隔离壁精馏塔的设计与控制

发布时间：2020-08-06 13:35

【摘要】：虽然隔离壁精馏塔因其较低的设备投资与操作费用而优于传统的直接或者间接分离序列,但是它内部强烈的物质与能量耦合致使其控制特性十分复杂。为了弥补这个缺点,一方面有必要设法在隔离壁精馏塔的综合与设计阶段改善其可控性,另一方面则需要系统地研究隔离壁精馏塔的操作与控制,从而推动它在过程工业中的应用。因为在线浓度分析仪昂贵的价格与严重的时滞使得浓度控制系统在各种过程控制中都很少会使用,所以本文有关隔离壁精馏塔操作与控制部分的研究主要围绕温度推断控制展开,主要研究内容如下所示:1、为了克服黑洞问题(黑洞问题的存在使得无法在隔离壁精馏塔的顶部、中间和底部产品上同时施加四个组分约束,严重影响了隔离壁精馏塔的操作与控制),本文使用了多进料策略来协调预分馏塔与主塔之间的关系并给出了一套系统的流程来推导没有黑洞问题的最优隔离壁精馏塔设计。通过对一个分离乙醇、丙醇和丁醇等摩尔混合物的隔离壁精馏塔的设计与操作的研究,评估了所给出的设计流程。开环与闭环可控性评估的结果都证明了采用多进料策略来克服黑洞问题的有效性。2、本文还尝试使用了进料热状况调整策略来填补黑洞问题,进料热状况的调整是通过安装在进料管道上的一个预热器来实现的。通过对隔离壁精馏塔整体物料与能量平衡的强烈影响,调整进料热状况能够改变预分馏塔与主塔之间的连接物流从而有效协调它们两者之间的关系。基于对一个分离苯、甲苯和邻二甲苯三元混合物的隔离壁精馏塔的研究,检验了进料热状况调整策略的可行性。稳态与动态研究的结果都证明了调整进料热状况能够完全填补黑洞问题从而提升过程的灵活性与可操作性。3、本文提出了一种简化双温差控制策略来实现隔离壁精馏塔的严格产品纯度控制,它包含了 2个温度控制回路与2个双温差控制回路。2个温度控制回路分别调节顶部和底部产品,2个双温差控制回路则分别控制预分馏塔和中间产品。这种设计策略很好地契合了隔离壁精馏塔本身的操作特性,所以有利于它的产品控制以及对操作条件变化的鲁棒性。通过对一个分离理想三元混合物与一个分离苯、甲苯和邻二甲苯三元混合物的隔离壁精馏塔的操作与控制的研究,比较了简化双温差、温差和双温差三种控制策略的性能。虽然简化双温差与温差控制策略所包含的温度传感器数目相同,但是前者因其与后者相差不多甚至更小的产品稳态偏差与更强的抗组分扰动能力而被认为优于后者。虽然简化双温差控制策略的产品稳态偏差与双温差控制策略的相比稍微大一点,但是前者所需的温度传感器数目更少,这使其成为一种有竞争力的隔离壁精馏塔控制策略。通过利用隔板两侧区域已有的温度传感器在公共精馏段与公共提馏段构建温差,简化双温差控制策略还可以被进一步增强,这增加了简化双温差控制策略的多样性。4、本文基于一个被广泛研究的分离苯、甲苯和邻二甲苯三元混合物的隔离壁精馏塔,分析了在每个控制回路均包含不同数目温度传感器的非对称温度控制结构的潜力。在保证四个被控产品纯度(即,顶部、中间和底部产品纯度以及预分馏塔顶部重组分的纯度)严格维持在其稳态设定值的情况下,评估了温度、温差和双温差这三种被控变量在所有种类进料组分扰动下的变化特性,并为每个控制回路挑选出了平均变化量最小的被控变量。结合相互作用分析,得出了三种非对称温度控制方案。闭环评估结果显示,这三种非对称温度控制方案与双温差控制方法相比,瞬态响应相差无几但是稳态性能有所提升。虽然这三种非对称温度控制方案在中间产品纯度上的稳态偏差相对较大,但是这个缺点可以通过在中间控制回路增加两个温度传感器来完全克服。这些发现有力地证明了采用非对称温度控制策略来实现隔离壁精馏塔严格推断控制的可行性与巨大潜力。5、本文提出了一种新的精馏塔双温差控制策略设计方法,它使用新提出的性能指标ASVM(平均绝对变化幅度)来确定每个双温差控制回路中的上、下两个参考板。ASVM测量了在假定完全克服了所有扰动的情况下灵敏板与剩余塔板之间温差的变化情况,从而能够反映出被控产品纯度之间固有的耦合特性。对于每个双温差控制回路,第一个参考板的选择应该以调节与其它控制回路之间的耦合为目的,第二个参考板的选择则应该以协调所包含的两个温差为目的,由此促进对被控产品纯度的预测。基于四个不同的分离实例(一个分离乙醇和丁醇二元混合物的传统精馏塔、两个分离乙醇、丙醇和丁醇三元混合物的传统精馏塔与一个分离乙醇、丙醇和丁醇三元混合物的隔离壁精馏塔),通过与传统设计方法的对比,评估了新提出的设计方法。尽管分别由新方法与传统方法得到的双温差控制方案在动态性能上相差不多,但是前者在被控产品纯度上的稳态偏差比后者更小。这些显著的结果有力地证明了本文提出的新设计方法可用于各种精馏塔的严格温度推断控制。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ053.5
【图文】：

序列,分离序列,三元混合物,序列

逦北京化工大学博士学位论文逦逡逑１．１．１隔离壁精馏塔的发展与特点逡逑当分离三元或者多元混合物时，传统的方法是使用精馏塔分离序列。混合物进料逡逑每经过一个精馏塔只能分离出一个纯组分产品，包含余下组分的混合物则需要进入下逡逑游的精馏塔继续分离，直至分离出所有的纯组分产品。图Ｍ给出了用于分离三元混逡逑合物的直接分离序列和间接分离序列。因为这两种分离序列的每一步分离都需要一套逡逑完整的精馏塔设备，所以整个分离序列的设备投资十分高昂。而且，对于传统的分离逡逑序列，在第一个精馏塔中中间产品在其浓度达到最大值时没有被采出，而是待浓度降逡逑低后由第一个精馏塔的顶部或者底部采出再经过第二个精馏塔来实现分离提纯（也就逡逑是所谓的“反混效应”）［５１，５２］，这导致整个分离序列的热效率较低，操作能耗较高。逡逑

构型,基本的,精馏塔,参照图

还有另外两种基本构型，一种隔板位于精馏塔的底部区域（参照图ｌ－３ａ），另一种隔板逡逑则位于精馏塔的顶部区域（参照图ｌ－３ｂ）［６２’６３］。而且，隔离壁精馏塔的隔壁也可以有不逡逑同的形状（如图１－４所示），它可以偏离中轴线，也可以中间弯折。逡逑逦？逦＜逦＇逦？邋Ａ逦公共精馏段逦爹３逦＆逡逑ＩＶ逡逑Ｓｉ＊邋Ａ／Ｂ逡逑预分离段逡逑谓Ｃ邋，逦逦—逦？逦逦逡逑ＩＩ逦Ｖ邋侧线采出段逡逑＾－ｒ逦公共提馏段逦Ｖ｜逡逑ｎ＝—－￣Ｔ邋＞邋ｃ逦Ｉ逦－０－逦逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图邋１－２邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋塔与邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）Ｐｅｔｌｙｕｋ邋塔，（ｂ）ＤＷＤＣ逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋ｃｏｌｕｍｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）邋Ｐｅｔｉｙｕｋ邋ｃｏｌｕｍｎ，邋（ｂ）邋ＤＷＤＣ逡逑ｒ＾２ｈ逦ｒ＾ｈ邋ｒｔ２ｈ逡逑逦逦？邋？逦逦邋逦逦？逡逑逦？逡逑逦？逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１＿３另外两种基本的ＤＷＤＣ构型逡逑（ａ）底部区域分开顶部区域共用的ＤＷＤＣ，（ｂ）顶部区域分^u底部区域共用的ＤＷＤＣ逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｏｔｈｅｒ邋ｔｗｏ邋ｅｓｓｅｎｔｉａｌ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＤＷＤＣ逡逑（ａ）邋ＤＷＤＣ邋ｗｉｔｈ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｏｖｅｒｈｅａｄ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｄｉｖｉｄｅｄ邋ｂｏｔｔｏｍｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋ＤＷ

精馏塔,参照图,隔板,构型

【参考文献】