专利名称：一种分壁精馏塔的控制方法
技术领域：
本发明属于化工精馏过程和自动化控制领域，涉及了分壁精馏塔分离多组分混合物的控制方法。
背景技术：
随着能源日趋紧张和市场竞争的日益激烈，节能降耗在化工行业的运行管理中越来越受到重视。分壁精馏塔作为典型的过程强化技术受到了业界人士和研究人员的普遍关注。分壁精馏塔可在一个塔内实现三组分、四组分和更多组分混合物的清晰分割。分壁精馏塔是在精馏塔内部设置一垂直分隔壁，将精馏塔分割为四个部分分隔壁上下两部分为上部精馏段和下部提馏段，分隔壁两边分别为预分馏段(或进料段)和侧线出料段。与传统的两塔精馏流程相比，分壁精馏塔具有节能、投资低、占地少等优点。与传统精馏塔不同，分壁精馏塔内部更加复杂，塔内相邻区块和多区块间、不同自由度间和多变量间高度耦合，改变任何一个操作变量均会对塔内气液平衡状态、传热和传质过程以及目标产品纯度带来连锁反应，实现分壁精馏塔的平稳控制一直是一个难题。目前对分隔壁精馏塔的研究还主要集中在与传统精馏塔的能效方面的比较，针对分壁精馏塔的控制方面报道和专利较少。分壁精馏塔稳态研究的开拓性文献由Wolff和 Skogestad 在 1995 年发表(Operation of integrated three-product (Petlyuk)distillation columns, Wolff, E. A.， Skogestadj S，Ind. Eng. Chem. Res, 1995，34 :2094 - 2103),他们利用分壁精馏塔研究了乙醇/丙醇/ 丁醇三组分系统。该塔主塔由40块塔板组成，预分馏部分有20块塔板。他们同时研究了三点控制和四点控制。在三点控制模型中，调节回流率来改变塔顶产品纯度，调节侧线流率改变侧线产品纯度，调节塔底蒸汽量来改变塔底产品纯度。四点控制模型增加了利用塔顶塔底产品的纯度调节侧线产品的杂质含量，该模型不能确保分壁精馏塔在最优能耗附近操作，且在进料流量和进料组成波动时不能实现平稳控制。1998年Abdul Mutalib和Smith在含有23块塔板的分壁精馏塔中对甲醇/2—丙醇 / 丁醇物系进行了研究(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)，产品纯度可达 98. 5%。与 Wolff■和Skogestad得出的结果不同，他们发现在三组分控制模型中，利用改变后的配对关系V-XS2与S-XB3并结合R-XDl或D-XDl (改变回流量)调节回路，可以得到非常好的结果。他们并没有使用液相分配变量。Abdul Mutalib、Zeglam和Smith对相同的系统利用温度而不是组成作为控制变量进行了模拟和实验的研究(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)。这些学者尝试只控制系统中的两个温度。他们同时保持侧线物流流率的恒定。这两个特点在所提到的模型中是两个主要的缺陷，导致稳态模拟结果和稳态实验结果具有明显不同。例如实验过程中所得到的塔顶产品纯度为98. 1%，而不是模拟当中的98.5%。另外，即使进料组成中发生非常小的扰动，也无法实现预期的控制效果。例如当进料组成从33. 3%甲醇、33. 3%2-丙醇、33. 4% 丁醇变为36. 3%甲醇、28. 4%2_丙醇、35. 3% 丁醇时，所得到的甲醇精馏纯度由98. 5%降到了 96. 5%。这些结果表明，仅仅控制两个温度并固定侧线物料流率无法进行有效的控制。Adrian等报道了在巴斯弗小型试验装置中丁醇/戊醇/己醇三元系统的研究成果(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)。他们使用的塔总高度为11. 5米。需要控制三个温度，其中一个为预分馏部分的温度，预分馏部分的主要作用是防止重组分从分隔壁的上部进入侧线采出部分。这种控制方法要比仅仅控制两个温度或不控制预分馏部分温度的方法更加合理。他们将PID控制与模型预测控制(MPC)进行比较得出利用MPC控制可以提高控制效果。PID控制模型主要包括三方面调节回流率来控制预分馏部分的温度、调节液相分配来控制侧线采出位置上的温度以及通过调节侧线流率控制塔底的温度。在MPC控制模型中，除了以上三个温度控制变量以外，还使用再沸器的热流量作为变量。虽然他们的结论表明MPC的效果更好，但是其在PID控制模型中假设输入热量是固定的，这一假设让人们对他们结论的正确性产生了质疑。另外，在他们的论文中没有对其他变量组的选择和改进的控制调节进行评价。以上为数不多的研究，，虽然开展了针对原料组成和原料流量波动的控制研究，然而原料组成发生大规模波动时，如何实现分壁精馏塔平稳控制、保持产品的纯度的问题尚未解决。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种分壁精馏塔的控制方法，可以在进料流量或者进料组分含量发生变化时，通过塔顶、侧线、塔底以及预分馏段顶部共计四个组分浓度控制回路实现全塔的平稳控制，保证产品质量，并确保全塔能耗处于最优范围。解决了分壁精馏塔在进料流量和进料组分含量大幅波动时的控制问题，具有重要实用价值，应用前景广阔。本发明采用如下技术方案
一种分壁精馏塔的控制方法，采用四个控制回路，分别为
(1)塔顶馏出物组成控制回路，通过塔顶馏出物组分浓度控制塔顶回流量；
(2)侧线馏出物组成控制回路，通过侧线馏出物组分浓度控制侧线流量；
(3)塔釜馏出物组成控制回路，通过塔釜馏出物组分浓度控制塔釜热负荷；
(4)预分馏段顶部气相组成控制回路，通过预分馏段顶部气相重组分浓度控制分壁精馏塔内部的分液比。
所述塔顶馏出物组分浓度是指塔顶馏出物中目的产品或杂质的浓度；侧线馏出物组分浓度是指侧线馏出物中目的产品或杂质的浓度；塔釜馏出物组分浓度是指塔釜馏出物中目的产品或杂质的浓度；预分馏段顶部气相重组分浓度是指原料中沸点高于或挥发度低于塔顶和侧线目的产品的一种物质的浓度或几种物质的浓度总和。
优选的，所述塔顶馏出物组分浓度、侧线馏出物组分浓度、塔釜馏出物组分浓度或预分馏段顶部气相重组分浓度由在线浓度分析仪测定。本发明所述控制回路均优选为PID控制回路。在上述PID控制回路中，优选的，通过数学公式(I)，分别建立塔顶回流量和塔顶馏出物组分浓度、侧线流量和侧线馏出物组分浓度、塔釜热负荷和塔釜馏出物组分浓度、分壁精馏塔内部的分液比和预分馏段顶部气相重组分浓度的联系，
权利要求
1.一种分壁精馏塔的控制方法，其特征在于采用四个控制回路，分别为(1)塔顶馏出物组成控制回路，通过塔顶馏出物组分浓度控制塔顶回流量；(2)侧线馏出物组成控制回路，通过侧线馏出物组分浓度控制侧线流量；(3)塔釜馏出物组成控制回路，通过塔釜馏出物组分浓度控制塔釜热负荷； (4)预分馏段顶部气相组成控制回路，通过预分馏段顶部气相重组分浓度控制分壁精馏塔内部的分液比。
2.按照权利要求I所说的控制方法，其特征在于所述塔顶馏出物组分浓度是指塔顶馏出物中目的产品或杂质的浓度；侧线馏出物组分浓度是指侧线馏出物中目的产品或杂质的浓度；塔釜馏出物组分浓度是指塔釜馏出物中目的产品或杂质的浓度；预分馏段顶部气相重组分浓度是指原料中沸点高于或挥发度低于塔顶和侧线目的产品的一种物质的浓度或几种物质的浓度总和。
3.按照权利要求I所说的控制方法，其特征在于所述塔顶馏出物组分浓度、侧线馏出物组分浓度、塔釜馏出物组分浓度或预分馏段顶部气相重组分浓度由在线浓度分析仪测定。
4.按照权利要求I所说的控制方法，其特征在于所述控制回路均为PID控制回路。
5.按照权利要求4所说的控制方法，其特征在于通过数学公式(I)，分别建立塔顶回流量和塔顶馏出物组分浓度、侧线流量和侧线馏出物组分浓度、塔釜热负荷和塔釜馏出物组分浓度、分壁精馏塔内部的分液比和预分馏段顶部气相重组分浓度的联系，
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于所述PID控制器的调谐参数通过Tyreus-Luyben 方法获得。
7.根据权利要求I所述的控制方法，其特征在于具体步骤包括(1)在分壁精馏塔的塔顶出料处、侧线出料处、塔釜出料处和预分馏段顶部分别设置在线浓度分析仪，并分别建立塔顶回流量控制装置、侧线流量控制装置、塔釜再沸器负荷控制装置和预分馏段顶部分液比控制装置的PID控制回路；(2)各个PID控制器采用Tyreus-Luyben方法,分别进行参数整定,方法如下首先，将PID控制器改为比例作用，放在初始比例度，由手动操作改为自动操作；在平稳后，改变PID控制回路中的控制装置的操作变量，待组分浓度测定值稳定后，利用记录的操作变量和所述组分浓度测定值绘制该过程的奈奎斯特图，从图中读取交越频率ω。和放大系数Ku，利用T =2 π / ω。计算出Tu,再通过如下公式计算得出所述PID控制器的调谐参数^、!^及！^Kp= Ku/2. 2Ti=2. 2 TuTd= Tu /6. 3 ；(3)进料量或进料组分发生变化后，待组分浓度测定值稳定后，计算所述组分浓度的设定值和测定值的差值e⑴，将e⑴、Kp、Ti及Td代入所述公式I计算得到各个所述控制装置的新操作变量。
8.权利要求I至7任一所述的控制方法在实现分壁精馏塔分离多组分混合物，进料量或进料组分发生变化时的稳定控制中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的多组分混合物为三组分、四组分或五组分混合物。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于所述多组分混合物为以苯-甲苯-二甲苯为主的混合物。
全文摘要
本发明公开了一种分壁精馏塔的控制方法，采用四个控制回路，分别为塔顶馏出物组成控制回路，通过塔顶馏出物组分浓度控制塔顶回流量；侧线馏出物组成控制回路，通过侧线馏出物组分浓度控制侧线流量；塔釜馏出物组成控制回路，通过塔釜馏出物组分浓度控制塔釜热负荷；预分馏段顶部气相组成控制回路，通过预分馏段顶部气相重组分浓度控制分壁精馏塔内部的分液比。所述控制回路均优选为PID控制回路。本发明的控制方法，可以在进料流量或者进料组分含量发生变化时，实现全塔的平稳控制，保证产品质量，并确保全塔能耗处于最优范围。
文档编号C07C7/04GK102631791SQ20121009525
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者凌昊, 吴昊, 沈本贤, 潘蓉, 王军, 蔡智 申请人:中国石油化工股份有限公司, 华东理工大学