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甲醇精餾是甲醇生產(chǎn)中的重要處理工序，甲醇精餾中最主要的設(shè)備一般是由精餾塔、再沸器、冷凝器、回流罐等組成，其中精餾塔是最主要的設(shè)備，在過程控制中精餾塔作為被控對(duì)象是一個(gè)多輸入、多輸出的多變量對(duì)應(yīng)關(guān)系的復(fù)雜過程[1,2]，而精餾塔的出料是最終產(chǎn)品或者是下一工段的原料，所以，精餾塔的控制品質(zhì)的好壞直接影響到整個(gè)工藝過程生產(chǎn)的成敗，精餾塔的控制方案的研究由此也顯得極為重要。精餾塔要求進(jìn)料、回流和溫度在相對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行操作，因此熱量輸入應(yīng)該控制在相應(yīng)的恒定值[3]。根據(jù)精餾工藝的不同，精餾塔熱量輸入的控制方案也有很大的差異。溫度控制隨著化工工藝日益復(fù)雜，工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)度增強(qiáng)，常規(guī)的PID控制難以做到實(shí)時(shí)有效的控制，谷玉凱、王華強(qiáng)[4]等人將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器應(yīng)用在精餾塔溫度控制上實(shí)現(xiàn)了精餾塔的智能控制;高軍禮、陳瑋[5]等人用串級(jí)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案解決精餾塔底溫度具有的大純滯后、大慣性時(shí)間常數(shù)且難以控制的特點(diǎn)。而將熱焓控制用于維持精餾塔塔釜熱量恒定的研究相對(duì)較少。

1 甲醇三塔精餾工藝介紹

本文以粗甲醇三塔精餾流程工藝為背景，工藝主要設(shè)備包括：預(yù)塔(T-01)、加壓塔(T-02)、常壓塔(T-03)。

工藝流程圖見圖1。

圖1 甲醇三塔精餾工藝流程圖

精餾預(yù)塔底部出料工藝流程見圖2。

圖2 精餾預(yù)塔底部出料工藝流程圖

0.5MPa(A)下的低壓蒸汽進(jìn)入預(yù)塔蒸汽再沸器E-01與預(yù)塔的出料進(jìn)行換熱，而蒸汽冷凝再沸器E-02利用來自加壓塔T-02再沸器(E-05 A/B)的低壓冷凝液為預(yù)塔T-01提供熱量，以降低加熱蒸汽量的消耗。預(yù)塔底部與甲醇泵相連接，將預(yù)塔底部已分離出輕組分雜質(zhì)和溶解氣體的甲醇通過甲醇泵加入到甲醇?jí)毫λ-02[6]。

2 預(yù)塔熱焓控制方案設(shè)計(jì)

熱焓指的是由于溫差的存在而導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化過程中所轉(zhuǎn)移的能量，熱焓控制是保持某物料的熱焓為定值或按一定的規(guī)律變化的操作[7]。預(yù)塔T-01利用來自加壓塔蒸汽冷凝液和低壓蒸汽的熱量來保持精餾塔底部溫度在操作點(diǎn)處。精餾塔的冷凝是一個(gè)穩(wěn)定的過程，但是實(shí)際工況下會(huì)受到諸多外界因素如進(jìn)料流量和物料溫度等的干擾。本文根據(jù)甲醇精餾工藝中再沸器液相進(jìn)料形成氣液混合物的特點(diǎn)，其熱焓與溫度之間沒有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用熱焓控制維持精餾塔平穩(wěn)操作。

預(yù)塔蒸汽冷凝再沸器E-02的熱供給來自加壓塔的再沸器 E-05A/B出來的冷凝液，冷凝液的溫度取決于加壓塔的負(fù)荷。熱負(fù)荷的公式如下：

熱負(fù)荷(W)=質(zhì)量流量×比熱容×溫差

(1)

蒸汽凝液以飽和狀態(tài)進(jìn)入再沸器，而后與再沸器換熱降溫，溫降的變化即是與預(yù)塔換熱產(chǎn)生，凝液從飽和態(tài)降到了過冷狀態(tài)，進(jìn)一步利用這部分熱量。將E-02的進(jìn)出口溫度檢測(cè)后做差值，由工藝數(shù)據(jù)可知冷凝液的比熱容為4.3 J/(kg·K)以得到熱恒定值，熱恒定值乘以質(zhì)量流速得到E-02的熱負(fù)荷，公式如下：

HeatLoadE-02=Fmass×(Tinlet-Toutlet)×4.3

(2)

來自再沸器E-01的熱負(fù)載等于出口流量乘上特定的熱常數(shù)2.013 MJ/kg，此外，E-01的進(jìn)口介質(zhì)為飽和低壓蒸汽(溫度為180℃)，按上述方法計(jì)算得到E-01的熱負(fù)荷為：

HeatLoadE-01=Fmass×2.023+Fmass×(180℃-Toutlet)×4.3

(3)

公式(2)、(3)中HeatLoadE-01、HeatLoadE-02分別為換熱器E-01和E-02的熱負(fù)荷，F(xiàn)mass即為質(zhì)量流量，該變量為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值，Tinlet、Toutlet為再沸器的進(jìn)出口溫度，由現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器測(cè)量給出。

預(yù)塔T-01的總熱負(fù)荷值等于換熱器E-01和E-02之和，得到的值將作為T-01熱焓控制的測(cè)量值，熱焓控制采用串級(jí)控制，主控制回路為熱焓控制，副回路控制為E-01的冷凝液流量控制。精餾預(yù)塔塔釜熱焓控制方案見圖3。

圖3 精餾預(yù)塔塔釜的熱焓控制方案圖

若來自E-01或E-02的熱焓供給降低，即主回路的測(cè)量值下降，來自E-01的低壓蒸汽流量會(huì)增大以增加預(yù)塔的熱供給。

3 基于Aspen軟件的精餾塔熱焓控制仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 Aspen Plus中建立預(yù)塔T-01穩(wěn)態(tài)精餾體系

圖4為預(yù)塔T-01在Aspen Plus軟件界面中的穩(wěn)態(tài)工藝流程圖。預(yù)塔T-01的作用是將揮發(fā)性雜質(zhì)如二甲醚、甲醛和可溶性惰性氣體從粗甲醇中脫除。仿真進(jìn)料雜質(zhì)主要為二甲醚，以塔頂和塔底出料中丙酮的含量作為精餾質(zhì)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)料的組份為三元進(jìn)料[8]，分別是粗甲醇和二甲醚。

圖4 預(yù)塔T-01的Aspen Plus穩(wěn)態(tài)工藝流程圖

預(yù)塔塔頂主要除去輕組分，如微量的H2、CO、少量的水、甲醇、二甲醚、丙酮、甲酸甲酯和CO2。其中，微量的H2、CO和CO2等不凝氣去火炬或作為燃料氣；二甲醚、甲酸甲酯和丙酮等作為輕油相通過用水萃取去除，進(jìn)入雜醇油罐。

整個(gè)精餾過程中各個(gè)組分的摩爾分率的變化趨勢(shì)見圖5。

圖5 精餾過程各個(gè)組分的摩爾分率變化趨勢(shì)

仿真收斂后精餾預(yù)塔塔頂出料中二甲醚0.92mol%，甲醇為0.053mol%，水為0.025mol%；塔底粗甲醇產(chǎn)物中甲醇為0.26mol%，水為0.74mol%，二甲醚為0.002mol%，無丙酮及其它沸點(diǎn)更輕的物質(zhì)，已達(dá)到作為壓力塔T-02的進(jìn)料的純度，實(shí)現(xiàn)了三塔精餾工藝中預(yù)塔T-01的功能。橫坐標(biāo)為精餾塔塔板數(shù)，縱坐標(biāo)為物料的摩爾分率以表示各物料在各塔板上的成分變化。

3.2 熱焓控制策略在Aspen Dynamic中的實(shí)現(xiàn)

熱焓控制的實(shí)質(zhì)是一種串級(jí)控制，見圖6。

圖6 預(yù)塔T-01塔釜熱焓控制方案圖

流量控制器FIC-1104所在的控制回路為副回路，用來克服流量帶來的擾動(dòng)，其控制器的設(shè)定值來自于飽和低壓蒸汽的熱焓計(jì)算，熱焓控制的優(yōu)勢(shì)在于可根據(jù)精餾塔穩(wěn)定時(shí)的熱焓值，克服精餾過程中擾動(dòng)引起的低壓飽和蒸汽的熱焓值的波動(dòng)，從而為精餾塔提供穩(wěn)定的熱源供給，操作變量為載熱體的流量，仿真通過改變飽和低壓蒸汽的溫度和流量，觀察熱焓控制的控制品質(zhì)。

以改變飽和低壓蒸汽進(jìn)料溫度作為擾動(dòng)，溫度改變后，相關(guān)變量的變化趨勢(shì)見圖7。

圖7 熱焓控制中相關(guān)變量的變化趨勢(shì)

蒸汽的溫度由170℃變?yōu)?90℃之后變?yōu)?50℃，再回到初始值，整個(gè)變化過程中，蒸汽的進(jìn)料流量也會(huì)相應(yīng)的變化，當(dāng)蒸汽溫度由170℃變?yōu)?90℃時(shí)，蒸汽進(jìn)料流量降低，塔釜的熱負(fù)荷相應(yīng)的降低，為保證熱負(fù)荷恒定，熱焓控制回路會(huì)降低蒸汽出料流量，使得熱負(fù)荷回到設(shè)定值，整個(gè)過程中，預(yù)塔出料產(chǎn)品中乙二醇的摩爾分率都控制在工藝可接受的范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

常規(guī)溫度控制方案見圖圖8。

圖8 預(yù)塔T-01塔釜常規(guī)溫度控制方案圖

下面利用與熱焓控制相同的擾動(dòng)對(duì)溫度控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真測(cè)試，觀察兩種控制策略的差異。

仿真常規(guī)的溫度控制之前，需找到預(yù)塔的靈敏塔板，即該塔板的溫度對(duì)外界干擾因素的反映最靈敏。將感溫元件安置在靈敏板上對(duì)精餾塔進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)以穩(wěn)定精餾塔熱量供給[9]。

預(yù)塔T-01各塔板的溫度特性曲線見圖9。

圖9 預(yù)塔T-01各塔板的溫度特性曲線

可以看出第10塊塔板為靈敏塔板，溫度控制檢測(cè)預(yù)塔第10塊塔板的溫度，并相應(yīng)的控制飽和低壓蒸汽進(jìn)料流量組成簡(jiǎn)單的單回路溫度控制方案。

同樣以改變飽和低壓蒸汽進(jìn)料溫度作為擾動(dòng)，預(yù)塔第10塊塔板溫度控制器輸出曲線見圖10。

圖10 預(yù)塔第10塊塔板溫度控制器輸出曲線圖

從曲線的變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，蒸汽進(jìn)料的溫度向下波動(dòng)，預(yù)塔第10塊塔板上的溫度并沒有回到設(shè)定值。因溫度與熱焓之間并不成單值對(duì)應(yīng)的關(guān)系，控制器的輸出不能較好的控制溫度，從而說明了單純的以塔板溫度控制塔釜的熱量供給不可行。

4 仿真結(jié)果討論

以相同的擾動(dòng)測(cè)試常規(guī)的溫度控制和熱焓控制對(duì)塔釜熱量供給控制的有效性，由仿真的結(jié)果相互對(duì)比可以看出熱焓控制的優(yōu)勢(shì)和有效性。

根據(jù)塔板溫度控制蒸汽進(jìn)料流量的控制方案只能解決換熱器的物料進(jìn)出狀態(tài)相同的情況，實(shí)際生產(chǎn)工況下，溫度與熱焓之間沒有單值關(guān)系，采用溫度控制意義不大，也無法控制最佳蒸汽用量。而熱焓控制的最終目的并不是根據(jù)某一塊塔板的溫度來控制載熱體的流量，而是根據(jù)精餾塔初始的熱焓值，克服因加熱介質(zhì)(蒸汽)溫度等變量變化而引起的熱焓值的波動(dòng)，在保證精餾品質(zhì)的前提下，保持整個(gè)精餾過程中精餾塔熱焓值的穩(wěn)定，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)甲醇三塔精餾預(yù)塔T-01的工藝特點(diǎn)，在精餾控制中使用了熱焓控制，通過與精餾塔的常規(guī)溫度控制的對(duì)比,驗(yàn)證了熱焓控制方案的優(yōu)勢(shì)；通過仿真驗(yàn)證了熱焓控制方案的可行性和有效性，在滿足精餾工藝要求的同時(shí)，較好地控制了蒸汽用量，在保證精餾品質(zhì)的同時(shí)，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。本文所研究的熱焓控制方案對(duì)甲醇精餾控制的工業(yè)應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。