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。     

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。     

带有中间储罐的间歇精馏工艺动态控制模拟优化

甲酸甲酯-甲醇-水是化工生产过程中最常见的三元混合物之一。目前,间歇精馏工艺分离该三元混合物的研究较少,在动态控制方面也少有报道。本文研究了分离甲酸甲酯-甲醇-水的带有中间储罐的间歇精馏工艺动态控制模拟优化。利用Aspen Plus和Aspen Plus Dynamics软件,在稳态模拟的基础上,分别考察了液位控制结构和组分控制结构两种控制方案。结果表明,液位控制结构控制性能较差,达到稳定后甲醇和水的纯度较低。组分控制结构虽能提高产品纯度,但出现了较为严重的振荡现象。根据对组分控制结构的动态响应分析,本文提出了一种改进的组分控制结构,该控制结构能实现带有中间储罐的间歇精馏工艺的稳健控制,使各产品纯度得到提高。     

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。     

变压精馏分离乙醇-氯仿共沸物的动态特性

基于乙醇-氯仿二元共沸体系的压力敏感特性,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,所得乙醇和氯仿产品纯度均大于99.9%(质量分数).利用稳态模拟考察了不同热集成变压精馏工艺的经济性.利用Aspen Dynamics软件考察了不同热集成变压精馏工艺的动态特性,建立了不同热集成变压精馏工艺的稳健控制方案.结果表明:完全热集成工艺与无热集成和部分热集成工艺相比,经济性最优;组成-温度串级控制结构可较好地控制无热集成和部分热集成流程,压力-补偿温度控制结构在完全热集成工艺中可实现稳健的控制;虽然完全热集成工艺经济性最优,但部分热集成工艺的可控性优于完全热集成工艺.本文研究对工业分离含低碳醇的二元共沸物热集成变压精馏工艺有一定的参考价值.     

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。     

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。     

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。     

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。     

Dynamic control analysis of interconnected pressure-swing distillation process with and without heat integration for separating azeotrope

Dynamic controls of pressure-swing distillation with an intermediate connection(PSDIC) process of ethyl acetate and ethanol separation were investigated.The double temperature/composition cascade control structure can perfectly implement effective control when ±20% feed disturbances were introduced.This control structure did not require the control of the flowrate of the side stream.The dynamic controllability of PSDIC with partial heat integration(PHIPSDIC) was also explored.The improved control structure can effectively control ±20% feed disturbances.However,in industrial production,simple controller,sensitive and easy to operate,is the optimal target.To avoid the use of component controllers or complex control structure,the original product purities could be maintained using the basic control structure for the PSDIC process if the product purities in steady state were properly increased,albeit by incurring a slight rise in the total annual cost(TAC).This alternative method without a composition controller combined with the energy-saving PSDIC process provides a simple and effective control scheme in industrial production.     

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.     

萃取精馏分离苯/环己烷共沸体系的控制策略

将常规萃取精馏、差压热耦合萃取精馏以及隔壁塔萃取精馏技术应用于以糠醛为萃取剂的苯和环己烷共沸物分离过程。在稳态模型的基础上,利用Aspen Dynamics软件进行控制研究,对三工艺流程提出了若干控制策略。结果表明,对于常规萃取精馏过程,再沸器热负荷与进料量比值控制结构在降低控制过程超调量方面表现出明显优势;对于差压热耦合萃取精馏过程,带有压力-补偿控温策略的方案控制效果更佳;而对于隔壁塔,则选择了无隔板下方气液分离比控制的结构来作为较优的控制策略。     

醋酸甲酯和甲醇热集成变压精馏分离工艺模拟与优化

基于对醋酸甲酯与甲醇二元共沸特性的分析,提出热集成变压精馏分离醋酸甲酯和甲醇的工艺. 利用Aspen Plus软件对该分离过程进行模拟,以NRTL活度系数方程为物性计算方法,其二元相互作用参数由气液相平衡数据回归,分析了加压塔和常压塔的理论板数、进料位置及回流比对分离效果的影响,并进行了能耗比较. 结果表明,该工艺能很好地分离醋酸甲酯和甲醇,较佳的工艺条件为：加压塔操作压力909 kPa,理论板数32,第21块板进料,回流比4.2,塔釜醋酸甲酯纯度99.8%;常压塔操作压力101 kPa,理论板数30,第20块板进料,回流比4.6,塔釜甲醇纯度99.0%. 与常规变压精馏相比,热集成变压精馏可节能达45.8%;与以水为萃取剂的萃取精馏分离工艺相比,热集成变压精馏分离工艺更适合醋酸甲酯与甲醇体系的分离.     

反应精馏隔壁塔生产乙酸正丁酯的优化与控制

对反应精馏隔壁塔生产乙酸正丁酯过程进行了模拟、优化与控制的系统研究。利用Aspen Plus软件模拟乙酸甲酯与正丁醇的酯交换反应过程,以年总费用（TAC）为目标函数进行过程优化,通过稳态敏感性分析及相对增益矩阵（RGA）判据得到不同的操纵变量与控制变量匹配关系,以此为基础,在Aspen Dynamics平台建立了若干控制结构并进行分析对比。结果表明,利用两股反应物呈比例进料可较为有效地抵抗进料扰动,最后提出的无再沸器热负荷与混合物进料量比值（Q_r/F）控制的改进控制结构CS3,在降低反应精馏隔壁塔控制过程超调量方面有较大的优越性。     

二异丁烯反应精馏生产过程控制策略设计

二异丁烯是一种重要的化工中间体,近年来研究者提出了以催化裂化C₄为原料、采用反应精馏技术同时生产高纯二异丁烯和汽油添加剂的新工艺。由于反应精馏过程中非线性程度高,稳定控制困难,使得采用反应精馏技术生产二异丁烯过程的控制策略研究较少。采用Aspen dynamic软件进行动态模拟,针对反应精馏生产二异丁烯过程开发了温度控制方案、组分温度联合控制方案和组分温度串级控制方案。对3个控制系统进行（±10）%的进料流量扰动和（±5）%组成扰动测试并进行对比。结果表明：组分温度串级控制方案在添加扰动的情况下依然保证了二异丁烯质量分数99%,三异丁烯质量分数小于10%以及异丁烯转化率大于99%的要求,并且最终稳定时间约5 h,具有更好的抗干扰性能。研究结果能够为二异丁烯产品的生产工艺工业化应用提供设计依据。     

含少量水与低碳醇的异丁醇物系精馏工艺设计

共沸精馏通常加入溶剂以改变组分间相对挥发度实现分离。利用工程软件Aspen Plus模拟异丁醇-水、正丙醇-水、异丙醇-水、乙醇-水、异丁醛-水等组分常压共沸组成,模拟计算结果和文献值相符,并在三角相图上利用剩余曲线和进料点进行精馏方案设计。在给定进料条件下,对于异丁醇-水及低碳醇-水共沸物系精馏方案,不加入共沸剂亦可得到合格的塔顶、塔釜产品。     

变压精馏分离甲醇-丙酮的工艺模拟及优化

采用Aspen Plus软件,以塔釜能耗为目标,以甲醇、丙酮纯度为约束函数,对双效变压精馏分离甲醇-丙酮工艺过程进行模拟。分析了操作压力、理论板数、回流比、进料位置和进料温度等参数对精馏过程的影响。确定了最优工艺参数：减压塔操作压力40 kPa,理论板数37,回流比2.4,进料塔板数26,进料温度25 ℃;常压塔理论板数30,回流比4.2,进料塔板数23。减压塔所得甲醇质量分数为99.0%,常压塔所得丙酮质量分数为99.7%。对比变压精馏和萃取精馏过程,变压精馏更容易得到高纯度丙酮产品,节能约13.4%。模拟结果对工业设计和设备改造具有一定指导意义。