[发明专利]一种分壁精馏塔的控制方法

说明书

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.,  Skogestad, 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 columns Part1: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-XD1或D-XD1（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 wall columns Part2:Simulation and pilot plant studies using temperature control，AbdulMutalib, M.I., Zeglam, A. O., 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。