李佳琦 司林旭 陸艷萍 張建平 鄭棟彪 熊丹柳

(1.常熟三愛富中昊化工新材料有限公司，江蘇 常熟 215522；2.常熟三愛富氟化工有限責(zé)任公司，江蘇 常熟 215522；3.華東理工大學(xué)，上海 200237)

0 前言

反應(yīng)精餾是一種特殊的精餾技術(shù)，它既包含傳統(tǒng)精餾的傳質(zhì)與分離過程，又具有物質(zhì)消耗與生成的化學(xué)反應(yīng)過程，兩種過程通常在一個(gè)精餾塔設(shè)備中同時(shí)進(jìn)行[1]。反應(yīng)精餾在操作過程中可以及時(shí)分離出中間產(chǎn)物或產(chǎn)品，有效地提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率；同時(shí)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱可以用于精餾過程，有效地降低再沸器的熱負(fù)荷[2]。所以，在當(dāng)下國家提倡綠色環(huán)保工業(yè)生產(chǎn)的大勢之下，反應(yīng)精餾技術(shù)勢必會(huì)在化工生產(chǎn)中扮演重要的角色。

反應(yīng)精餾實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過程與精餾傳質(zhì)分離過程的結(jié)合，與傳統(tǒng)的精餾工藝相比，各操作條件之間具有極強(qiáng)的非線性和耦合性特征，因此，大幅度降低了過程控制的自由度，給實(shí)現(xiàn)工業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)的控制方案的設(shè)計(jì)增加了巨大的難度和挑戰(zhàn)[3]。目前，反應(yīng)精餾廣泛應(yīng)用于酯化、酯交換和醚化等化工領(lǐng)域，并且顯示出了一定的優(yōu)勢。氟化工是化工行業(yè)的重要組成部分，其產(chǎn)品廣泛用于電子、機(jī)械、航天和軍工等領(lǐng)域，現(xiàn)階段關(guān)于氟化工行業(yè)的反應(yīng)精餾技術(shù)的討論還非常少，針對相關(guān)反應(yīng)精餾技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究就更少了。以反應(yīng)精餾合成CFC-113a工藝的穩(wěn)態(tài)模擬的優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了兩種控制結(jié)構(gòu)并進(jìn)行對比分析。

1 反應(yīng)精餾穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化

1.1 穩(wěn)態(tài)建模

基于Aspen Plus繪制的反應(yīng)精餾合成CFC-113的穩(wěn)態(tài)工藝流程如圖1所示。設(shè)備T為反應(yīng)精餾塔，選用Aspen Plus中的Radfrac模型，塔頂采用全凝器，塔底采用釜式再沸器。物流1為反應(yīng)精餾塔的進(jìn)料，其組分為純的CFC-113；物流2為反應(yīng)精餾塔塔頂出料，其組分主要為CFC-114a，可能含有少量的CFC-113和CFC-113a；物流3為塔釜出料，其組分為高純度的CFC-113a，同時(shí)含有極少量的CFC-112。

圖1 基于Aspen Plus繪制的反應(yīng)精餾合成CFC-113的穩(wěn)態(tài)工藝流程

1.2 穩(wěn)態(tài)優(yōu)化結(jié)果

先前使用Aspen Plus軟件對該工藝流程的穩(wěn)態(tài)操作進(jìn)行了模擬和優(yōu)化(本文涉及到的塔板皆為理論板)，計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 各操作參數(shù)的穩(wěn)態(tài)模擬優(yōu)化結(jié)果

通過Aspen Plus對該工藝的穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)CFC-113進(jìn)料量為100 kg/h，進(jìn)料位置為第6塊塔板，反應(yīng)精餾塔操作壓力為0.15 MPa(g)，精餾段、提餾段和反應(yīng)段塔板數(shù)分別為7、8和10，回流比為2時(shí)，反應(yīng)段的轉(zhuǎn)化率為97.8%，產(chǎn)品純度為98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2 反應(yīng)精餾控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制目標(biāo)

以Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬反應(yīng)精餾合成CFC-113a工藝流程的最優(yōu)化結(jié)果為依據(jù)，確定了該系統(tǒng)的控制目標(biāo)：1)塔釜產(chǎn)品出料中CFC-113a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于98%；2)塔頂餾出物中CFC-113a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于10%；3)反應(yīng)段的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率不低于97.8%；4)穩(wěn)態(tài)操作過程具有克服一定范圍內(nèi)干擾的能力。

2.2 控制自由度

在操作過程中，反應(yīng)精餾塔內(nèi)的反應(yīng)過程和傳質(zhì)分離過程同時(shí)進(jìn)行，相互影響、相互依存，過程比常規(guī)精餾復(fù)雜很多[4-5]。在塔結(jié)構(gòu)確定的情況下，該反應(yīng)精餾系統(tǒng)理論上存在多個(gè)可操作變量，包括進(jìn)料量、操作壓力、塔頂回流量、再沸器負(fù)荷、冷凝器負(fù)荷、塔底產(chǎn)品流量和塔頂與塔底組分等。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，并不是被控變量越多越有利于生產(chǎn)，設(shè)置過多的控制回路反而會(huì)影響各自的控制效果，不利于整個(gè)反應(yīng)精餾系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。所以，合理選擇被控變量和控制結(jié)構(gòu)，是反應(yīng)精餾系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本前提。

在生產(chǎn)過程中，當(dāng)精餾塔塔釜的再沸器液位、塔頂回流罐液位和操作壓力作為3個(gè)被控變量時(shí)，該塔僅需另外兩個(gè)被控變量就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)操作。最簡單又直接的方法就是以塔頂餾出物和塔底產(chǎn)品的組分作為被控變量，分別控制該塔的某兩個(gè)操作變量，這樣便可使塔頂和塔底出料的組分符合生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求。但在現(xiàn)實(shí)中組分檢測器的采購成本比較高，而且滯后性嚴(yán)重，所以一般不采用這種“簡便”的控制結(jié)構(gòu)。本文對反應(yīng)精餾系統(tǒng)的被控變量和操作變量進(jìn)行了合理的配對，設(shè)計(jì)出了兩種控制結(jié)構(gòu)，并對它們的控制效果進(jìn)行了科學(xué)的研究和對比。

2.3 溫度靈敏板的選擇

尋找精餾塔的溫度靈敏板的方法通常有斜率判據(jù)、靈敏度判據(jù)和相對增益矩陣(RGA)判據(jù)等。由于斜率判據(jù)和靈敏度判據(jù)存在一定的局限性，故選擇進(jìn)料流量F和再沸器負(fù)荷QB作為操作變量，使用相對增益矩陣法RGA對溫度靈敏板進(jìn)行了配對[6-7]。分別在F和Qs的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上變動(dòng)±0.1%，得到了各塔板的溫度增益值，見圖2和圖3。

圖2 進(jìn)料量F變化(±0.1%)時(shí)各塔板的增益

圖3 再沸器負(fù)荷QB變化(±0.1%)時(shí)各塔板的增益

通過對比可以看出，圖2和圖3出現(xiàn)增益峰值的塔板位置一致，均為第5塊和第27塊塔板。為了實(shí)現(xiàn)操作變量F和QB與溫度靈敏板位置的正確配對，需要引入RGA判據(jù)。假設(shè)該系統(tǒng)的開環(huán)增益矩陣為A，則系統(tǒng)的閉環(huán)增益矩陣為(A-1)T,相對增益矩陣B可表示為A·(A-1)T。對靈敏板溫度增益值與操作變量之間進(jìn)行RGA變換：

經(jīng)變換可以得出如下結(jié)論：第5塊塔板溫度受進(jìn)料量的影響較大，第27塊塔板受再沸器負(fù)荷的影響較大，所以在控制方案設(shè)計(jì)過程中，可以選擇進(jìn)料量控制第5塊塔板的溫度、再沸器負(fù)荷控制第27塊塔板的溫度。

2.4 控制方案建立

2.4.1控制結(jié)構(gòu)CS1

CS1是精餾操作過程中比較常見的控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其基本控制思路為：1)CFC-113的進(jìn)料量F由流量控制器輸出信號控制；2)塔釜液位直接由底部產(chǎn)品出料量控制；3)回流量由第5塊塔板的溫度控制器控制，其輸出信號連接到回流管線上的流量控制閥門；4)再沸器蒸汽用量由第27塊塔板的溫度控制器控制；5)塔的操作壓力通過塔頂冷凝器的冷卻水量控制；6)塔頂回流罐液位由頂部餾出物量控制。

圖4 CS1控制結(jié)構(gòu)

2.4.2控制結(jié)構(gòu)CS2

根據(jù)之前溫度靈敏板與操作變量關(guān)系的討論結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新的控制結(jié)構(gòu)CS2，如圖5所示。它的控制思路與CS1的不同之處在于：1)CFC-113進(jìn)料量F直接由第5塊塔板的溫度控制器控制，該控制器的輸出信號傳輸至CFC-113的進(jìn)料閥門；2)在塔頂回流量和餾出物流量之間設(shè)置了比例控制器，回流罐內(nèi)液體按餾出物量的一定比例回流至塔內(nèi)。

圖5 CS2控制結(jié)構(gòu)

3 模擬結(jié)果對比

基于Aspen Plus對該反應(yīng)精餾系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果，使用Aspen Dynamics軟件依次對控制結(jié)構(gòu)CS1和CS2建模分析，通過對流量進(jìn)行擾動(dòng)(±10%)，分別研究兩個(gè)控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1 CS1的動(dòng)態(tài)分析

圖6為進(jìn)料流量(±10%)擾動(dòng)下控制結(jié)構(gòu)CS1的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)料流量(±10%)的擾動(dòng)時(shí)間發(fā)生在1 h。由圖6(a)可見，當(dāng)進(jìn)料流量F減少10%時(shí)，產(chǎn)品純度在較短時(shí)間內(nèi)上升，出現(xiàn)峰值后呈小幅度的下降，在3 h左右的時(shí)候基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6(b)可見，在擾動(dòng)初期，再沸器負(fù)荷下降較快，并于3 h多時(shí)出現(xiàn)波谷，隨后出現(xiàn)小幅度上升的現(xiàn)象，最后在4 h左右時(shí)基本達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)。

由圖6(a)可見，當(dāng)進(jìn)料流量F增加10%時(shí)，產(chǎn)品純度在初期下降較快，在2 h多的時(shí)候開始觸底反彈，最后在3 h不到時(shí)就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)，但最終產(chǎn)品的純度比初始值還是有一定的下降。因?yàn)檫M(jìn)料量的增加，導(dǎo)致塔內(nèi)副反應(yīng)增多，從而降低了塔底出料中產(chǎn)品的純度。由圖6(b)可見，再沸器熱負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不是很理想，在初期就出現(xiàn)了比較大的震蕩。雖然隨著時(shí)間的推移，震蕩有所減弱，但在15 h內(nèi)并未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由此可見，控制結(jié)構(gòu)CS1在該反應(yīng)精餾系統(tǒng)的表現(xiàn)欠佳。

圖6 進(jìn)料流量(±10%)擾動(dòng)下控制結(jié)構(gòu)CS1的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3.2 CS2的動(dòng)態(tài)分析

圖7為進(jìn)料流量(±10%)擾動(dòng)下控制結(jié)構(gòu)CS2的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由圖7(a)可見，當(dāng)進(jìn)料流量F減少10%時(shí)，產(chǎn)品純度上升趨勢比較明顯，大約在3 h時(shí)達(dá)到峰值，之后降低趨勢明顯，從4.5 h開始達(dá)到穩(wěn)態(tài)。而與CS1控制情況不同的是：CS2控制下產(chǎn)品純度的穩(wěn)態(tài)值十分接近設(shè)定值98%。由圖7(b)可知，初始階段的再沸器負(fù)荷快速下降，在3.6 h時(shí)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)值較初始值有一定幅度的下降。

由圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)料量F增加10%時(shí)，產(chǎn)品純度先降低后升高，在4.6 h時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)值接近設(shè)定值98%。由圖7(b)可以看出，對于再沸器而言，進(jìn)料量增加10%時(shí)，擾動(dòng)初期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)了比較強(qiáng)烈的震蕩。隨著時(shí)間的推移，震蕩慢慢變平緩，從12 h開始就完全處于穩(wěn)定狀態(tài)了。

圖7 進(jìn)料流量(±10%)擾動(dòng)下控制結(jié)構(gòu)CS2的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

4 結(jié)論

通過Aspen Dynamics軟件對比分析了控制結(jié)構(gòu)CS1和CS2。結(jié)果表明：無論進(jìn)料流量F增加10%還是減少10%，CS2控制下的CFC-113a產(chǎn)品純度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)均能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并且余差很小。在CS2控制下，當(dāng)進(jìn)料流量F增加10%時(shí)，雖然再沸器負(fù)荷在擾動(dòng)初期出現(xiàn)了劇烈的震蕩，但還是能克服干擾，最終實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。因此，對于反應(yīng)精餾合成CFC-113a的工藝流程，CS2控制下生產(chǎn)的產(chǎn)品純度不僅滿足設(shè)計(jì)要求，控制穩(wěn)定性也優(yōu)于CS1。