吳 昊，沈本賢，華 濤，邱 潔，凌 昊

（華東理工大學(xué) 化工學(xué)院 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

化工過(guò)程強(qiáng)化是化學(xué)工程發(fā)展的重要趨勢(shì)之一［1-3］。分壁精餾塔（DWC）是典型的化工強(qiáng)化設(shè)備，能夠大幅降低精餾過(guò)程的能耗和設(shè)備投資。BASF公司在1985年將DWC用于工業(yè)生產(chǎn)［4-5］。該領(lǐng)域內(nèi)很多專(zhuān)利由BASF和Montz公司擁有［6-7］。Ruiz等［8］將精餾塔開(kāi)車(chē)分為三個(gè)階段，Yasuoka等［9-12］發(fā)表了減少精餾塔開(kāi)車(chē)時(shí)間的研究文章，Barolo等［13-14］提出并優(yōu)化了精餾塔的開(kāi)車(chē)程序，Werle等［15］在2009年提出了多段分散加熱的開(kāi)車(chē)方法。但關(guān)于DWC開(kāi)車(chē)過(guò)程的模擬尚未有文獻(xiàn)提及。

苯、甲苯和二甲苯（BTX）是有機(jī)化學(xué)工業(yè)的重要原料，而它們主要來(lái)源于煤化工和石油化工，無(wú)論哪種路線(xiàn)，都需要通過(guò)精餾來(lái)獲得純芳烴產(chǎn)品。傳統(tǒng)芳烴分離采用兩塔流程，Ling等［16］對(duì)采用DWC代替兩塔流程進(jìn)行了模擬，芳烴分離的DWC控制過(guò)程也被密切關(guān)注［17-20］。

本工作首先建立了DWC分離BTX中試裝置的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)精餾模型，然后采用自編程序?qū)WC從熱態(tài)重置回冷態(tài)空塔狀態(tài)，并利用動(dòng)態(tài)嚴(yán)格精餾模型的控制參數(shù)考察了控制回路的開(kāi)車(chē)全過(guò)程。

1 中試裝置穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬

1.1 穩(wěn)態(tài)模擬

為了在Aspen Dynamics模擬軟件中模擬DWC分離BTX工業(yè)原料中試裝置的開(kāi)車(chē)過(guò)程，需要先在Aspen Plus中搭建該中試裝置的穩(wěn)態(tài)流程。所用BTX工業(yè)原料的組成及沸點(diǎn)如表1所示。進(jìn)料流量65 kg/h，進(jìn)料溫度358.15 K，壓力0.9 MPa。模擬過(guò)程中物性計(jì)算方法為Chao-Seader方法。規(guī)定塔頂產(chǎn)品中苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.999 5，側(cè)線(xiàn)產(chǎn)品中甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.999 7，而塔釜產(chǎn)品中的重組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.999 9。

表1 BTX工業(yè)原料組成及沸點(diǎn)Table 1 Composition and boiling point of feed components

DWC中試裝置的穩(wěn)態(tài)模擬流程如圖1所示。該流程已利用Ling等［16］提出的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化，圖1給出了優(yōu)化的操作變量和塔體參數(shù)。塔頂常壓操作（101.33 kPa）、塔頂溫度350 K，塔釜壓力166.17 kPa、溫度434 K。最優(yōu)的精餾段、側(cè)線(xiàn)段、提餾段及預(yù)分餾段的塔板數(shù)分別為17，46，25，46塊。最優(yōu)進(jìn)料位置為預(yù)分餾段的第16塊板，最優(yōu)側(cè)線(xiàn)采出點(diǎn)為主塔第29塊板。分液比和分氣比的最優(yōu)值分別為0.24和0.44。開(kāi)車(chē)初期，全塔處于冷態(tài)空塔狀態(tài)，此時(shí)塔內(nèi)沒(méi)有液體，只有空氣。為了模擬該狀態(tài)，需要在Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬流程中加入空氣管路，向塔內(nèi)通入空氣?？諝鈴乃淄ㄈ?，通過(guò)塔頂回路排出。

圖1 DWC分離BTX工業(yè)原料中試裝置穩(wěn)態(tài)流程Fig.1 Divided wall column(DWC) pilot plant flow sheet at steady state.

1.2 動(dòng)態(tài)模擬

在裝置連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，加入了塔頂、側(cè)線(xiàn)、塔釜和預(yù)分餾段頂部組分控制回路。其中，塔頂組分控制回路通過(guò)塔頂產(chǎn)品采出量來(lái)控制塔頂產(chǎn)品中的苯含量；側(cè)線(xiàn)組分控制回路通過(guò)側(cè)線(xiàn)產(chǎn)品采出量實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)線(xiàn)產(chǎn)品中甲苯含量的控制；塔釜組分控制回路通過(guò)調(diào)節(jié)塔釜產(chǎn)品采出量來(lái)控制塔釜產(chǎn)品中的甲苯含量；預(yù)分餾段頂部組分控制回路通過(guò)調(diào)節(jié)分液比來(lái)控制預(yù)分餾段頂部氣相中的重組分含量。各回路的調(diào)節(jié)使用Tyreus-Luyben方法。各組分控制回路參數(shù)如表2所示。

模擬開(kāi)車(chē)過(guò)程之前需獲得自控回路的所有參數(shù)，即在裝置連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上添加塔頂、側(cè)線(xiàn)、塔釜和預(yù)分餾段頂部的組分控制回路。然后對(duì)各組分控制回路進(jìn)行逐個(gè)調(diào)諧。調(diào)諧時(shí)需要逐個(gè)回路調(diào)諧，未調(diào)諧的回路保持手動(dòng)模式，已調(diào)諧的回路改為自動(dòng)模式。所有組分控制回路調(diào)諧結(jié)束后便可得到自控回路的設(shè)定值、比例增益值和積分值。

表2 組分控制回路參數(shù)Table 2 Composition control(CC) parameters using for conventional start-up

2 組分控制開(kāi)車(chē)過(guò)程模擬

DWC可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)或者自控回路控制實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)開(kāi)車(chē)。由于首次開(kāi)車(chē)時(shí)自控回路的參數(shù)未知，無(wú)法使用自控回路進(jìn)行開(kāi)車(chē)，故DWC的首次開(kāi)車(chē)通常使用手動(dòng)開(kāi)車(chē)。在首次開(kāi)車(chē)成功，獲得自控回路參數(shù)后，后期的開(kāi)車(chē)便可使用自動(dòng)控制回路進(jìn)行。根據(jù)自控回路被控變量的不同，可以將自控回路分為組分控制和溫度控制。以產(chǎn)品純度為被控變量，屬于直接控制，且較溫度控制的控制精度高，因此本工作對(duì)組分控制自動(dòng)開(kāi)車(chē)過(guò)程進(jìn)行了考察，為后續(xù)溫度控制開(kāi)車(chē)打好基礎(chǔ)。

2.1 冷態(tài)空塔過(guò)程

在冷態(tài)空塔狀態(tài)下添加組分控制回路。Aspen Dynamics模擬軟件中，冷態(tài)空塔狀態(tài)的切換需要通過(guò)執(zhí)行Empty task和手動(dòng)清空管路液體來(lái)實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行完上述操作后，還需要檢查冷凝器和再沸器的UA（熱傳遞系數(shù)和傳熱面積的乘積），確保整個(gè)清空過(guò)程結(jié)束后該值沒(méi)有發(fā)生變化。將裝置從穩(wěn)態(tài)連續(xù)運(yùn)行切換到冷態(tài)空塔狀態(tài)后，便可進(jìn)行后續(xù)的開(kāi)車(chē)操作。

2.2 開(kāi)車(chē)步驟

使用組分控制回路進(jìn)行開(kāi)車(chē)過(guò)程模擬的具體步驟如圖2所示。在動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中所有控制回路參數(shù)均已得到，這些參數(shù)均可在開(kāi)車(chē)過(guò)程使用。圖2中的開(kāi)車(chē)步驟分為三個(gè)階段：1）在DWC的冷態(tài)空塔狀態(tài)下開(kāi)啟進(jìn)料，此時(shí)所有組分控制回路均設(shè)定為手動(dòng)模式，當(dāng)塔釜液位大于穩(wěn)態(tài)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行值時(shí)進(jìn)入下一階段；2）將所有組分控制回路投用自動(dòng)模式，各控制回路開(kāi)始工作；3）塔頂、側(cè)線(xiàn)和塔釜產(chǎn)品純度合格且各個(gè)塔板上的組成和溫度不再發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)始連續(xù)生產(chǎn)。

圖2 使用組分控制回路進(jìn)行開(kāi)車(chē)模擬的步驟Fig.2 Conventional start-up procedure by using composition control structure.

2.3 開(kāi)車(chē)過(guò)程考察

2.3.1 全塔特征點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)

在開(kāi)車(chē)過(guò)程中，各塔板上的溫度會(huì)發(fā)生明顯的變化，為了更加直觀地理解開(kāi)車(chē)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，在精餾段、提餾段、預(yù)分餾段和側(cè)線(xiàn)段選取了特征溫度點(diǎn)，并對(duì)特征點(diǎn)溫度在開(kāi)車(chē)過(guò)程中的變化趨勢(shì)進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖3所示。

圖3 組分控制開(kāi)車(chē)過(guò)程中特征點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)Fig.3 Temperature trends of sample points by using CC start-up.TR：temperature of reboiler；TP23：temperature of 23rd plate in prefractionator；TM23：temperature of 23rd plate in main column；TP5：temperature of 5th plate in prefractionator；TM2：temperature of 2nd plate in main column；TM41：temperature of 41st plate in main column.

在精餾段中，第一塊塔板的溫度變化趨勢(shì)能夠最直接地反映塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量；提餾段中最后一塊塔板的溫度能夠直接反映塔釜產(chǎn)品的純度；而在預(yù)分餾段和側(cè)線(xiàn)段中，為了確保所選的特征點(diǎn)能夠有效代表兩段溫度的變化趨勢(shì)，在預(yù)分餾段和側(cè)線(xiàn)段的頂部和底部對(duì)稱(chēng)選取了特征點(diǎn)。按照上述原則，精餾段的特征溫度點(diǎn)為T(mén)M2，提餾段的特征溫度點(diǎn)為再沸器溫度TR，預(yù)分餾段的特征溫度點(diǎn)為T(mén)P5和TP23，側(cè)線(xiàn)段的特征溫度點(diǎn)為T(mén)M23和TM41。從圖3可看出，在開(kāi)車(chē)的前6 h內(nèi)TR處于持續(xù)升溫狀態(tài)，在8 h左右系統(tǒng)達(dá)到了“亞平衡”狀態(tài)，這一階段主要受塔釜加熱控制回路影響最大；在8～17 h特征點(diǎn)溫度發(fā)生了一定程度的波動(dòng)，導(dǎo)致波動(dòng)的主要原因是塔釜的再沸器負(fù)荷發(fā)生了波動(dòng)；在17 h之后系統(tǒng)內(nèi)各控制回路均已穩(wěn)定，各產(chǎn)品純度達(dá)到控制要求。從圖3還可看出，在開(kāi)車(chē)2 h附近側(cè)線(xiàn)段的溫度TM23和TM41比預(yù)分餾段的TP5和TP23先行升高（同側(cè)的溫度點(diǎn)，下方的升溫早于上方）。這是因?yàn)閭?cè)線(xiàn)段此時(shí)沒(méi)有液體通過(guò)；而預(yù)分餾段由于進(jìn)料處于開(kāi)啟狀態(tài)，塔板上有一定的持液量，蒸汽在上升過(guò)程中先要與液相進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，導(dǎo)致側(cè)線(xiàn)段的蒸氣上升速度快于預(yù)分餾段。此外，側(cè)線(xiàn)段蒸氣進(jìn)入精餾段后導(dǎo)致精餾段塔頂溫度升高，而此時(shí)預(yù)分餾段的TP5和TP23還沒(méi)有開(kāi)始升高。

2.3.2 全塔溫度變化趨勢(shì)

為了進(jìn)一步了解開(kāi)車(chē)過(guò)程中塔內(nèi)溫度的變化情況，對(duì)1.5，5，20 h時(shí)的全塔溫度分布進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖4所示。

圖4 組分控制開(kāi)車(chē)不同時(shí)間點(diǎn)的預(yù)分餾段溫度分布（a）和主塔溫度分布（b）Fig.4 Temperature profiles of prefractionator(a) and main column(b) during CC start-up.

從圖4可看出，1.5 h時(shí)，預(yù)分餾段溫度基本呈一直線(xiàn)，溫度在進(jìn)料溫度附近，此時(shí)塔釜液相氣化產(chǎn)生的氣體剛上升到主塔第80塊板附近，故塔內(nèi)其他塔板的溫度在此時(shí)并沒(méi)有受到塔釜產(chǎn)生的上升氣體的影響。5 h時(shí)，全塔仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從塔板組成可知，此時(shí)塔頂、側(cè)線(xiàn)和塔釜的產(chǎn)品純度均沒(méi)有合格；塔釜液相中甲苯含量高于穩(wěn)態(tài)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行值，使得重組分含量相對(duì)偏低，導(dǎo)致塔釜溫度較平穩(wěn)運(yùn)行值低。隨著開(kāi)車(chē)過(guò)程的進(jìn)行，20 h時(shí)塔頂、側(cè)線(xiàn)和塔釜產(chǎn)品純度合格，全塔溫度、組成等過(guò)程變量不再發(fā)生變化；此時(shí)預(yù)分餾段各板溫度均比5 h時(shí)低，體現(xiàn)在溫度分布上就是比5 h時(shí)整體左移。而在主塔中，5 h和20 h的側(cè)線(xiàn)段溫度分布差異較小，精餾段和提餾段的溫度分布差異較大；此外，20 h的精餾段溫度比5 h時(shí)低，而提餾段溫度比5 h時(shí)高，說(shuō)明塔頂和塔釜中的甲苯含量在5 h時(shí)比設(shè)定值高。

2.3.3 產(chǎn)品純度變化

塔頂、側(cè)線(xiàn)和塔釜產(chǎn)品是否合格是判斷開(kāi)車(chē)成功的重要指標(biāo)，選取塔頂、側(cè)線(xiàn)、塔釜、預(yù)分餾段底部和側(cè)線(xiàn)段底部為特征點(diǎn)，考察上述塔板組成在組分控制開(kāi)車(chē)過(guò)程中的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 組分控制開(kāi)車(chē)過(guò)程中塔頂（a）、側(cè)線(xiàn)（b）、塔釜（c）、預(yù)分餾段底部（d）和側(cè)線(xiàn)段底部（e）組成變化趨勢(shì)Fig.5 Composition trends of top product(a)，side product(b)，bottom product(c)，bottom of prefractionator(d) and bottom of side stream section(e) during CC start-up.

從圖5可知，塔頂、側(cè)線(xiàn)、塔釜、預(yù)分餾段底部和側(cè)線(xiàn)段底部的組成在組分控制的開(kāi)車(chē)過(guò)程前段（約1 h）存在一段“穩(wěn)定期”，這是因?yàn)橐合嗷亓鬟€沒(méi)有到達(dá)這些塔板，各塔板上的組成為進(jìn)料結(jié)束后的值。以塔頂組成變化趨勢(shì)（圖5a）為例進(jìn)行分析，1.58 h時(shí)塔釜液相加熱產(chǎn)生的氣體進(jìn)入冷凝器，隨后產(chǎn)生液相回流；在2.5 h到4.9 h之間，塔頂產(chǎn)品純度為0.999 9，超過(guò)了設(shè)定值0.999 5，此時(shí)的塔頂采出量為塔頂組成控制回路的操作變量上限值10 kg/h；隨著塔頂產(chǎn)品采出量的增加以及塔內(nèi)的不規(guī)律波動(dòng)（未到達(dá)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)前塔內(nèi)處在動(dòng)態(tài)波動(dòng)過(guò)程中），塔頂產(chǎn)品中的苯含量在5 h左右突然降低，但在塔頂組成控制回路的控制下，塔頂產(chǎn)品純度能夠逐漸回到穩(wěn)定值。

2.3.4 開(kāi)車(chē)結(jié)束后全塔的組成分布

考察了組分控制回路開(kāi)車(chē)結(jié)束時(shí)全塔的組成分布，結(jié)果如圖6所示。

圖6 開(kāi)車(chē)結(jié)束時(shí)預(yù)分餾段塔板（a）和主塔塔板（b）組成分布Fig.6 Composition profile of prefractionator(a) and main column(b) at the end of CC start-up.

從圖6可知，開(kāi)車(chē)過(guò)程結(jié)束時(shí)全塔的組成分布與穩(wěn)態(tài)全塔組成分布吻合度非常高。這種高吻合度表明利用組分控制執(zhí)行開(kāi)車(chē)過(guò)程是可行的；也證明組分控制開(kāi)車(chē)模擬策略、控制方案和控制器參數(shù)是正確的，模擬效果良好。

3 結(jié)論

1）在Aspen Dynamics軟件中建立了DWC的組分控制開(kāi)車(chē)模擬方法，此方法可以很好地模擬DWC的開(kāi)車(chē)過(guò)程。

2）采用組分控制回路進(jìn)行開(kāi)車(chē)需要經(jīng)歷三個(gè)階段：再沸器加熱控制回路主導(dǎo)階段、分液比控制回路主導(dǎo)階段和系統(tǒng)自平衡階段，在最后階段產(chǎn)品純度逐漸逼近設(shè)定值。

3） 組分控制開(kāi)車(chē)過(guò)程結(jié)束時(shí)全塔的組成分布與穩(wěn)態(tài)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的全塔組成分布吻合度非常高，表明利用組分控制執(zhí)行開(kāi)車(chē)過(guò)程可行，也證明組分控制開(kāi)車(chē)模擬策略、控制方案和控制器參數(shù)正確，模擬效果良好。

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