Kaibel分壁精馏塔的压力补偿-温度控制

Kaibel分壁精馏塔（Kaibel divided-wall column,KDWC）是分离三组分混合物DWC的进一步强化形式,可在一个塔内实现四组分混合物的高纯度分离。建立有效的控制结构是KDWC的研究关键,研究了KDWC分离苯、甲苯、邻二甲苯和均三甲苯四组分体系的动态过程,首次将压力补偿机制引入KDWC的控制,建立了压力补偿-温度控制结构（PTC）,并考察了该结构与温度控制结构（TC）的控制效果。研究结果表明：TC可实现进料流量或组分发生±15%扰动后的平稳控制,少部分产品纯度不合格,最大余差为-0.007;PTC可实现进料流量或组分发生±20%扰动后的平稳控制,产品纯度均合格,最大余差约为-0.003,且调节时间缩短为5~8 h。压力补偿-温度控制结构通过对下侧线温度控制回路设定值的修正,有效地改善了控制效果。     

Kaibel分壁精馏塔分离芳烃的稳态和动态模拟

Kaibel分壁精馏塔(Kaibel divided-wall column,KDWC)可在一个塔内实现四组分混合物的高纯度分离。本文以分离苯、甲苯、二甲苯和均三甲苯为研究对象,建立了KDWC严格稳态模型,获得了优化的塔体结构。通过研究KDWC分离17组进料组成的基础上,获得了KDWC的稳态分离的初步规律:实现KDWC的高纯度分离,既需要通过分液比控制预分馏段顶部馏出气相中的二甲苯含量,又需要通过分气比控制预分馏底部馏出液相中甲苯含量;两个侧线的组成中,重组分杂质的含量要远多于轻组分杂质的含量;中间组分甲苯在预分馏段仍有返混。随后,在Aspen Dynamic环境下建立了KDWC的组分控制模型,控制结果表明该模型可以应对±10%的流量和进料组成波动,但二甲苯产品纯度会出现少量偏差。     

Kaibel隔壁塔的温度温差控制

以分离甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇四元混合物的KDWC为研究对象,系统地探讨对其实施温度控制的可行性与有效性。基于灵敏度与稳态偏差最小方法给出了一种5×5温度控制系统。虽然它能有效克服进料浓度扰动的影响,但对进料流量扰动却存在较大的稳态偏差。鉴于系统内部耦合以及塔内压力变化是导致这一问题的根本原因,基于奇异值分解原理又给出了一种5×5温差控制系统。仿真结果显示,它能够有效克服来自进料流量与浓度扰动的影响,保持产品质量的严格控制。结果表明,KDWC虽具有复杂的动态特性和低可控性,但基于塔板温度的推断控制策略仍是可行与有效的。     

乙腈-水二元共沸体系的变压精馏动态研究

针对乙腈-水变压精馏稳态工艺流程,建立了变压精馏动态模型,探究了其不同的动态方案。研究表明：无论是引入回流量-塔顶采出量比例控制模块的控制结构,还是回流量-进料流量比例控制模块的控制结构,面对扰动时产品纯度均出现发散型震荡现象;温度控制结构比组成-温度控制结构的稳定时间短,但只能使水产品纯度维持在质量分数为99.88%附近;常压塔再沸器热负荷与进料流量比例控制模块能及时调整常压塔蒸汽流率;组成控制器可以在线监测产品纯度,组成-温度控制结构抗扰动能力更强。     

变压精馏分离乙酸乙酯-正己烷共沸物的动态特性

乙酸乙酯和正己烷均为重要的有机溶剂,广泛应用于医药、橡胶、油漆等领域。由于乙酸乙酯和正己烷常压下形成共沸物,需采用特殊工艺对其进行分离。基于乙酸乙酯-正己烷二元共沸体系的压力敏感性,利用Aspen Plus软件,以年度总费用(TAC)最小为目标函数,模拟和优化了变压精馏稳态工艺,其中高压塔和低压塔的操作压力分别采用6 atm和1 atm,所得乙酸乙酯和正己烷产品纯度均大于99.9%。在此基础上,利用Aspen Dynamics软件考察了变压精馏工艺不同控制方案的有效性。结果表明:Q_R/F比例控制结构能够有效地应对进料流量扰动,且响应速度快,但在处理进料组分干扰时稍显不足。组分-温度串级控制能有效的改善进料组分扰动对产品纯度的影响。Q_R/F比例控制结构与组分-温度串级控制结构联用在变压精馏工艺中可实现稳健的控制,能够有效保证乙酸乙酯和正己烷产品纯度。     

热集成变压分离碳酸二甲酯-甲醇的优化与控制

利用Aspen Plus软件对碳酸二甲酯-甲醇物系,提出了热集成变压精馏新工艺,以年度总费用(TAC)最小为目标函数进行经济优化,优化结果显示可以节约能耗33.82%,TAC节省25.97%。在动态控制系统中,针对常压塔温度分布均匀、灵敏板选择困难的问题,给出一种简单有效的导斜率判据方法。在此基础上,研究了常压塔不同灵敏板以及不同控制结构对完全热集成工艺动态可控性的影响。结果表明:常压塔第29块塔板作为灵敏板的组成/温度串级控制结构CSC,可以有效处理±10%进料流量和进料组成扰动。对于超过10%进料流量和组成扰动,高压塔(HPC)压力波动大、产品不易控制的特点,在CSC基础上建立的压力-补偿温度控制结构CSD,使两塔产品的稳态余差较小,可以处理±20%的进料流量和组成扰动,实现更稳健的动态控制。     

γ-十一内酯反应精馏过程的控制模拟及分析

研究了反应物大大过量情况下,γ-十一内酯的反应精馏过程控制。利用Aspen Dynamics软件进行γ-十一内酯反应精馏过程的动态模拟,通过灵敏度判据进行了温度控制板的选择,并在Aspen Dynamics建立了单端温度控制结构CS1和两端温度控制结构CS2。对系统施加进料流量±10%扰动和进料组成±5%扰动测试,测试结果表明,CS2控制结构可有效抵抗运行过程中的进料扰动,维持系统稳定运行,保证γ-十一内酯收率60%。由此说明两点式温度控制结构能够有效进行γ-十一内酯反应精馏过程控制。     

热集成变压精馏分离甲基异丁基酮/正丁醇共沸物的动态控制

采用高低压两塔精馏流程,对甲基异丁基酮/正丁醇共沸物进行分离,确定了高低压塔的压力分别为405.30 k Pa和20.27 k Pa。基于最小年度总费用(TAC)对甲基异丁基酮/正丁醇变压精馏分离工艺进行经济优化。运用Aspen Plus软件考察了变压精馏工艺不同控制方案的有效性。结果表明:组成-回流比串级控制方案可以有效的处理无热集成、部分热集成变压精馏工艺的±20%进料流率与组成扰动,产品的纯度非常接近其期望值,且响应速度快;对于完全热集成变压精馏工艺,采用压力-补偿温度控制结构能够实现稳健的控制。综合TAC与控制方案的分析,认为部分热集成变压精馏工艺为该体系的最优变压精馏工艺。     

不同热集成变压精馏工艺分离乙酸乙酯/正己烷共沸物的优化与控制

基于变压精馏分离乙酸乙酯/正己烷共沸体系两塔的温差,利用Aspen Plus软件,以年度总成本最小为目标函数,对部分及完全热集成变压精馏工艺进行了稳态模拟及优化。在此基础上,利用Aspen Dynamics软件开发了多种控制结构,通过引入不同进料流量及组成的扰动测试控制结构的有效性。结果表明,完全热集成变压精馏工艺比部分热集成变压精馏工艺的经济性稍好。动态响应结果表明,部分热集成变压精馏工艺的压力?补偿温度控制结构可有效处理不同程度的干扰,能有效提高控制结构对干扰的响应速度,缩短达到新稳态的时间,保证乙酸乙酯和正己烷产品纯度在99.9wt%之上;而完全热集成变压精馏工艺的组分?温度串级控制结构仅能处理较小的组分和流量干扰,实现稳健控制,无法处理较大的干扰。综合比较两种工艺的经济性和可控性,认为部分热集成变压精馏工艺分离乙酸乙酯/正己烷共沸体系优于完全热集成变压精馏工艺。     

热集成变压精馏分离吡啶-水的控制研究

对于吡啶-水的分离,与传统的变压精馏工艺相比,热集成变压精馏工艺更加节能经济,进料流量为3 000 kg/h时,可以节约能耗43.52%,节省年度总费用40.70%。为了将该工艺应用在实际生产中,必须解决其控制的问题。在最优设计基础上,提出2种基于PI控制器的控制结构,并采用动态模拟软件Aspen Dynamics检验了存在进料流量和进料组成干扰情况下控制结构的有效性。模拟结果表明:扰动存在时,由于基本控制结构CS1中二塔均存在压力效应,并且控温板温度稳定在设定值,导致水和吡啶产品质量存在较大稳态余差。进而,在CS1基础上引入温差控制策略和压力补偿温度控制策略,提出一种改进的控制结构CS2。模拟结果显示,针对相同的进料流量和进料组成扰动,控制结构CS2的动态控制性能显著提高,产品质量的稳态余差均较小。     

Kaibel隔壁塔用于四组分精馏的模拟优化和实验研究

隔壁精馏塔由于其特殊的结构可在单塔内实现多组分高纯度分离的目的。本文针对Kaibel隔壁精馏塔（KDWC）分离四组分混合物的节能工艺进行了模拟优化和实验研究。以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇（MEPB）为例,通过热力学分析建立了稳态模拟的“四塔模型”,并以塔内温度分布为依据对模型准确性进行了实验验证。提出了一种基于再沸器能耗的优化流程,以再沸器最小能耗为目标函数,对KDWC的液相分配比（RL）及整体结构进行了优化。分析了KDWC的节能原理并考察了中间组分含量对KDWC节能效果的影响。对比了KDWC与常规传统三塔序列的能耗并对二者的热力学效率进行了计算。结果表明：温度分布的模拟值与实验值趋于一致,且液相分配比（RL）是塔的重要操作参数;KDWC结构相比于传统三塔序列节能的重要原因是有效降低了中间组分（乙醇和正丙醇）的返混程度,且随着中间组分含量的增加KDWC节能效果越来越明显;当中间组分摩尔分数为80%时,KDWC可节能35.65%,可提高热力学效率26.11%。通过本文研究,为隔壁塔用于四组分精馏提供了基础实验数据并为其节能优化提供了理论指导。     

共沸精馏隔壁塔与萃取精馏隔壁塔的控制研究

针对多元共沸物或近沸点混合物的分离,采用共沸精馏隔壁塔和萃取精馏隔壁塔两种流程,分别建立稳态模型,并进行了温度灵敏板的选择。针对共沸精馏隔壁塔建立若干两点温度控制结构,针对萃取精馏隔壁塔建立若干三点(及四点)温度控制结构。通过添加进料流量和组成扰动进行测试分析,分别为两种流程挑选了能有效抵抗进料扰动的温度控制结构。1共沸精馏隔壁塔最优控制结构:Q_(MC)/F控制TMC,13;Q_(RC)/F控制TRC,5。2萃取精馏隔壁塔最优控制结构:RRM控制TMC1,3;Q_r/F控制TMC1,12;RR_R控制TRC1,3;αv控制TMC1,9。最后通过分析两种最优控制结构的相似性,总结得出:带有再沸器与进料量比值(Q_r/F)控制的温度控制结构,可有效降低共沸精馏隔壁塔及萃取精馏隔壁塔体系的余差及超调量。     

热集成双侧线萃取精馏分离苯/异丙醇/水的设计与控制

提出了一种用于分离三元共沸体系苯/异丙醇/水的新型热集成双侧线萃取精馏方案。与传统方案相比,热集成方案可以进一步降低15.8%的TAC和18.88%的CO₂排放。对2种工艺的动态可控性进行了进一步研究,并将开环和闭环相结合的方法应用到寻找温度控制板的工作中,针对传统的双稳态系统设计了一种高鲁棒控制结构（CS1）;同时将旁路策略和添加额外小型换热器应用到热集成控制中,针对热集成双稳态系统设计了CS2和CS3两种鲁棒控制结构。通过添加±10%流量扰动和±20%组分扰动对控制结构的性能进行了测试,研究发现,CS1在进料流量扰动和组分扰动下具有良好的动态特性,CS2和CS3都能抵抗进料流量和组分扰动,但CS3的控制效果比CS2更优。     

棕榈酸异丙酯反应精馏塔的设计与控制

反应体系中混合物的相对挥发度排序对整个反应精馏过程的设计和控制都有很大的影响,针对拥有最不利相对挥发度排序的棕榈酸异丙酯(IPP)反应精馏塔的特点,建立合理的稳态模型,并设计常规的温度控制TC方案以及新颖的温差控制TDC方案来控制出料产品的纯度。通过Aspen Dynamics软件进行模拟仿真实验。在系统中引入3种干扰(操作压力,进料流量和进料组分)用于评估2种控制方案的性能。仿真结果表明:2种控制方案最终都能很好地控制出料产品的纯度,这突显了稳态模型设计的合理性。但TDC方案明显具有更好的鲁棒性,保证了产品纯度的同时还使系统能够快速的稳定,且超调量较小,这为今后反应精馏过程的设计与控制提供了一种新思路。     

苯氯化反应精馏双目标控制系统设计

针对苯氯化反应精馏过程高纯度、高转化率控制要求,分析与氯化苯纯度和苯转化率相关的变量匹配关系,设计了2种双目标控制结构。CS-1是以反应段温差、灵敏板温度为被控变量的温度控制方案,通过增加流量扰动前馈补偿回路提高系统动态性能;CS-2采用了以塔釜氯化苯含量、进料比软测量模型输出为被控变量的成分控制方案。最后采用Aspen Dynamic建立动态流程模拟系统,验证控制方案的有效性。模拟结果表明,2种控制方案能有效抑制进料流量或成分扰动带来的进料苯转化率和产品氯化苯纯度变化。     

基于Aspen Dynamics超精馏塔的动态模拟与控制

以异戊烷/正戊烷分离过程为例,利用Aspen Dynamics对超精馏塔的动态控制特性进行了研究。在稳态模拟的基础上,通过进料组成灵敏度分析和动态模拟,对3种单产品纯度控制结构进行了比较,运用Aspen Dynamics对4种双产品纯度控制方案进行了动态模拟与分析。结果表明,面临进料流量和组成扰动时,R/F(摩尔比)结构为最优单产品纯度控制方案,D-BR结构为最佳双产品控制方案且优于R/F(摩尔)结构。     

四产品Kaibel隔壁精馏塔分离丙二醇混合物的模拟与节能分析

研究了包含甲醇、水、丙二醇和二丙二醇四组分混合物的分离问题,针对混合物的特征和分离要求,提出四产品Kaibel隔壁精馏塔的分离工艺,并利用Aspen Plus软件对Kaibel塔进行设计与节能分析。首先,设计了分离四组分混合物的三塔精馏流程（TCD）和热集成三塔精馏流程（HTCD）;其次,开展了四产品Kaibel塔分离四组分混合物的模拟研究,取得了满足分离要求的塔设计参数;最后,采用能量衡算和㶲损失分析相结合的方法,对Kaibel塔的用能特征进行了分析和比较。研究表明,与热集成三塔精馏流程相比,四产品Kaibel塔在操作费用方面不占优势,但在设备投资方面具有明显优势,可以实现在一个塔内四组分的分离,总㶲损失可降低9.41%。     

变压精馏分离乙酸甲酯-甲醇-乙酸乙酯体系的设计与控制

聚丙烯醇的生产过程会产生乙酸甲酯-甲醇-乙酸乙酯共沸混合物,如果不及时处理,必然会造成环境污染和资源浪费。本文采用变压精馏的方式,针对乙酸甲酯-甲醇-乙酸乙酯体系设计了两种产品顺序不同的变压精馏分离序列,并采用遗传算法以年度总费用最小为目标,对两种分离序列进行优化设计以获得最优的设计参数。优化结果表明,两种变压精馏分离方案的设备投资费用分别为5.6×10⁵ USD/a和5.7×10⁵ USD/a,能耗费用分别为8.8×10⁵USD/a和1.0×10⁶USD/a。此外,对具有经济优势的变压精馏分离方案进行了控制结构的构建,使该过程在面对进料流量扰动和进料组分扰动时仍能维持稳定,稳定之后的三种产品纯度仍能维持在设定值附近。     

醋酸乙烯精馏四塔控制结构的设计与模拟

首先运用Aspen Plus软件对醋酸乙烯精馏四塔进行稳态优化,优化后的操作条件为进料板位置31块板、回流比7.22、塔顶馏出量1007 kg/h。根据实际生产经验及Shinskey精馏控制三项准则,提出了单板温度控制方案(CS1)与双板温度控制方案(CS2)。动态模拟研究结果表明CS1可以保证精馏塔的稳定操作,CS2在产品质量控制上更胜一筹,但两者均不能克服进料组分的扰动。因此本文提出了一种新的控制结构:组分-温度控制结构(CS3),动态模拟结果显示,添加进料组分扰动后,塔顶产品浓度仍可满足质量要求。     

Kaibel分壁精馏塔分离醇类四元混合物实验研究

以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇为研究对象,根据严格稳态模拟结果建成小试实验装置,并考察了KDWC的开车、连续进料和进料组成变化过程。KDWC开车流程可分为3个阶段:全回流、间歇精馏和进料平衡阶段;连续等摩尔进料时四组产品摩尔分数均可达到设计值90%,相同条件下模拟值和实验结果具有良好的一致性,上侧线中甲醇杂质和下侧线中丁醇杂质含量略有偏差;进料组成发生±20%的变化后,可在分液比恒定的情况下实现产品的平稳控制。