Kaibel分壁精餾塔分離四元醇動(dòng)態(tài)控制

何桂春，伍 祥，潘 慧，張 英，薄德臣，凌 昊

（1.華東理工大學(xué) 化工學(xué)院 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.中國(guó)石化 撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

分壁精餾塔（DWC）是一種典型的化工過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備，在多組分混合物分離方面，比常規(guī)精餾塔具備節(jié)能優(yōu)勢(shì)［1］。目前，對(duì)于分離三/四組分混合物DWC 的研究主要集中于穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算［2］、動(dòng)態(tài)控制［3-5］及實(shí)際應(yīng)用［6-7］等方面。Kaibel DWC（KDWC）最早由Kaibel［8］提出，但因KDWC 的內(nèi)部流股復(fù)雜、耦合度高、自由度偏多、工業(yè)設(shè)計(jì)困難、動(dòng)態(tài)控制策略復(fù)雜不易實(shí)施等原因，而未得到大范圍的工業(yè)化應(yīng)用。近些年對(duì)KDWC 的研究逐漸深入。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)上，Halvorsen 等［9-11］對(duì)KDWC 進(jìn)行研究，提出了兩種穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型。動(dòng)態(tài)控制上，Abid 等［12］采用常規(guī)溫度控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)KDWC 的穩(wěn)定控制。藺錫鈺等［13］提出了一種組分控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)KDWC 的穩(wěn)定控制。邱潔等［14］首次將壓力補(bǔ)償機(jī)制引入KDWC 的控制，建立了壓力補(bǔ)償-溫度控制結(jié)構(gòu)，能夠很好地應(yīng)對(duì)進(jìn)料流量或組分出現(xiàn)±20%擾動(dòng)的工況。實(shí)驗(yàn)方面，Dwivedi 等［15］搭建KDWC 小試裝置并通過(guò)4 點(diǎn)溫度控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了KDWC 的穩(wěn)態(tài)控制，能夠應(yīng)對(duì)進(jìn)料流量增大20%的擾動(dòng)。此外，Ling 等［16-20］還對(duì)多隔板DWC 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多隔板DWC 比KDWC 能耗更低。

本工作以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇四元混合物為研究對(duì)象，利用KDWC 小試實(shí)驗(yàn)裝置分離該四元醇體系，在手動(dòng)開(kāi)車(chē)的基礎(chǔ)上，借助溫度控制方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)KDWC 小試實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)化控制。并進(jìn)一步考察了進(jìn)料組成發(fā)生±20%波動(dòng)后KDWC 小試實(shí)驗(yàn)裝置的分離效果，驗(yàn)證溫度控制策略的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原料

采用Aspen Plus 軟件對(duì)用于分離甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇四元混合物的KDWC 進(jìn)行嚴(yán)格模擬。進(jìn)料溫度為83 ℃，流量為4.0 kg/h，以等摩爾比進(jìn)料，具體組成見(jiàn)表1。

表1 原料各組分摩爾分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mole ratio and mass ratio of each component of raw material

塔頂為常壓操作，塔板壓降為0.686 8 kPa，物性方法選WILSON 法。在規(guī)定4 個(gè)產(chǎn)品純度達(dá)到90%（x）的條件下，根據(jù)Luyben 等［21-22］提出的優(yōu)化方案對(duì)KDWC 進(jìn)行優(yōu)化，獲得KDWC 小試裝置的設(shè)備及操作參數(shù)。圖1為KDWC 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)示意圖。

圖1 KDWC 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Design diagram of KDWC experimental equipment.

由圖1（a）可知，全塔由7 段塔節(jié)組成，共計(jì)39 塊理論板。其中第1～2 段為預(yù)分餾段，理論板數(shù)為24 塊；第3 段為精餾段，理論板數(shù)為8 塊；第4～6 段為側(cè)線段，理論板數(shù)為24 塊；第7 段為提餾段，理論板數(shù)為7 塊。預(yù)分餾段和側(cè)線段平行安裝且高度相等，塔高共計(jì)約6.4 m。精餾段和提餾段直徑為90 mm，預(yù)分餾段直徑為70 mm，側(cè)線段直徑為60 mm。由圖1（b）可知，全塔共設(shè)15 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中預(yù)分餾段為5 個(gè)，主塔段為10 個(gè)，分別對(duì)應(yīng)預(yù)分餾段的第4，7，10，17，22塊板和主塔的第2，6，8，12，16，21，25，30，35，39 塊板，塔內(nèi)填充規(guī)格為6×6 mm 的θ 環(huán)填料。塔頂、上側(cè)線及下側(cè)線分別設(shè)置一個(gè)產(chǎn)品采出口，連接3 臺(tái)智能蠕動(dòng)泵，用于控制產(chǎn)品的采出流量，蠕動(dòng)泵流量范圍為0.051～51 mL/min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍為1～100 r/min，誤差在0.5%以?xún)?nèi)；塔釜?jiǎng)t設(shè)置液體溢流裝置，定期采出塔釜釜液。通過(guò)回流比控制器控制精餾段底部回流液至預(yù)分餾段和側(cè)線段的流量比例控制分液比大小，實(shí)際操作過(guò)程中裝置的分液比為0.40。設(shè)計(jì)分氣比為0.63，依靠調(diào)節(jié)設(shè)置于預(yù)分餾段和側(cè)線段底部的閥門(mén)的開(kāi)度而得以控制，但由于氣相流量不易控制，控制精度較低，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不將分氣比作為操作參數(shù)，始終固定在0.63。

采用SIMATIC S7-300 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)相關(guān)的溫度和壓力，在 PLC 邏輯控制程序內(nèi)編寫(xiě)4 個(gè)溫度控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)化控制。圖2為KDWC 溫度控制回路中控制器調(diào)諧參數(shù)。由圖2可知，4 個(gè)控制回路分別為：塔頂采出控制塔頂靈敏板溫度為70 ℃；上側(cè)線采出控制上側(cè)線靈敏板溫度為81 ℃；下側(cè)線采出控制塔釜溫度為115.5 ℃；塔釜加熱負(fù)荷控制預(yù)分餾段底部靈敏板溫度為93.5 ℃。

4 個(gè)控制回路的PID 參數(shù)需要通過(guò)手動(dòng)調(diào)諧確定，結(jié)果如表2所示。

圖2 溫度控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Temperature control structure of KDWC.TC x：Temperature control loop x.

表2 KDWC 溫度控制回路中控制器調(diào)諧參數(shù)Table 2 Controller tuning parameters of conventional temperature control loop in KDWC

此外，上位機(jī)人機(jī)交互界面組態(tài)通過(guò)WinCC軟件實(shí)現(xiàn)。原料和產(chǎn)品組成采用北京中惠普分析技術(shù)研究所GC1120 型氣相色譜儀進(jìn)行分析，F(xiàn)ID 檢測(cè)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所PEG-20M 型毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.32 mm×0.5 mm）；柱箱溫度70 ℃，進(jìn)樣器溫度160 ℃，檢測(cè)器溫度200 ℃，進(jìn)樣量為0.1 μL，采用峰面積歸一化法進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

KDWC 開(kāi)車(chē)流程主要分為3 個(gè)階段：全回流階段、間歇精餾階段和連續(xù)精餾階段。全回流階段的目的在于初步建立全塔塔內(nèi)氣液相循環(huán)。首先需向塔釜加入約18 L 原料，手動(dòng)設(shè)置塔釜加熱負(fù)荷，將釜液加熱蒸發(fā)直至塔頂溫度上升且塔頂有冷凝液回流。該階段由于塔內(nèi)輕組分較多，導(dǎo)致全塔整體溫度偏低。為了防止輕組分在塔內(nèi)積累，延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可通過(guò)間歇精餾的方法將塔內(nèi)部分輕組分采出。間歇精餾階段仍保持無(wú)進(jìn)料狀態(tài)。首先手動(dòng)控制塔頂及上側(cè)線采出流量，并對(duì)塔頂產(chǎn)品進(jìn)行色譜分析，待塔頂產(chǎn)品純度降至90%（x）左右時(shí)，停止塔頂采出，保持上側(cè)線采出不變，繼續(xù)對(duì)上側(cè)線產(chǎn)品進(jìn)行色譜分析；待上側(cè)線產(chǎn)品純度達(dá)到90%（x）左右時(shí)，停止上側(cè)線采出；而后手動(dòng)控制下側(cè)線采出，并對(duì)塔釜產(chǎn)品進(jìn)行色譜分析，待塔釜產(chǎn)品純度達(dá)到90%（x）左右時(shí)，停止下側(cè)線采出。至此，塔內(nèi)多余輕組分已被采出。該階段由于塔內(nèi)部分輕組分被采出，使得全塔溫度明顯升高。值得注意的是，在間歇精餾過(guò)程中可適當(dāng)增大分液比以防止預(yù)分餾段頂部溫度過(guò)高，擾亂塔內(nèi)輕重組分分布。間歇精餾完成后即可進(jìn)行連續(xù)精餾階段，將等摩爾比組成的四元醇原料經(jīng)預(yù)熱至83 ℃后加入塔內(nèi)。為避免進(jìn)料造成塔內(nèi)溫度發(fā)生大的波動(dòng)，影響裝置穩(wěn)定時(shí)間，可將進(jìn)料量由低到高逐漸升高至實(shí)驗(yàn)所要求的處理量，同時(shí)手動(dòng)打開(kāi)塔頂、上側(cè)線及下側(cè)線采出并對(duì)4 個(gè)產(chǎn)品純度進(jìn)行分析，待4 個(gè)產(chǎn)品純度均接近90%（x）后，依次將塔釜加熱負(fù)荷、塔頂采出、上側(cè)線采出及下側(cè)線采出調(diào)為自動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入自動(dòng)化控制的連續(xù)進(jìn)料階段。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

KDWC 進(jìn)入自動(dòng)控制的連續(xù)進(jìn)料階段后，全塔溫度逐漸趨于穩(wěn)定，4 個(gè)產(chǎn)品純度（x）分別為：塔頂甲醇90.68%、上側(cè)線乙醇89.91%、下側(cè)線正丙醇90.55%、塔釜正丁醇90.09%，均滿足實(shí)驗(yàn)要求。此時(shí)塔頂采出量為0.66 kg/h，上側(cè)線采出量為0.83 kg/h，下側(cè)線采出量為1.06 kg/h，塔釜加熱負(fù)荷為2.40 kW，4 個(gè)溫度控制回路控制點(diǎn)溫度分別為：塔頂靈敏板69.93 ℃、上側(cè)線靈敏板80.88 ℃、塔釜115.58 ℃、預(yù)分餾段底部靈敏板93.23 ℃，均與預(yù)設(shè)溫度接近，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用Aspen Plus 軟件在同一工況下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。實(shí)驗(yàn)過(guò)程全塔實(shí)際壓降約為0.40 kPa，理論塔板數(shù)為39 塊，在模擬過(guò)程中可將板壓降修正為0.01 kPa。此外，由于通風(fēng)的需要，實(shí)際塔釜加熱量存在損耗，加熱負(fù)荷將明顯高于所需值，無(wú)法直接將該數(shù)據(jù)應(yīng)用于模擬過(guò)程，因此本工作將在保持進(jìn)出料流量、分液比、分氣比與實(shí)驗(yàn)值一致的條件下，調(diào)整塔釜負(fù)荷直至塔頂產(chǎn)品純度與實(shí)驗(yàn)值相同，此時(shí)塔釜負(fù)荷模擬值為1.33 kW。

表3為產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比。由表3可知，4 個(gè)產(chǎn)品目標(biāo)組分純度與模擬結(jié)果基本一致，誤差較??；但雜質(zhì)組分含量（x）略有不同，實(shí)驗(yàn)中上側(cè)線產(chǎn)品中的甲醇雜質(zhì)含量為7.10%，高于模擬值（5.27%），丙醇雜質(zhì)含量為2.99%，低于模擬值（4.78%）；下側(cè)線產(chǎn)品中的乙醇雜質(zhì)含量為8.75%，高于模擬值（4.08%），丁醇雜質(zhì)含量為0.69%，低于模擬值（5.25%）。

圖3為實(shí)驗(yàn)和模擬的全塔溫度分布。

表3 產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)值與模擬值Table 3 Steady state experimental and simulated value

圖3 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)與模擬溫度分布Fig.3 Steady state experimental and simulated temperature profiles.

由圖3可知，模擬溫度分布和實(shí)驗(yàn)溫度分布具有良好的一致性，溫度變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于預(yù)分餾段溫度分布，進(jìn)料位置上部實(shí)驗(yàn)值與模擬值差異較小，而進(jìn)料位置下部差異較大，造成這一結(jié)果的原因在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中丁醇更多地富集于提餾段，并未如模擬中那樣上升至預(yù)分餾段底部，這點(diǎn)可從下側(cè)線產(chǎn)品中丁醇含量顯著低于模擬值得以驗(yàn)證。對(duì)于主塔溫度分布，全塔范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)值與模擬值差異較小，其中主塔測(cè)溫點(diǎn)（TM6，TM7）差異相對(duì)較大，這同樣可通過(guò)上側(cè)線中丙醇含量及下側(cè)線中丁醇含量均顯著低于模擬值得以說(shuō)明。另外，實(shí)驗(yàn)值和模擬值的TM6，TM7兩點(diǎn)之間溫度變化極大，這是因?yàn)樵撍畏秶鷥?nèi)組成情況發(fā)生了顯著變化，乙醇組分的含量自上而下快速降低，而丙醇組分含量則快速升高。

2.2 動(dòng)態(tài)控制實(shí)驗(yàn)

在穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了進(jìn)料組成發(fā)生±20%波動(dòng)后KDWC 的分離效果。以甲醇為例，進(jìn)料流量不變，將原料中甲醇含量增大或減小20%，其余三組分（摩爾比保持1∶1∶1）相應(yīng)地減小或增大，但最終四組分摩爾分?jǐn)?shù)之和仍為1。實(shí)驗(yàn)具體操作為：待4 個(gè)產(chǎn)品純度均接近90%（x）后，將4 個(gè)控制回路切換為手動(dòng)控制，而后切換波動(dòng)原料，再將4 個(gè)控制回路切換為自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍保持分液比、分氣比不變，每隔15 min采一組產(chǎn)品進(jìn)行純度分析。

圖4為進(jìn)料組成發(fā)生變化后產(chǎn)品組成的變化趨勢(shì)。

圖4 進(jìn)料組成發(fā)生±20%變化后產(chǎn)品組成的變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of product composition with ±20% feed composition disturbances.

由圖4可知，當(dāng)單一原料組成發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，各產(chǎn)品中目標(biāo)組分純度將偏離90%，反復(fù)波動(dòng)后最終趨于穩(wěn)定。波動(dòng)實(shí)驗(yàn)中各產(chǎn)品純度（x）均介于88.17%～93.99%之間，產(chǎn)品純度誤差可控制在-2.03%～+4.43%以?xún)?nèi)，能夠滿足原料波動(dòng)后各產(chǎn)品純度保持在90%（x）附近，誤差小于5%的要求。其中，最小值出現(xiàn)在進(jìn)料丁醇增加20%的實(shí)驗(yàn)中，塔頂產(chǎn)品甲醇純度為88.17%；最大值出現(xiàn)在進(jìn)料丙醇減少20%實(shí)驗(yàn)中，下側(cè)線產(chǎn)品丙醇純度為93.99%。

將波動(dòng)實(shí)驗(yàn)各產(chǎn)品組成結(jié)果與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，經(jīng)過(guò)波動(dòng)后，塔頂產(chǎn)品與塔釜產(chǎn)品純度變化較小，最大偏差值均出現(xiàn)在丁醇增加20%實(shí)驗(yàn)中，分別為88.17%和90.44%，與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的90.68%和90.09%相比，偏差分別為2.77%和0.41%，這是由于進(jìn)料流量不變的情況下，全塔壓力基本不變，塔頂及塔釜產(chǎn)品為二元混合物，溫度僅與組成相關(guān)，因而溫度控制能夠很好地應(yīng)對(duì)組成變化。而上側(cè)線產(chǎn)品與下側(cè)線產(chǎn)品為三元混合物，在同一溫度和壓力下，組成相同，溫度控制效果不如塔頂產(chǎn)品及塔釜產(chǎn)品，偏差相對(duì)較大，其中上側(cè)線產(chǎn)品最大偏差值（93.03%）出現(xiàn)在丙醇增加20%實(shí)驗(yàn)中，與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的89.91%相差約3.47%；下側(cè)線產(chǎn)品最大偏差值（93.99%）出現(xiàn)在丙醇減少20%實(shí)驗(yàn)中，與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的90.55%相差約3.80%。

3 結(jié)論

1）采用自制的KDWC 小試實(shí)驗(yàn)裝置分離四元醇混合物，在全回流階段、間歇精餾階段和連續(xù)精餾階段3 個(gè)階段開(kāi)車(chē)基礎(chǔ)上，考察了KDWC 分離四元醇混合物穩(wěn)態(tài)過(guò)程，4 組產(chǎn)品純度（x）分別為90.68%，89.91%，90.55.%，90.09%，均達(dá)到設(shè)計(jì)值90%（x）。

2）對(duì)比相同工況下的小試裝置的穩(wěn)態(tài)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，4 組產(chǎn)品中目標(biāo)組分的摩爾比基本一致，差異較小，上側(cè)線及下側(cè)線產(chǎn)品中雜質(zhì)組分含量略有偏差。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的全塔溫度分布具備良好的一致性。

3）建立了4 個(gè)溫度控制回路的KDWC 溫度控制方案，考察了溫度控制方案應(yīng)對(duì)進(jìn)料組成發(fā)生±20%波動(dòng)的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各產(chǎn)品純度（x）介于88.17%～93.99%之間，產(chǎn)品純度誤差可控制在-2%～+4%。KDWC 溫度控制方案有效保證了各產(chǎn)品純度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了KDWC 自動(dòng)控制。

4）對(duì)比動(dòng)態(tài)波動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，塔頂產(chǎn)品與塔釜產(chǎn)品純度變化較小，最大相對(duì)偏差分別為2.77%和0.41%；上側(cè)線與下側(cè)線產(chǎn)品純度變化較大，最大相對(duì)偏差分別為3.47%和3.80%。說(shuō)明溫度控制對(duì)塔內(nèi)液相主要為兩組分混合物的區(qū)域控制效果較優(yōu)，而對(duì)液相為三組分混合物的區(qū)域控制效果略差。