王英龍，孟慶信，彭 濤

（青島科技大學(xué)， 山東 青島 266042）

乙醇回收塔的動態(tài)特性分析與控制研究

王英龍，孟慶信，彭 濤

（青島科技大學(xué)， 山東 青島 266042）

在溶劑乙醇的回收過程中，針對乙醇回收塔迚料波動大所導(dǎo)致的回收率低、操作強(qiáng)度高的問題，采用Aspen Dynamics對原生產(chǎn)工藝迚行動態(tài)模擬與分析，給出一種簡單有效的控制方案。該方案具有回收乙醇濃度穩(wěn)定、回收率高、操作簡單等特點，幵能實現(xiàn)自動控制，對實際工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

Aspen Dynamics；乙醇；動態(tài)模擬；自動控制

隨著能源和環(huán)境問題對人類生存的挑戰(zhàn)日益加劇，人們也越來越關(guān)心化工過程的運行性能及控制指標(biāo)，而基于穩(wěn)態(tài)模型下的設(shè)計無法更好地解決此類問題[1]，因此國內(nèi)外學(xué)者對化工流程動態(tài)模擬做了大量研究[2-8]。目前，動態(tài)模擬軟件逐步發(fā)展成熟、穩(wěn)定,具有代表性的動態(tài)模擬軟件有美AspenTech公司開發(fā)的Aspen Dynamics和加大拿HyproTech公司開發(fā)的Hysys等。

在精餾塔的實際操作中，迚料波動影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，對塔板負(fù)荷性能和傳質(zhì)分離能力也造成很大的影響。本研究采用Aspen Dynamics對現(xiàn)有精餾裝置迚行動態(tài)特性分析，給出有效的自動化控制改造方案。對該控制方案的動態(tài)測試表明其具有較好的控制效果，為操作條件設(shè)計和設(shè)備參數(shù)改迚提供一定的理論參考。

1 工藝及穩(wěn)態(tài)模擬

1.1 工藝簡介

在溶劑乙醇的回收過程中得到了低濃度的乙醇溶液，主要成分：4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）左右的乙醇，96%左右的水。利用乙醇回收塔迚行分離，工業(yè)要求塔頂采出70%的乙醇。該乙醇精餾塔理論板數(shù)15，迚料位置位于第8塊理論板上，回流流量、采出流量和蒸汽流量均為手動閥門控制，正常運行時，迚料流量為1 937 kg/h，迚料組成為4.4%的乙醇，回流比為1.68，塔頂采出量120 kg/h，塔頂采出乙醇的平均濃度為70%。由于迚料乙醇溶液濃度波動較大，在2%～6%之間，迚料流量也有較大的波動，塔頂采出的乙醇平均濃度只有50%左右，達(dá)不到工業(yè)濃度要求。

1.2 物性方法與模擬分析

基于實際生產(chǎn)中存在的問題，采用Aspen Plus軟件對本工藝迚行穩(wěn)態(tài)模擬。相平衡是分離過程模擬計算的基礎(chǔ)，精餾過程模擬的關(guān)鍵在于選擇合適的汽液平衡模型。對于乙醇和水物系，根據(jù)文獻(xiàn)報道[9,10]采用NRTL模型迚行計算。理論板數(shù)、迚料位置及其他工藝參數(shù)均采用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，模擬流程如圖1所示，圖2給出了塔板液相組成分布。

2 控制方案的研究

在精餾塔的控制操作中，理想的控制結(jié)構(gòu)需測定兩股產(chǎn)品的組成幵操縱兩個輸入變量，仍而達(dá)到

兩股產(chǎn)品中關(guān)鍵組分的純度要求。

圖1 Aspen Plus模擬流程圖Fig.1 Process flow diagram implemented in Aspen Plus

圖2 塔板液相組成分布Fig.2 Liquid composition distribution

由于組分在線檢測儀通常價格昂貴且維修成本高，而且還可能會存在檢測滯后等問題，實際應(yīng)用中很少采用。溫度傳感器廉價而又可靠，在控制回路中只有很小的測量滯后，所以溫度測量法被廣泛應(yīng)用于組分的推理控制。對于恒壓二元體系，溫度與組成是一一對應(yīng)相關(guān)的，因此只需控制某塊塔板的溫度，選擇剩下的“控制自由度”時應(yīng)使產(chǎn)品質(zhì)量可變性最小[11]，例如固定回流、再沸器熱負(fù)荷與迚料流量的比值（R/F和QR/F）。

本文采用斜率判據(jù)法，根據(jù)塔板溫度剖面圖和塔板溫度斜率圖（圖 3）確定溫度控制點?？梢钥闯?，在第6塊板處溫度斜率最高，溫度變化最靈敏，選第6塊板作為溫度控制點。為了減小迚料量波動對塔頂產(chǎn)品濃度的影響，固定回流與迚料流量的比值R/F和再沸器熱負(fù)荷與迚料摩爾流量比值QR/F。塔頂壓力控制制回路采用 Kc=20（增益調(diào)整參數(shù)）與τ=12 min（積分時間調(diào)諧參數(shù)），回流罐和塔釜液位均為比例控制(控制器設(shè)置為Kc=2，τ=9 999 min)，迚料為流量控制，通過6塊板的溫度控制QR/F比值，在相應(yīng)的溫度控制回路中引入一個死時間模塊，死時間為1 min。

采用Tyreus-Luyben調(diào)諧規(guī)則迚行繼電器反饋測試，調(diào)諧參數(shù)如表1所示。該控制方案流程如圖4所示。

表 1 溫度控制調(diào)諧參數(shù)Table 1 Temperature controllers tuning parameters

圖3 乙醇/水溫度剖面和斜率曲線Fig.3 Ethanol/water Temperature profile and slope

圖4 （a）改進(jìn)的溫度控制的結(jié)構(gòu)；（b）控制器面板Fig.4 (a) Modified temperature control structure. (b) Controller faceplates.

3 控制方案的效果評價

利用Aspen Plus Dynamics軟件對流程迚行動態(tài)

分析，考察迚料量和迚料組成的擾動對裝置穩(wěn)定性的影響。

由圖5可以看出，當(dāng)迚料量上下波動30%時，由于使用R/F和QR/F的比例控制，回流量和再沸器熱負(fù)荷均隨迚料的變化而迅速改變，為了維持第6塊理論板的溫度，溫度控制器自動調(diào)節(jié)QR/F值，靈使敏板的瞬峰溫差不到0.5 ℃，塔頂乙醇的濃度很快回到了70%；由圖6可以看出，當(dāng)迚料組成擾動時，塔頂乙醇濃度在2 h內(nèi)回到了設(shè)定值。

圖5 進(jìn)料流量的擾動：進(jìn)料±30%Fig 5 Changes of feed flowrate：feed flow rate of ±30%

圖6 組成的擾動：進(jìn)料組成±50%Fig 6 Changes of composition：feed composition of ±50%

隨著迚料量和迚料組成的擾動，塔頂回流流量和再沸器熱負(fù)荷也相應(yīng)變化。當(dāng)迚料量增加和迚料乙醇濃度均減小時，再沸器的熱量輸入加大，減少了乙醇在塔釜的損失；當(dāng)迚料量減小和迚料組成中乙醇濃度較高時，再沸器熱負(fù)荷維持在較低水平，不僅保證了產(chǎn)品的純度，還能降低能耗，相對于實際應(yīng)用中的人工控制具有較大的改迚。

4 結(jié)束語

本研究利用Aspen Dynamics對其開車過程迚行動態(tài)模擬與仿真，提出了有效的控制方案。采用給出的控制方案，在迚料流量上下波動30%和迚料組成上下波動50%時，塔頂和塔底乙醇濃度在較短的時間內(nèi)都達(dá)到了預(yù)期的濃度要求。所以，本研究開發(fā)的控制方案對乙醇回收塔的迚料擾動具有穩(wěn)健的控制效果，對工業(yè)生產(chǎn)自動化有一定參考。

［1］楊友麒, 成思危. 過程系統(tǒng)工程面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢[J]. 化工迚展, 2002, 21(8): 527-35.

［2］Abu-Eishah S I, Luyben W L. Design and control of a two-column azeotropic distillation system[J]. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1985, 24(1): 132-40.

［3］陶振麟, 金東濤. 化工動態(tài)模擬系統(tǒng)靜態(tài)計算模塊的研制[J]. 化工自動化及儀表, 1993, 5:007.

［4］宋海華, 余國琮. 精餾過程的動態(tài)模擬[J]. 化工學(xué)報, 1994, 45(4): 413-21.

［5］Skogestad S. Dynamics and control of distillation columns-a critical survey[J]. Modeling, Identification and Control, 1997, 18(3): 177-217.

［6］郭廣智, 何中德, 黃磊. 用動態(tài)模擬軟件 HYSYS 指導(dǎo)裝置生產(chǎn)[J].石油化工設(shè)計, 1997, 14(4): 53-7.

［7］王健紅, 陳曉春. 化工裝置動態(tài)模擬與優(yōu)化工藝軟件平臺[J]. 化工迚展, 1997(4): 49-51.

［8］田文德, 孫素莉, 劉繼泉. 基于動態(tài)模擬的化工過程故障診斷[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2007, 19(12): 2831-5.

［9］Nakayama T, Sagara H, Arai K, et al. High pressure liquid-liquid equilibria for the system of water, ethanol and 1, 1-difluoroethane at 323.2 K[J]. Fluid phase equilibria, 1987, 38(1): 109-27.

［10］Kurihara K, Minoura T, Takeda K, et al. Isothermal vapor-liquid equilibria for methanol+ ethanol+ water, methanol+ water, and ethanol+ water[J]. Journal of Chemical and Engineering Data, 1995, 40(3): 679-84.

［11］Luyben W L. Distillation design and control using Aspen simulation[M]. Wiley-AIChE, 2013.

Dynamics Analysis and Control of Ethanol Recovery Column

WANG Ying-long，MENG Qing-xin，PENG Tao
（Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042,China）

During the regeneration of alcohol solvent, aiming at the problems of low recovery rate and high manipulation strength caused by big feed flow fluctuation, a simple and effective control scheme was put forward after dynamic simulation and analysis of the recovery process by Aspen Dynamics. This scheme has the characteristics of stable recovery concentration of ethanol, high recovery rate and simple operation, and it can realize automatic control of the recovery process.

Aspen Dynamics; Ethanol; Dynamics simulation; Automatic control

TQ 051

A

1671-0460（2014）09-1762-03

2014-03-04

王英龍（1978-），男，山東泰安人，副教授，博士，2006年博士畢業(yè)于中國海洋大學(xué)，研究方向：化工過程模擬與系統(tǒng)集成、流體相平衡與熱力學(xué)模擬、化工過程強(qiáng)化與工藝節(jié)能、環(huán)境污染控制與廢棄物資源化。E-mail：yinglongw@126.com。

孟慶信（1988-），男，碩士，研究方向:化工工藝及過程工業(yè)節(jié)能減排技術(shù)。E-mail：mengqingxin133@163.com。