李 軍,梁 箭,鄧 肯,馬占華,孫蘭義

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

化工行業(yè)在發(fā)展節(jié)能強(qiáng)化技術(shù)及智能化技術(shù)應(yīng)用的同時(shí),也加大了開(kāi)車(chē)過(guò)程的不確定性及風(fēng)險(xiǎn)概率[1-3]。反應(yīng)精餾與隔壁塔作為典型的節(jié)能強(qiáng)化技術(shù),被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn),其開(kāi)車(chē)過(guò)程的研究同樣備受關(guān)注。反應(yīng)精餾因存在化學(xué)反應(yīng),塔內(nèi)物料的組成及溫度需要精確控制[4-6];隔壁塔內(nèi)部高度耦合,全塔控制困難,導(dǎo)致開(kāi)車(chē)所需考慮的因素增加[7-10]。將反應(yīng)精餾與隔壁塔2種強(qiáng)化技術(shù)結(jié)合的反應(yīng)精餾隔壁塔[11-14](reactive dividing wall column,RDWC)兼具兩者的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能優(yōu)勢(shì),但也引入了各自的開(kāi)車(chē)難點(diǎn),使開(kāi)車(chē)過(guò)程更加復(fù)雜,其安全性能往往被忽視。筆者基于Aspen Plus(V8.4)建立滿(mǎn)足RDWC基本穩(wěn)態(tài)模型,對(duì)基本穩(wěn)態(tài)模型通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)規(guī)定模塊以產(chǎn)品規(guī)格為目標(biāo)完成過(guò)程參數(shù)優(yōu)化,建立與穩(wěn)態(tài)流程相對(duì)應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型,通過(guò)擾動(dòng)分析法對(duì)溫度控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行擾動(dòng)分析,獲取抗干擾能力強(qiáng)的控制臺(tái)系統(tǒng),完成RDWC的九階段開(kāi)車(chē)過(guò)程模擬,對(duì)開(kāi)車(chē)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性與安全性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 RDWC模型的建立

RDWC裝置見(jiàn)圖1。

圖1 反應(yīng)精餾隔壁塔Fig.1 Reactive dividing wall column

1.1 穩(wěn)態(tài)模型

以乙酸與甲醇的酯化反應(yīng)生成乙酸甲酯為體系,研究RDWC的開(kāi)車(chē)過(guò)程并評(píng)價(jià)其安全性能。其化學(xué)反應(yīng)方程式及動(dòng)力學(xué)參數(shù)[15-16]為

r=mcat(k1αHAcαMeOH-k-1αMeAcαH2O),

k1=2.961×104exp(-49 190/RT),

k-1=1.348×106exp(-69 230/RT).

式中，r為反應(yīng)速率，mol/s；k1為酯化反應(yīng)速率常數(shù)，mol/(g·s)；k-1為水解反應(yīng)速率常數(shù)，mol/(g·s)；αi為組分i的活度；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K。

基于酯類(lèi)有機(jī)物生產(chǎn)的典型反應(yīng)精餾工藝[17-19],建立如圖2的RDWC穩(wěn)態(tài)流程。基于軟件的設(shè)計(jì)規(guī)定模塊,以塔頂出料、中間采出與塔底出料的產(chǎn)品純度為目標(biāo),完成RDWC過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化,該模型能夠獲取較優(yōu)的產(chǎn)品規(guī)格,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1.2 動(dòng)態(tài)模型

RDWC兩塔等效模型如圖3所示,主要流程包含反應(yīng)精餾塔(RD)和甲醇回收塔(RC)。為實(shí)現(xiàn)RDWC等效模型的模擬,需要增設(shè)一臺(tái)虛擬壓縮機(jī)抵消壓差,該壓縮機(jī)在RD和RC的氣相物流之間,過(guò)程本身并不存在該結(jié)構(gòu)。RDWC第28塊塔板的氣相物流通過(guò)該虛擬壓縮機(jī)進(jìn)行壓力整定后進(jìn)入隔板右側(cè)(即RC),完成甲醇回收后,RC塔底液相物流返回RDWC的第28塊塔板。此外為了實(shí)現(xiàn)之后的空塔開(kāi)車(chē),兩塔塔頂均需增設(shè)放空閥排出塔內(nèi)的惰性氣體。

圖2 反應(yīng)精餾隔壁塔合成乙酸甲酯穩(wěn)態(tài)模型Fig.2 Steady-state process of RDWC for production of methyl acetate

圖3 反應(yīng)精餾隔壁塔兩塔等效模型Fig.3 Thermodynamic equivalent model of RDWC

基于熱力學(xué)等效的兩塔穩(wěn)態(tài)模型,在Aspen Dynamics中通過(guò)添加進(jìn)料(FC)、液位(LC)、壓力(PC)等控制器設(shè)計(jì)如圖4所示的溫度控制結(jié)構(gòu)(TCS)。FC1、FC2和FC3通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制甲酸、乙醇進(jìn)料流率及進(jìn)入RC的氣相物流流率;LC1、LC2、LC3和LC4通過(guò)控制對(duì)應(yīng)塔板液位來(lái)控制塔頂采出、塔釜采出、返回RD的液相物流及中間采出流量;PC1和PC2通過(guò)控制冷凝器熱負(fù)荷來(lái)控制RD與RC塔頂壓力。為了添加溫度(TC)控制器,對(duì)兩塔所有塔板進(jìn)行靈敏度分析。根據(jù)圖5所示的靈敏度分析曲線,分別選取溫差最大的塔板,即RD第29塊塔板、RC第8塊塔板作為靈敏板,添加溫度控制器TC1與TC2。根據(jù)圖5(a)RD的分析結(jié)果,選取第4、9塊塔板分別作為T(mén)C4、TC3的溫度控制輸入。通過(guò)溫度控制器TC3控制比例控制器B02的參數(shù),實(shí)現(xiàn)進(jìn)料流量干擾的自動(dòng)調(diào)節(jié);通過(guò)溫度控制器TC4,控制比例控制器B01的參數(shù),實(shí)現(xiàn)乙酸、甲醇的進(jìn)料比例調(diào)整;通過(guò)控制RD第28塊塔板的采出流量來(lái)控制比例控制器B03的參數(shù),實(shí)現(xiàn)進(jìn)入RC的氣相物流流量調(diào)節(jié)。表1為由Tyreus-Luyben調(diào)諧所得的所有控制器優(yōu)化的增益參數(shù)KC與積分時(shí)間Ti[20-22]。

圖4 反應(yīng)精餾隔壁塔溫度控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Temperature control structure of RDWC

圖5 靈敏度分析Fig.5 Sensitive analysis

表1 溫度控制結(jié)構(gòu)控制器參數(shù)Table 1 Tuning parameters of controllers for TCS

采用擾動(dòng)分析法對(duì)溫度控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制性能評(píng)價(jià),通過(guò)增加或者減少20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)料流量(F)、改變水含量調(diào)整乙酸(HAc)、甲醇(MeOH)兩股進(jìn)料的純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為90%,分別實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)料流量擾動(dòng)與進(jìn)料組分?jǐn)_動(dòng)。進(jìn)料流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖6所示,在0.5 h添加進(jìn)料流量擾動(dòng)后,RD中乙酸甲酯和水的純度都發(fā)生了較大改變,短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品濃度趨于穩(wěn)定,最終回歸到初始濃度附近。進(jìn)料組分?jǐn)_動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示,乙酸甲酯和水的純度在經(jīng)過(guò)明顯改變后都逐漸趨于穩(wěn)定,最終達(dá)到可接受的濃度范圍。因此該控制結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗±20%的進(jìn)料流量干擾及±10%的進(jìn)料組分干擾,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1.3 安全分析模型

過(guò)程路徑指數(shù)(PRI，其值記為IPR)是工藝過(guò)程選取最優(yōu)安全路徑、評(píng)價(jià)過(guò)程安全性能的重要工具[23-25],RDWC的安全性能評(píng)價(jià)是利用PRI對(duì)各物流的安全性進(jìn)行量化分析。該方法不依賴(lài)人為因素,各參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)從Aspen系列過(guò)程模擬軟件中導(dǎo)出計(jì)算,或利用軟件的內(nèi)部編程進(jìn)行計(jì)算,最終獲取PRI結(jié)果。PRI計(jì)算過(guò)程為

IPR=(pρΔEmixq)/A0.

式中,p為壓力,kPa;ρ為密度,kg/m3;q為熱值,kJ/kg;A0為用來(lái)修正最終計(jì)算結(jié)果量綱的常數(shù),模型中A0取106;ΔEmix為混合物爆炸極限(體積分?jǐn)?shù)),其計(jì)算公式[26]為

分析過(guò)程PRI時(shí),綜合考慮全部物流S01-S11,計(jì)算能反映過(guò)程整體安全性的PRI指數(shù)PRI-T。為進(jìn)一步分析過(guò)程安全性、降低多股物流的復(fù)雜程度,單獨(dú)計(jì)算三個(gè)出料模塊中物流的PRI值。這三個(gè)出料模塊及其PRI分別為:塔頂模塊PRI-D、中間采出模塊PRI-M和塔釜模塊PRI-W。其中PRI-D包含S03-S05三股物流,PRI-M包含S06-S08三股物流,PRI-W包含S09-S11三股物流。

圖6 進(jìn)料流量干擾下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses under feed flowrate disturbances

圖7 進(jìn)料組分干擾下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic responses under composition disturbances

表2 各組分的摩爾燃燒熱與爆炸極限Table 2 Heat of combustion and flammability for all components

2 開(kāi)車(chē)過(guò)程

2.1 模 擬

排空塔內(nèi)物料,通過(guò)編程在Aspen Dynamics實(shí)現(xiàn)空塔開(kāi)車(chē)模擬。設(shè)定RD塔與RC塔的壓力均為1大氣壓,溫度均為20 ℃,同時(shí)塔內(nèi)部充滿(mǎn)惰性氣體,所有的閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài),且控制器處于手動(dòng)狀態(tài)。

基于Ruiz等[29-30]對(duì)普通精餾體系完成板式精餾塔空塔開(kāi)車(chē)的相關(guān)研究,結(jié)合RDWC精餾特點(diǎn)以及常見(jiàn)的開(kāi)車(chē)過(guò)程影響因素,設(shè)計(jì)如下RDWC空塔開(kāi)車(chē)流程(九階段)。

(1)初始進(jìn)料。手動(dòng)控制進(jìn)料閥門(mén)開(kāi)始進(jìn)料,甲醇和乙酸的初始進(jìn)料流量均為30 kmol/h。

(2)開(kāi)啟放空閥。打開(kāi)RD與RC的放空閥,為徹底排空惰性氣體,開(kāi)啟閥門(mén)后不立即關(guān)閉。

(3)開(kāi)啟再沸器。當(dāng)塔釜液位達(dá)到30%時(shí)[31],開(kāi)啟再沸器,通入升溫速度為2 ℃/min的加熱蒸汽,通過(guò)斜坡升溫方式將再沸器溫度加熱至80 ℃[32],同時(shí)壓力控制器PC1與PC2調(diào)至自動(dòng)狀態(tài)。

(4)關(guān)閉放空閥。當(dāng)塔內(nèi)惰性氣體排空時(shí),關(guān)閉RD與RC的放空閥。

(5)開(kāi)啟回流。從再沸器上升的氣體到達(dá)塔頂經(jīng)冷凝器回流入塔頂回流罐,當(dāng)RD與RC的回流罐液位達(dá)到30%時(shí),以全回流的方式完全打開(kāi)兩塔回流閥門(mén)的開(kāi)度。

(6)調(diào)節(jié)再沸器。全回流開(kāi)啟后,全塔負(fù)荷增大,通入升溫速度為4 ℃/min的加熱蒸汽將再沸器的溫度從80 ℃提升至150 ℃[32]。

(7)進(jìn)料控制器和溫度控制器自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)RD第29塊塔板溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí),調(diào)整溫度控制器TC1-TC4為自動(dòng)狀態(tài),設(shè)置相應(yīng)的設(shè)定值,同時(shí)調(diào)整進(jìn)料控制器FC1為自動(dòng)狀態(tài),進(jìn)料控制器FC2-FC4為串級(jí),并將設(shè)定值調(diào)整為正常進(jìn)料流量。RD與RC的回流方式從全回流逐漸切換至一個(gè)滿(mǎn)足回流要求的定值,同時(shí)打開(kāi)塔頂排出閥,將甲醇產(chǎn)品循環(huán)至進(jìn)料物流中。

(8)開(kāi)始出料、液位控制器自動(dòng)調(diào)整。此階段塔板的氣液兩相流量開(kāi)始趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)RD塔頂乙酸甲酯與塔釜水滿(mǎn)足產(chǎn)品要求時(shí),打開(kāi)液位控制閥采出產(chǎn)品。

(9)運(yùn)行穩(wěn)定?？刂聘鱾€(gè)控制器自動(dòng)微調(diào),RDWC體系開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 開(kāi)車(chē)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性

針對(duì)RDWC開(kāi)車(chē)過(guò)程中三股產(chǎn)品流量(FD、FM、FW)與組成(XD,MeAc、XM,MeOH、XW,H2O)的動(dòng)態(tài)變化、RD第4、9、29塊塔板溫度(TRD,4、TRD,9、TRD,29)的動(dòng)態(tài)變化、RC第8塊塔板溫度(TRC,8)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果顯示所有參數(shù)最終都達(dá)到初始設(shè)計(jì)值。當(dāng)所有產(chǎn)品純度合格且所有靈敏板溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),全塔達(dá)到穩(wěn)態(tài),此時(shí)開(kāi)車(chē)過(guò)程結(jié)束。

2.2.1 產(chǎn)品流量

圖8為三股產(chǎn)品的流量變化狀況,開(kāi)車(chē)6 h后都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。初始階段三股產(chǎn)品物流的出料閥門(mén)均處于關(guān)閉狀態(tài),2.3 h時(shí)首先打開(kāi)RC的出料閥門(mén),將回收的甲醇輸送至甲醇進(jìn)料物流;2.6 h時(shí)開(kāi)始采出乙酸甲酯和水,因開(kāi)啟回流階段回流罐液位一直處于正常范圍,所以乙酸甲酯采出閥門(mén)開(kāi)啟的瞬間出料較為平緩;由于溫度控制器TC1自動(dòng)調(diào)節(jié)再沸器的加熱蒸汽溫度,水在閥門(mén)打開(kāi)瞬間出料出現(xiàn)較大的下降趨勢(shì),之后經(jīng)液位控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖8 反應(yīng)精餾隔壁塔開(kāi)車(chē)過(guò)程產(chǎn)品流量動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.8 Dynamic response of product flowrate in RDWC during start-up process

2.2.2 產(chǎn)品組成

圖9為三股產(chǎn)品(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為wD,MeAc、wW,H2O和wM,MeOH)純度變化狀況,開(kāi)車(chē)6 h后所有產(chǎn)品純度都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。初始階段未生成乙酸甲酯,隨著全回流開(kāi)啟以及全塔溫度升高,反應(yīng)速率逐漸增大,塔頂乙酸甲酯產(chǎn)品純度逐漸上升。該過(guò)程有2個(gè)階躍式突增,第1次是由于再沸器加熱蒸汽溫度逐漸升高,部分上升的甲醇?xì)怏w與乙酸反應(yīng)生成乙酸甲酯產(chǎn)品;第2次是開(kāi)啟回流閥之后,因增加回流量及提高再沸器加熱蒸汽溫度的共同作用,造成乙酸甲酯產(chǎn)品的純度持續(xù)上升,最終達(dá)到初始設(shè)計(jì)值。

圖9 反應(yīng)精餾隔壁塔開(kāi)車(chē)過(guò)程產(chǎn)品組成動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.9 Dynamic response of product composition in RDWC during start-up process

同樣在初始階段塔釜沒(méi)有產(chǎn)品水生成,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,塔釜中逐漸產(chǎn)生水,反應(yīng)前期因塔釜存在多余的甲醇與乙酸液體,導(dǎo)致水的純度變化較小;在水的純度緩慢上升過(guò)程中,1.8 h附近出現(xiàn)下降波動(dòng),主要因?yàn)槿亓鞯拈_(kāi)啟使塔底組成發(fā)生了輕微變化;最后,隨著反應(yīng)速率提高,乙酸與甲醇在塔釜的含量逐漸減少,水的純度逐漸升高,最終達(dá)到初始設(shè)計(jì)值。

初始階段由于部分汽化的甲醇進(jìn)入RC,而此時(shí)該塔內(nèi)僅有甲醇,因此甲醇純度為100%,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,生成的水和乙酸甲酯在塔底汽化并進(jìn)入RC,導(dǎo)致甲醇純度降低。此后在甲醇純度持續(xù)上升過(guò)程中出現(xiàn)了三次突增現(xiàn)象,第一次由于放空閥的關(guān)閉降低甲醇的損失量,同時(shí)全回流的開(kāi)啟減少回流罐中的雜質(zhì);第二次是進(jìn)料切換為正常流量,大量汽化的甲醇進(jìn)入RC,值得注意的是因?yàn)樵俜衅骷訜嵴羝麥囟鹊奶岣?高沸點(diǎn)雜質(zhì)進(jìn)入RC塔頂,造成該階段之前甲醇純度出現(xiàn)下降現(xiàn)象;第三次是2.3 h時(shí)RC塔頂開(kāi)始出料,液位控制器切換至自動(dòng)模式,其純度最終達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2.2.3 靈敏板溫度

如果所有靈敏板溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),則意味著所有塔板的溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài),因此分析四塊靈敏板溫度的動(dòng)態(tài)變化即可以反映全部塔板的狀態(tài)。開(kāi)車(chē)過(guò)程中靈敏板溫度的變化狀況如圖10所示,開(kāi)車(chē)3 h后,所有靈敏板的溫度基本達(dá)到穩(wěn)態(tài),其中TRD,4、TRD,9的變化行為較為相似,原因是來(lái)自塔釜的熱氣流到達(dá)兩塊塔板的時(shí)間不同,因此TRD,4的變化時(shí)間滯后。這兩塊塔板在0.1 h時(shí)溫度逐漸上升至約30 ℃,符合穩(wěn)態(tài)過(guò)程的設(shè)定值;此后由于再沸器的開(kāi)啟,全塔溫度自下而上開(kāi)始上升,塔底甲醇汽化與乙酸發(fā)生酯化反應(yīng)并放熱,導(dǎo)致塔板溫度出現(xiàn)了突增;約1.8 h開(kāi)啟全回流,塔板溫度開(kāi)始大幅度回落;之后,盡管再次提高再沸器的加熱蒸汽溫度,但由于回流對(duì)該兩塊塔板的影響更大,溫度持續(xù)降低至正常運(yùn)行溫度。

由于進(jìn)料的影響和再沸器加熱蒸汽溫度的提高,TRD,29在開(kāi)車(chē)初始階段持續(xù)上升;此后再次提高再沸器的加熱蒸汽溫度使該塔板的溫度大幅提升;值得注意的是,在1～2 h內(nèi)有一個(gè)溫度下降的過(guò)程:一方面是塔釜液位的降低以及放空閥的關(guān)閉使壓力增大,造成上升的氣相流率減少而導(dǎo)致；另一方面是由于該塔板的物料組成發(fā)生較大的變化,溫度出現(xiàn)相應(yīng)波動(dòng)。此外由于第4、9塊塔板上進(jìn)行乙酸甲酯的合成反應(yīng),反應(yīng)釋放的熱量使該階段TRD,29顯著低于TRD,4與TRD,9。

進(jìn)料過(guò)程中RD部分惰性氣體進(jìn)入RC,導(dǎo)致TRC,8在初始階段與RD其余塔板的溫度不同,此外,在進(jìn)行兩塔模擬時(shí)開(kāi)啟虛擬壓縮機(jī)并保持開(kāi)啟狀態(tài)直至開(kāi)車(chē)結(jié)束,其對(duì)來(lái)自第28塊塔板的氣相物流進(jìn)行壓力調(diào)整,因氣體壓縮導(dǎo)致TRC,8急劇上升;在0.5與1.9 h時(shí),兩次提高再沸器加熱蒸汽溫度,塔板溫度隨之上升;2.3 h時(shí)進(jìn)料流量調(diào)整為正常進(jìn)料,RC塔頂開(kāi)始出料,塔板溫度急劇下降;此后溫度控制器TC2切換至自動(dòng)模式調(diào)節(jié)回流流量,最終TRC,8達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。

圖10 反應(yīng)精餾隔壁塔開(kāi)車(chē)過(guò)程靈敏板溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.10 Dynamic response of temperature of sensitive tray in RDWC during start-up process

分析產(chǎn)品流量、組成和塔板溫度的動(dòng)態(tài)特性,總開(kāi)車(chē)過(guò)程用時(shí)6 h。開(kāi)車(chē)結(jié)束時(shí),產(chǎn)品規(guī)格和全塔溫度分布與穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果基本吻合,證明開(kāi)車(chē)模擬過(guò)程中控制方案以及各控制器參數(shù)的準(zhǔn)確性。開(kāi)車(chē)總用時(shí)短,模擬結(jié)果準(zhǔn)確性高。

2.3 安全性能

盡管RDWC最終能夠穩(wěn)定運(yùn)行,但開(kāi)車(chē)過(guò)程的操作繁瑣,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)的非線程程度高,導(dǎo)致開(kāi)車(chē)時(shí)往往伴隨著安全風(fēng)險(xiǎn)。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)車(chē)過(guò)程安全問(wèn)題,對(duì)RDWC開(kāi)車(chē)過(guò)程進(jìn)行安全性能研究。

圖11為全物流及三股采出模塊的PRI動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。PRI-T從最初的0升至最終的1.858,意味著隨著開(kāi)車(chē)過(guò)程的進(jìn)行,全塔安全性逐漸由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。初始階段,多數(shù)物流管道皆為空管道,此時(shí)整個(gè)過(guò)程沒(méi)有安全風(fēng)險(xiǎn);0.1 h兩股物流開(kāi)始進(jìn)料,PRI-T逐漸增大,隨著甲醇流入塔釜,S09出現(xiàn)物流,PRI-T隨之上升;此后開(kāi)啟再沸器,兩塔溫度、壓力上升,PRI-T持續(xù)上升,然而隨著全回流的開(kāi)啟,塔頂回流管道內(nèi)存在物料,其溫度與組成發(fā)生明顯變化,導(dǎo)致PRI-T在整體上升過(guò)程中出現(xiàn)一個(gè)明顯下降過(guò)程;開(kāi)車(chē)過(guò)程結(jié)束前PRI-T的劇增過(guò)程,是進(jìn)料流量增至正常、各個(gè)控制器開(kāi)啟自動(dòng)模式及三股產(chǎn)品開(kāi)始出料造成。

圖11 反應(yīng)精餾隔壁塔開(kāi)車(chē)過(guò)程PRI動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.11 Dynamic response of PRI in RDWC during start-up process

PRI-D的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)出明顯的三級(jí)階梯式突增。初始階段,物流S03-S05均無(wú)物料,因此塔頂采出模塊處于安全狀態(tài),隨著塔底再沸器的開(kāi)啟,塔頂出現(xiàn)物料,溫度、壓力隨之升高,PRI-D首次突增;此后開(kāi)啟再沸器導(dǎo)致塔頂溫度劇增,同時(shí)塔頂組成發(fā)生相應(yīng)的變化,因此PRI-D進(jìn)一步突增;當(dāng)進(jìn)料增至正常進(jìn)料且乙酸甲酯產(chǎn)品開(kāi)始出料時(shí),PRI-D突增至最大值。值得注意的是,PRI-D增至最大值后有一個(gè)明顯的下降階段,這是因?yàn)殚_(kāi)車(chē)出料初期,回流罐的液位較高,為維持正常液位增大了產(chǎn)品的出料流率,而隨著開(kāi)車(chē)的進(jìn)行,液位逐漸趨于正常水平,出料流率隨之恢復(fù)正常,塔頂采出模塊的安全性有所提高。

開(kāi)車(chē)初期中間采出模塊出現(xiàn)部分物料,但受其流量、壓力的影響,PRI-M增長(zhǎng)速度較慢;隨著RC物料的增加,PRI-M陡坡式增長(zhǎng);3～4 h甲醇開(kāi)始在RC中累積,同時(shí)部分乙酸甲酯與水進(jìn)入中間采出模塊,PRI-M未發(fā)生明顯變化;隨著RC塔頂開(kāi)始出料,PRI-M急劇增加,達(dá)到最大值后維持穩(wěn)定狀態(tài)直至開(kāi)車(chē)過(guò)程結(jié)束。

進(jìn)料階段甲醇流入塔釜,此時(shí)物流S09中出現(xiàn)物料,因此相較于另外兩個(gè)模塊,PRI-W先出現(xiàn)突增;隨著開(kāi)車(chē)過(guò)程的進(jìn)行,部分液相甲酸與水流入塔底,同時(shí)危險(xiǎn)性較大的甲醇汽化離開(kāi)再沸器,使該階段塔釜模塊的安全性有所提升;1.1 h關(guān)閉塔頂放空閥,全塔安全性降低,PRI-W出現(xiàn)突增;1.8 h開(kāi)啟全回流,全塔溫度、壓力稍微降低,PRI-W隨之降低;最后進(jìn)料調(diào)整為正常進(jìn)料,各控制器開(kāi)啟自動(dòng)模式,三股產(chǎn)品開(kāi)始采出,PRI-W逐漸上升直至開(kāi)車(chē)結(jié)束增至最大值。

安全分析的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果表明,從開(kāi)車(chē)初始到穩(wěn)定運(yùn)行這一階段,RDWC過(guò)程逐漸趨于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。開(kāi)車(chē)過(guò)程中,除塔頂采出模塊略大于穩(wěn)定過(guò)程,其他模塊及全塔PRI均小于穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程,因?yàn)樗敳沙瞿K主要采出危險(xiǎn)性較高的甲醇產(chǎn)品,過(guò)量的甲醇累積造成了安全性的降低,然而總體而言,九階段開(kāi)車(chē)方案比較安全。在PRI上升過(guò)程中,PRI值的大小反映了過(guò)程的安全趨勢(shì),其變化斜率越大,說(shuō)明該階段危險(xiǎn)性上升速度快,可能發(fā)生系統(tǒng)失控的故障,工程人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)開(kāi)車(chē)過(guò)程的關(guān)注,當(dāng)安全性持續(xù)降低時(shí)進(jìn)行急停等安全保護(hù)措施。

3 結(jié) 論

(1)在Aspen Dynamics軟件中基于空塔狀態(tài)提出RDWC九階段開(kāi)車(chē)模擬方法,開(kāi)車(chē)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析顯示開(kāi)車(chē)時(shí)間6 h,產(chǎn)品規(guī)格及靈敏板溫度與穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果吻合度高,證明九階段開(kāi)車(chē)方案的可行性以及控制方案、控制器參數(shù)的準(zhǔn)確性。

(2)基于PRI指數(shù)評(píng)估RDWC開(kāi)車(chē)過(guò)程的動(dòng)態(tài)安全性能,分別以全物流和三個(gè)產(chǎn)品采出模塊PRI指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化反映整個(gè)開(kāi)車(chē)過(guò)程的安全性能變化狀況。結(jié)果表明九階段開(kāi)車(chē)方法較為安全。在精餾塔的開(kāi)車(chē)過(guò)程中,當(dāng)體系的安全狀態(tài)改變時(shí),PRI指數(shù)會(huì)隨之發(fā)生變化。