[发明专利]一种二元蒸馏塔温度控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种二元蒸馏塔温度控制系统及方法，具有低、中、高三种产品浓度的二元蒸馏塔的温度推断控制系统的综合与设计问题。对于中和高产品浓度的二元蒸馏塔，灵敏度与稳态偏差最小方法均不能给出性能优良的温度推断控制系统。本发明提出了在精馏段对灵敏度和稳态偏差最小方法进行折衷，在提馏段选择温差作为被控变量的新方法。前者有助于实现被控塔板稳态特性与动态特性的平衡，后者能够回避提馏段压力变化的不利影响。对于中和高产品浓度的二元蒸馏塔十分有效；对于低产品浓度的二元蒸馏塔也优于灵敏度和稳态偏差最小方法。不仅稳态偏差减小的情况更多，而且被控产品浓度的动态偏差也有所减小。

技术领域

本发明涉及蒸馏塔温度控制系统的综合与设计技术，属于化工过程的操作与控制。

背景技术

由于蒸馏塔的内部耦合十分强烈、动态特性相当复杂以及滞后时间较长等特点导致了其控制系统综合与设计的高度复杂性，已经严重影响了产品质量的控制效果，所以研究蒸馏塔的操作与优化控制一直是研究热点。虽然浓度控制能够实现对被控产品纯度的无偏差控制，但是由于浓度测量装置的使用会导致控制系统投资成本大、维护费用高以及调节时间长等缺点，极大地限制了其工业应用。相反，温度控制由于投资小、可靠性高和延迟时间短等优点而在过程工业中广受青睐。与产品浓度的直接控制相比，蒸馏塔温度推断控制系统的设计相对要复杂得多。后者不仅要考虑被控变量与操纵变量之间的配对问题，还要确保被控塔板的温度与产品浓度之间要具有良好的对应关系，这就需要合理有效地确定被控塔板的位置。到目前为止，学术界和工业界已经提出了许多种被控塔板的选择方法，它们包括：(1)斜率方法，(2)灵敏度方法，(3)奇异值分解方法，(4)恒定温度方法，和(5)稳态偏差最小方法。Luyben曾对这些方法进行过系统的分析与比较。尽管这些方法通常能够有效地确定被控塔板的位置，但它们也常常使得温度推断控制系统难以给出最佳的控制品质。这些缺陷不仅限制了温度推断控制系统的有效应用还阻碍了新型蒸馏系统的开发。尽管被控塔板的确定在蒸馏操作领域已经是一个比较陈旧的课题，但它仍是一个值得进行深入研究的重要问题。

发明内容

本发明研究了具有低、中、高不同产品浓度的二元蒸馏塔的温度推断控制系统的综合与设计问题。基于灵敏度方法所选择的被控塔板通常具有较快的动态响应，但仅在产品浓度较低时其温度与产品浓度具有良好的对应关系。基于稳态偏差最小方法所选择的被控塔板，其温度与产品浓度通常具有良好的对应关系。但当产品浓度较高时，由于所选择的被控塔板太靠近塔的两端，在精馏段会导致恶化的动态特性，在提馏段会对压力变化非常敏感，二者都会降低温度推断控制系统的品质。以上结果表明，灵敏度和稳态偏差最小方法均不能一致性地给出二元蒸馏塔温度推断控制系统的有效结构，而开发一种既能在精馏段有效折衷稳态特性与动态特性又能在提馏段有效回避压力变化影响的系统性方法显然是必要的。

为达上述目的，本发明的技术方案包含以下步骤：：

步骤1：基于灵敏度方法选择被控塔板。操作变量发生±1％的幅度变化，所引起温度变化最大的塔板选择为灵敏板。

步骤2：基于稳态偏差最小方法选择被控塔板。稳态偏差最小方法的基本原理是在给定扰动组合的情况下搜索最小稳态偏差所对应的被控塔板。在本发明中采用如下所示的目标函数

J(L1,L2)＝Σ_i(|ΔX_E|i+|ΔX_B|i)

其中，i表示进料流量变化±20％以及进料组成变化±20％四种扰动情况；L1,L2分别代表精馏段与提馏段被控塔板的位置；|ΔX_E|和|ΔX_B|分别表示塔顶和塔底产品出料浓度稳态偏差的绝对值。上述优化问题可以通过单变量搜索方法进行求解。

步骤2.1：以灵敏度分析方法获得的塔板作为初值，只改变L1塔板的位置，保持L2塔板的位置不变，逐一调节被控塔板位置使目标函数J最小的塔板并作为L1的搜索板；

步骤2.2：再改变L2塔板的位置，搜索使目标函数J最小的塔板并作为L2的搜索板；