[发明专利]一种基于间歇过程的隔离壁精馏塔系统及其控制方法

说明书

本发明涉及一种基于间歇过程的隔离壁精馏塔系统及其控制方法。在间歇精馏中，对于间歇精馏来说，操作的灵活性和对进料波动的不敏感性使其非常有吸引力，然而，间歇精馏所需的热负荷远大于连续精馏所需的热负荷。隔离壁精馏塔是一种有前途的、实用的、能够实现节能减排的化工过程强化技术，本发明的思路是将隔壁塔技术应用于间歇精馏过程从而减少能耗。此外，还设计了对应的浓度控制系统以及温度控制系统。本发明极大程度上减少了间歇精馏过程的能量损耗和精馏时间，实现了良好的动态响应，为间歇隔离壁精馏塔工业化的实现提供了理论依据。

技术领域

本发明属于化工过程的间歇精馏领域。具体涉及一种隔离壁精馏塔结构及其控制系统，应用于基于间歇过程的、分离三元物系的分离任务。

背景技术

精馏是化工领域中的一种技术成熟，应用广泛的单元操作,它在石油、化肥、制药等行业中都表现出了重要的作用。精馏可以分为两大类：即连续精馏和间歇精馏。间歇精馏过程较连续精馏来说研究资料较少，但有许多独特的优点，它能适应各种特殊的工况，可以胜任不同条件下的混合物分离任务，使用灵活，因此也被广泛地应用于高附加值产品的生产，如药品和特种化学品。不仅如此，间歇精馏还有许多令人感兴趣的优势，例如能够实现在一个精馏塔中分离含有三种及以上主要成分的混合物；间歇精馏在操作前只进行一次大量进料，然后再封闭进出口，进行后续精馏操作，这避免了进料流量和进料成分对运行中系统造成的干扰；还可以应用于高沸点、高凝固点、热敏性材料等特殊物系的分离等。然而，间歇精馏过程也是高能耗、低热效率的化工单元操作，间歇精馏的节能减排技术有待深入研究。

在间歇精馏最近二十余年研究工作中，学者们主要在不断开发适用于不同工况的特殊间歇精馏塔结构。白鹏等人提出了动态累积全回流间歇精馏塔工艺，可以有效提高分离效率，自动实现产品切换。中间容器间歇精馏也是一种常见的间歇精馏结构，Luyben探讨了Aspen Dynamics在中间容器间歇精馏仿真模拟中的应用，该间歇精馏过程在计算机软件中的搭建与运行成功模拟了实际生产中的间歇精馏过程，并取得了纯度达到99％的产品和良好的动态响应。Bharath等人在中间容器间歇精馏结构中提出增加两个压缩机的方法，从而避免了压力耦合，减少了能量损耗。

隔离壁精馏塔是目前已被工业化证明的、能够实现节能减排目标的化工过程强化技术。Eric W Luster在1933年提出隔离壁精馏塔的概念并申请了专利，但由于较强的内部耦合性和复杂的设计变量，所以直到1965年，Petlyuk等人才取得了初步成功，他们建立了一套合理而有效的隔离壁精馏塔结构，为后来研究的学者提供了理论依据。此后又有许多研究人员对Petlyuk隔离壁精馏塔结构分离三组分混合物的工艺过程进行了设计，并对其动态控制方面进行了研究。例如Halvorsen等人在隔离壁精馏塔中较好地实现了对四元及更多组分混合物系统的分离。而近几年随着计算机技术和仿真模拟软件的蓬勃发展、以及隔离壁精馏塔相关研究理论的进步，研究人员逐渐开始将隔离壁精馏塔结构与特殊精馏工艺相结合，从而获得更多的优势，开发更多的潜能，适用于更多的应用场景(如反应精馏、萃取精馏、共沸精馏及其他领域)。本发明将隔离壁精馏塔结构应用于间歇精馏过程，以达到节省精馏时间，节约精馏能耗的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于间歇精馏过程，用于分离三元物系的隔离壁精馏塔(以下简称隔壁塔)结构及其控制系统。三元物系分离的仿真结果表明：1.本发明提出的配套浓度控制系统和温度控制系统都可以使隔壁塔结构顺利完成任务，具备极高的实用性；2.改进的温度控制系统解决了实际工业生产中浓度传感器成本较高，信号延迟较大的问题；3.隔壁塔结构在本发明设计的配套控制系统下解决了传统间歇精馏操作能耗较大，时间较长的问题。

一种基于间歇过程的隔离壁精馏塔系统，用于对三组分物系的分离。根据精馏塔的内部添加隔板的位置不同，分成三种情形：