[发明专利]一种汽液连串反应精馏过程自动控制系统设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学工程与控制工程交叉学科，属于化学反应器与精馏塔生产过程自动控制领域，涉及汽液连串反应精馏过程的自动控制系统的设计方法。

背景技术

反应与精馏集成技术是将化学反应与精馏分离过程集成在同一个设备内进行的一种强化过程。与传统生产工艺相比，反应精馏集成技术通过将反应产物及时移出塔外，有效提高原料转化率或目标产物选择性，同时在反应热合理利用、提高设备集成度、节省设备投资方面具有明显优势。工业反应过程中有很多反应过程都属于连串反应，例如乙烷解热脱氢制乙烯、苯氯化制氯苯，芳烃烷基化制乙苯、异丙苯连串反应过程。本发明主要针对两相不可逆汽液连串反应过程：

主反应方程式          (1)

副反应方程式          (2)

反应发生在液相，C为目标产物，S为副产物，反应产物D为惰性气体，不影响塔内的汽液平衡。连串反应是在物料F作为催化剂下并在反应与分离都合适的温度下进行反应。本发明主要针对汽液连串反应精馏集成过程给出一种自动控制系统设计方法，该集成结构如图1所示。反应精馏塔一般分为提馏段、反应段和精馏段三部分，液相进料原料F0A从塔的上部进料，气相进料原料F0B从塔的下部进料，轻组分汽相产物D从塔顶采出，重组分液相产物C和E从塔釜采出。

由于反应与分离过程同时发生在一个设备中，不仅系统表现出很强的非线性、耦合性以及多稳态特性，而且也会造成反应精馏过程的控制系统设计较传统的生产过程具有较少的控制自由度和更加复杂的动态特性，使得反应精馏过程控制系统设计难度和控制精度要求明显增加，因此精馏塔常用控制方法不能直接应用到该集成过程，需要根据反应精馏过程特性，重新设计有效的自动控制系统，在有限操作区域范围内降低闭环系统的强非线性和耦合性，获取理想的闭环控制效果。

发明内容

本发明的目的是提供汽液连串反应精馏集成过程自动控制系统设计方法。本发明分别通过设计多回路控制结构的被控变量与操作变量之间合理配对、灵敏板温度位置的合理确定、控制器结构参数整定方法，给出一种有效的反应精馏过程自动控制系统设计方法，解决反应精馏过程集成装置自动控制难题。本发明给出的反应精馏装置的自动控制方案，可确保汽液连串反应精馏集成装置的长期稳定运行，增强装置对多种扰动的抑制能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种汽液连串反应精馏过程的自动控制系统设计方法，包括以下步骤：

（1）确定最佳的汽液连串反应精馏塔稳态工艺参数：

根据具体汽液连串反应精馏过程体系的物系特征初步选择包括精馏段、反应段和提馏段三个区的反应精馏塔基本结构方式，然后通过年度最小生产成本经济稳态优化设计给出反应精馏塔的最佳的稳态工艺结构参数和操作参数。所述的物系特征包括汽液平衡常数、相对挥发度、沸点、反应动力学特征。

（2）确定控制系统设计的控制目标：

针对反应精馏过程稳态优化设计得到的最佳反应精馏集成结构，以及塔内汽液相流率、塔板温度和汽液组成分布，根据工艺指标要求，在稳态设计的结构参数和操作参数基础上合理确定产品质量指标和目标产物的选择性指标和生产负荷指标作为控制系统设计的控制目标。

（3）合理选择被控变量和操作变量：

选择反应精馏塔的塔顶的压力(P)、冷凝器的液位(L_R)、精馏塔液位(L_B)以及灵敏板温度(T_S1和T_S2)作为连串反应精馏塔系统的被控变量；选择塔顶汽相采出流量（F_D）、回流量（F_R）、塔釜采出流量（F_B）、双进料流量比（r）、再沸器加热量（Q）作为操作变量。

选择的被控变量为灵敏板温度、压力和液位等，选择可以直接反映产品质量的成分或对于产品质量有较强影响的灵敏板温度、压力和液位可在线实时测量的变量作为被控变量，并将其保持在一定的操作条件之内。选择对被控变量有显著或快速影响的可调节变量作为操作变量。

（4）合理确定灵敏板温度的位置：