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。     

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。     

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。     

分隔壁精馏塔分离醇类混合物的模拟

以分隔壁精馏塔分离乙醇、正丁醇及正己醇为例,建立分隔壁精馏塔稳态模型。用Aspen Plus软件进行模拟,模拟数据与实验数据吻合良好。同时考察了分隔壁精馏塔内液体分配比对产品含量的影响及正丁醇液相组成分布情况。比较了采用分隔壁精馏塔和常规二塔流程分离此物系的节能情况。结果表明,由于分隔壁精馏塔能极大地减少返混现象的产生,故达到相同的分离要求,分隔壁精馏塔比常规精馏的流程更节能,采用分隔壁精馏塔分离此物系时,中间组分的摩尔分数越高,节能效果越好,当进料组成为n(C2H5O)∶n(C4H10O)∶n(C6H14O)=1∶3∶1时,可节能25.9%。分隔壁精馏塔技术是一种节能、经济的新工艺。     

甲醇-苯共沸体系变压精馏分离工艺的动态控制

基于甲醇和苯共沸体系的压敏性,利用Aspen Plus和Aspen Dynamics软件对变压精馏分离该体系的稳态工艺进行了模拟和优化,研究了该工艺的动态特性,提出了控制产品纯度的3种控制结构：基础控制结构、比例控制结构和双比例与温度?组分联合控制结构,通过对控制结构添加±20%的组分和流量干扰测试控制结构的稳定性. 结果表明,基础控制结构基本能实现稳健控制,但不能解决组分干扰引起的产品纯度偏差过大等问题;比例控制结构可实现相对稳健的控制,但改进效果不显著;双比例与温度?组分联合控制结构在受到20%进料和组分干扰后,产品纯度能较快恢复至设定值的99.90%,实现稳健控制.     

垂直双隔板隔壁塔分离四组分的模拟优化和实验研究

提出了一种垂直双隔板的分离四组分混合物的隔壁塔,对该塔的结构设计进行了详细的介绍和说明,根据新型隔壁塔的塔板结构和分离原理设计了该种塔板的五塔模型并进行了简洁计算。针对烃类体系四组分分离的完全热耦合过程,通过化工流程模拟软件Aspen进行了模拟优化和用能分析,相比一般的序列塔分离工艺,节能最高可达18.6%,节能效果明显。根据工艺模拟结果,以分离戊烷、己烷、庚烷、辛烷为研究对象,对新型塔板进行了小试研究。研究结果表明：影响新型隔壁塔温度分布的主要因素是液相分配比,可通过控制新型隔壁塔主塔段二塔顶冷凝器的回流量来控制主塔段二的温度分布。研究为隔壁塔气相分配的工业化提供了理论依据和设计参考。     

Distillation column control: The use of feed temperature to respond to modest variations in feed composition

Most distillation columns operate with feed temperature controlled to some fixed value at or close to the boiling point of the feed, variations in this temperature being seen as unwanted disturbances to the column. Conventional control schemes can meet top and bottom composition specifications within the scope of the column but at the price of long response times due to the considerable inventory of a column in relation to its throughput. This paper shows that by admitting the feed temperature as a control variable and using feedforward control, much faster responses can be achieved.     

Control structure selection of increased-pressure extractive distillation process for DMC-MeOH azeotropic mixture

Producing dimethyl carbonate (DMC) as a green chemical with the desired purity is important in the industry. Although studies on the steady-state design of energy-efficient extractive distillation processes are important for the purification of DMC-methanol (DMC-MeOH) azeotropic mixtures, the dynamic controllability of these processes is also critical in the case of feed condition changes, and it should be investigated carefully. Results of the limited studies in the literature show that changing the operating pressures in extractive distillation processes might have different effects on the dynamic controllability of different systems. Thus, in this study, alternative control strategies are developed for a recently proposed increased-pressure extractive distillation process to separate DMC-MeOH mixture. All control structures are designed using inferential temperature controllers, which have a general acceptance in industrial applications. Effects of different ratio controllers are investigated by evaluating the dynamic responses of control structures for disturbances in feed flowrate and composition. Two metrics including integral absolute error and steady-state deviation of purities are used in the evaluation of alternatives. Results of dynamic simulations show that a control structure including reflux ratio controller is not a suitable strategy for this process. It is demonstrated that a control structure including reflux to feed ratio controller for both distillation columns is necessary for the robust and efficient control of a pressure-increased extractive distillation process. These efficient dynamic results support the economic advantage of increased-pressure extractive distillation process separating DMC-MeOH azeotropic mixtures.     

变压精馏分离丙酮和环己烷的动态特性

基于丙酮-环己烷共沸体系的压力敏感性，利用Aspen Plus软件，以年度总费用(TAC)最小为目标函数对常规、部分及完全热集成变压精馏工艺进行稳态模拟与优化，并以经济最优的完全热集成变压精馏工艺为基础，借助Aspen Plus Dynamics软件建立多种不同控制结构，通过改变进料流量和进料组成考察了控制结构的有效性，并提出塔底热负荷/进料量比例控制与组成-温度串级控制相结合的改进控制结构。稳态模拟与优化结果表明，常规、部分和完全热集成三种工艺的最小TAC分别为3.64×105, 2.83×105, 2.76×105 $/y，经济最优工艺为完全热集成变压精馏。动态响应结果表明固定回流量/进料量控制结构在响应时间方面优于固定回流比控制结构，但产品纯度未达到设计值99.9wt%；而塔底热负荷/进料量比例控制与组成-温度串级控制相结合的改进控制结构能够有效保证产品纯度在99.9wt%及以上。     

Design and control of butyl acrylate reactive distillation column system

In this study, the design and control of a reactive distillation column system for the production of butyl acrylate has been investigated. The proposed design is quite simple including only one reactive distillation column and an overhead decanter. The optimal design is selected based on the minimization of total annual cost (TAC) for the overall system. At this optimized flowsheet condition, output multiplicity was found with reboiler duty or feed ratio as the bifurcation parameter. The highest purity stable steady state was selected as the base case condition for the control study. The overall control of this system can be achieved with no on-line composition measurements. Simple single-point tray temperature control loop is designed to infer final product purity. From results of dynamic simulation, the proposed control strategy performs very well in rejecting various disturbances while maintaining butyl acrylate product at high purity. One of the important finding in this paper is that it is better to operate this reactive distillation column not at the exact feed stoichiometric balance point for better operability reason. The control performances of the proposed operating point and the operating condition right at the exact stoichiometric balance point will be compared.