的影響。

1 工藝流程介紹

SED芳烴抽提蒸餾工藝主要包括芳烴抽提單元、芳烴分離單元、配套公用工程單元三個(gè)部分,本文主要介紹芳烴抽提單元、芳烴分離單元。

1.1 芳烴抽提單元主要流程

芳烴抽提單元主要利用芳烴和非芳烴在環(huán)丁砜中溶解能力的不同,將芳烴和非芳烴加以分離。原料和溶劑自抽提塔C-101中下部進(jìn)入并在塔內(nèi)逆向接觸,非芳烴組分自塔頂流入抽余油水洗塔C-102,富溶劑自塔底流入汽提塔C-103;在洗滌水的逆向洗滌下,C-102頂部產(chǎn)出副產(chǎn)品抽余油,底部水進(jìn)入水汽提塔C-105;在經(jīng)過C-103蒸餾后,塔底富溶劑進(jìn)入溶劑回收塔C-104;在生產(chǎn)過程中,設(shè)置反洗液回流,貧溶劑回流等措施[3]。該單元典型流程如圖1所示。

圖1 芳烴抽提單元典型流程示意

1.2 芳烴分離單元主要流程

分離單元主要是通過白土塔去除混合芳烴中的雜質(zhì),在苯塔中將甲苯及二甲苯與苯分離,并在苯塔頂部區(qū)域產(chǎn)出高純度的苯;在甲苯塔中將甲苯與二甲苯分離,在甲苯塔頂部產(chǎn)出大量的高純度的甲苯,底部產(chǎn)出少量的二甲苯。

2 傳統(tǒng)控制方案

通過對該工藝流程分析,可得出如下主要的控制方案: 不同的溫度下,環(huán)丁砜對芳烴、非芳烴的溶解能力和選擇能力均不同,且成反比關(guān)系;塔頂壓力微小的變化對溫度會產(chǎn)生非常大的影響,因此在C-101塔設(shè)置了塔頂壓力-富溶劑流量串級控制[4]。為了確保C-101塔富溶劑中芳烴的純度和抽余油產(chǎn)品的質(zhì)量,在塔底設(shè)置了塔釜界面-粗抽余油流量串級控制。為了獲得高純度的苯以及產(chǎn)品回收率,在苯塔設(shè)置了苯塔溫差與采出流量的串級控制。C-101塔與C-102塔是1個(gè)雙塔串聯(lián)的壓力系統(tǒng),生產(chǎn)過程中塔內(nèi)壓力的穩(wěn)定尤為重要,因此在C-101塔設(shè)置了塔頂壓力與換熱器E-101殼層出口富溶劑流量的串級控制,同樣在C-102塔設(shè)置1套壓力控制系統(tǒng)。C-104塔是在減壓下操作,操作壓力為負(fù)壓,為了確保真空度,設(shè)置了壓力控制[5]。在精餾過程中,不同的回流比,精餾塔的提純效果不同,因此,在C-104塔、苯塔、甲苯塔均設(shè)置了回流罐回流流量調(diào)節(jié)[3]。

2.1 抽提塔主要控制方案

C-101塔的主要作用是通過環(huán)丁砜把原料中的芳烴溶解到溶劑中,在塔頂獲得粗抽余油,在塔底獲得富含芳烴的富溶劑。環(huán)丁砜具有如下特性: 隨著操作溫度升高,溶劑對芳烴的溶解能力提升,但同時(shí)降低選擇能力,會造成富溶劑中非芳烴的含量升高;隨著操作溫度降低,溶劑對芳烴的選擇能力提升,但同時(shí)降低溶解能力,要獲得同樣質(zhì)量的芳烴就需更大的能耗[6]。

研究表明,在C-101塔頂操作中,將塔頂?shù)牟僮鲏毫刂圃谝欢ǖ恼龎禾?會得到較好的抽提效果[5]。影響塔頂壓力的因素有貧溶劑回流量的大小及溫度、原料的進(jìn)料量和溫度、以及塔釜富溶劑的液位及溫度等,其中,通過物料平衡可知貧溶劑回流量占當(dāng)前塔內(nèi)物料總量的60%以上,因此,自塔頂回流入C-101塔的貧溶劑是影響塔頂壓力的主要因素。如果來自C-104塔底的貧溶劑不經(jīng)過降溫處理,含有大量環(huán)丁砜的高溫貧溶劑直接由C-104塔底自C-101塔頂流入,必然會導(dǎo)致C-101塔頂操作溫度上升,隨之塔頂?shù)牟僮鲏毫ν缴仙?此時(shí)塔頂?shù)牟僮鲏毫赡軙哂诜欠紵N的飽和蒸氣壓,導(dǎo)致塔頂上部的非芳烴發(fā)生氣化現(xiàn)象,嚴(yán)重影響到C-101塔的抽提效果。為了降低貧溶劑溫度對C-101塔頂?shù)牟僮鳒囟群筒僮鲏毫Φ挠绊?需對該股貧溶劑進(jìn)行降溫處理。考慮到環(huán)保節(jié)能,將貧溶劑作為C-101塔塔底富溶劑側(cè)線換熱器E-101的熱源,通過控制富溶劑的流量來控制貧溶劑的溫度。由此可知,為了精確控制C-101塔頂部操作壓力,需設(shè)置以C-101塔頂部壓力為主控制變量,E-101殼程富溶劑流量為副控制變量的串級控制系統(tǒng)。該串級控制不僅提高了塔頂壓力的控制精度,而且將塔釜富溶劑的采出流量作為副回路,提高了整個(gè)串級回路的抗干擾能力。

C-101塔釜界面是反映抽提塔物料平衡的一個(gè)重要參數(shù)。若塔釜界面太低,說明富溶劑中含有溶劑的比例較低,那么在C-103塔中就可能會發(fā)生大量的烴類蒸發(fā),嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生閃蒸,造成C-103塔壓升高,引起更多的返洗液量返回到C-101塔,不僅影響芳烴的質(zhì)量,也造成更多的能源浪費(fèi)。若塔釜界面太高,就會導(dǎo)致抽提不完全,粗抽余油中的芳烴、環(huán)丁砜含量升高,不僅影響抽余油質(zhì)量,更會帶走部分環(huán)丁砜,造成溶劑的浪費(fèi)。在整個(gè)芳烴抽提過程中,C-101塔進(jìn)料、C-101塔采出量富溶劑、C-104塔貧溶劑返回量基本都會穩(wěn)定在某一定值附近,所以,對塔釜液位有影響的變量有粗抽余油采出量、返洗液返回量等,而粗抽余油采出量為主要影響變量。因此,設(shè)置了以C-101塔釜界面為主控制變量,塔頂粗抽余油采出流量為副控制變量的串級控制系統(tǒng)。C-101塔控制方案如圖2所示。

圖2 抽提塔控制方案示意

2.2 抽余油水洗塔主要控制方案

抽余油水洗塔C-102主要利用水和非芳烴的逆向接觸,將非芳烴中含有的芳烴和溶劑洗滌出來,經(jīng)塔頂膜分離后得到抽余油[7]。由于C-102塔與C-101塔是一個(gè)雙塔串聯(lián)的壓力系統(tǒng),為了減小C-102塔操作壓力對C-101塔操作壓力的影響,同樣需要精確控制C-102塔的操作壓力,為此設(shè)計(jì)了C-102塔塔頂壓力-塔頂抽余油流量串級控制系統(tǒng)。

2.3 溶劑回收塔塔主要控制方案

溶劑回收塔C-104主要完成溶劑和混合芳烴的分離。為完成分離工作,C-104塔的操作需要在高溫下進(jìn)行,但高溫下會加速環(huán)丁砜的分解,因此將C-104塔的操作壓力設(shè)定為負(fù)壓真空操作,在C-104塔頂設(shè)置了壓力抽真空定值控制系統(tǒng)。影響塔釜操作溫度的變量有熱源流量、C-103塔富溶劑溫度、水汽提液溫度、再生溶劑溫度等,其中,熱源流量的波動對塔釜溫度影響最大,因此,設(shè)置了塔釜液位-再沸器熱源流量串級控制系統(tǒng)。C-104塔的整體控制方案如圖3所示。

圖3 溶劑回收塔整體控制方案示意

2.4 苯塔和甲苯塔主要控制方案

苯塔C-201主要完成苯與甲苯二甲苯的分離,并且得到產(chǎn)品純度達(dá)99.95%。在C-201塔塔頂分離苯的塔板中,存在2塊比較特殊塔板,其中一塊塔板在某一溫度下的物料組成相對比較穩(wěn)定,另一塊塔板對苯純度影響較大且對溫度比較敏感,對該2塊塔板的溫度進(jìn)行精確控制將有助于提高苯塔的分離效果,因此對苯塔設(shè)置了溫差-采出量串級控制系統(tǒng),即能獲得合格產(chǎn)品。

甲苯塔C-202主要完成甲苯、二甲苯的分離,獲得大量的純度達(dá)99.9%的甲苯和少量的二甲苯。整體控制方案類似苯塔。

C-201塔、C-202塔的整體控制方案如圖4所示。

圖4 苯塔和甲苯塔的整體控制方案示意

3 先進(jìn)控制

先進(jìn)控制是一種基于模型或知識的控制策略,經(jīng)過多年的發(fā)展,目前得到廣泛應(yīng)用的先進(jìn)控制有專家控制、模型預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、軟測量技術(shù)等[8]。過程工業(yè)的傳統(tǒng)控制方案中存在諸如測量滯后性大、控制變量多且之間存在耦合關(guān)系、過程非線性等因素,傳統(tǒng)的控制策略均無法將上述問題得以很好地解決,而先進(jìn)控制不僅能解決該類問題,還能獲取較好的操作參數(shù)供生產(chǎn)操作[9]。

模型預(yù)測控制是一種基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型,采用實(shí)時(shí)在線優(yōu)化算法的控制方案,它以優(yōu)化結(jié)果計(jì)算出的誤差不斷校正模型,預(yù)測控制過程未來可能發(fā)生的情況并加以控制,它由預(yù)測模型、實(shí)時(shí)在線優(yōu)化、反饋校正等主要環(huán)節(jié)構(gòu)成[10]。復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型通常都是非線性的,加權(quán)求和法、最小二乘法、最速梯度下降法等及其相關(guān)改進(jìn)的算法已經(jīng)大量用于求解該類問題[11]?；诙嗄甑陌l(fā)展,模型預(yù)測控制已經(jīng)發(fā)展成為具備能夠克服過程控制中存在的非線性、關(guān)聯(lián)性、不確定性等問題,具備解決被控變量和操作變量間各種約束,具備一定的解耦能力,在工業(yè)控制中得到了最廣泛的應(yīng)用。

自20世紀(jì)末以來,工控軟件公司推出了不少先進(jìn)控制軟件。如Honeywell公司研發(fā)的基于多變量預(yù)測控制算法的Profit控制軟件;Aspen公司研發(fā)的用于控制加熱爐管溫度、結(jié)焦率等工藝參數(shù)的DMCplus專用軟件;Invensys公司的能在控制系統(tǒng)組態(tài)的Connoisseur多變量預(yù)測控制系統(tǒng);浙大中控的先進(jìn)控制平臺APC-Suite,預(yù)留了相應(yīng)的軟件接口,能支持當(dāng)今世界主流的DCS系統(tǒng)[12]。

3.1 抽提塔界面的先進(jìn)控制

由2.1節(jié)可知,抽提塔塔釜界面和塔頂壓力采用了傳統(tǒng)的串級控制系統(tǒng)。但是,通過圖1可以看出,影響抽提塔操作的變量有進(jìn)料量組分和流量、溶劑質(zhì)量和溫度等,以及由于跟汽提塔、溶劑回收塔、抽余油水洗塔之間的上下游工藝關(guān)系帶來的貧溶劑回流量的溫度和流量、返洗液流量等,這些變量之間又存在著較強(qiáng)的耦合關(guān)聯(lián)性,傳統(tǒng)的控制方案難以取得理想的控制效果。為此開發(fā)了一種基于區(qū)域控制理論的改進(jìn)預(yù)測控制方法用于抽提塔界面控制。

區(qū)域控制是指允許或要求將被控變量控制在某一特定區(qū)域范圍內(nèi)的控制。在實(shí)際生產(chǎn)中,C-101塔釜界面就是屬于被允許控制在一定范圍內(nèi)的控制。傳統(tǒng)的區(qū)域控制一般認(rèn)為在偏差ε范圍內(nèi),可不做控制;超出ε范圍外,則根據(jù)ε對設(shè)定值進(jìn)行控制。一種新型的區(qū)域控制算法(FPZ)改進(jìn)了對ε的處理方式;當(dāng)動態(tài)偏差γ<ε時(shí),采用弱化的整定參數(shù),允許在較大的時(shí)間常數(shù)內(nèi)對被控變量進(jìn)行緩慢的控制;當(dāng)γ>ε時(shí),采用強(qiáng)化的整定參數(shù),要在很小的時(shí)間常數(shù)內(nèi)對被控變量進(jìn)行快速的控制[10]。FPZ算法由反饋控制F,多變量預(yù)測控制P,區(qū)域控制Z組成,且每個(gè)組成部分都相對獨(dú)立,即自身故障僅對本身算法部分有影響,不影響其他兩部分,確保該算法的獨(dú)立性和安全性。預(yù)測控制的輸出經(jīng)處理后輸出到常規(guī)控制器上,而不直接作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,既吸收了反饋控制的優(yōu)勢,又保證了算法的可靠性。

將FPZ算法投用于抽提塔塔釜界面控制,與投用前相比,該界面得到了很好的控制,標(biāo)準(zhǔn)方差降低率達(dá)到了將近85%。該算法結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 抽提塔塔釜界面FPZ控制結(jié)構(gòu)示意

3.2 芳烴分離單元的先進(jìn)控制

由2.4節(jié)可知,苯塔和甲苯塔的塔釜液位和采出流量、回流罐液位和回流流量、溫差和產(chǎn)品流量均屬于串級控制,而采出流量和回流流量均在副回路中,因而波動比較大,對溫差控制產(chǎn)生較大影響,直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量。為了減小采出量和回流量對溫差控制的影響,將原控制回路進(jìn)行拆分,對回流量、采出量進(jìn)行穩(wěn)定的控制,對液位進(jìn)行區(qū)域控制。

采用DMCplus先進(jìn)控制軟件對芳烴分離的苯塔和甲苯塔設(shè)計(jì)了1套相應(yīng)的控制方案。以苯塔進(jìn)料流量、苯塔回流罐液位、苯塔塔頂溫度、苯塔靈敏板溫度、苯塔液位、苯熱源閥位、甲苯塔回流罐液位、甲苯塔塔頂溫度、甲苯塔靈敏板溫度、甲苯塔液位、甲苯熱源閥位為被控變量,以苯塔進(jìn)料流量設(shè)定值、苯塔回流流量設(shè)定值、苯熱源流量、苯塔采出流量設(shè)定值、甲苯塔熱源流量、甲苯塔采出流量設(shè)定值為操作變量,在多次階越響應(yīng)測試下,獲得了該流程的控制模型,該模型中操作變量數(shù)量小于被控變量數(shù)量,因此以被控變量間的加權(quán)最小方差為優(yōu)化目標(biāo)。采用多變量預(yù)測控制器對該模型進(jìn)行優(yōu)化控制,使得苯塔和甲苯塔的靈敏板溫度控制偏差能力提高了10%～30%,產(chǎn)品收益率提高了近1%,同時(shí)減小了能耗。

4 結(jié)束語

本文通過對SED芳烴抽提工藝的主要的傳統(tǒng)PID控制方案和2種先進(jìn)控制方案的研究及對比,結(jié)果表明,合理的先進(jìn)控制方案能有效減少操作人員的干預(yù),有助于芳烴抽提裝置的穩(wěn)定運(yùn)行,不僅能降低能源消耗,還能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。