陳自浩張自生周金波李長(zhǎng)明李 洪高 鑫?李鑫鋼

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300072;2.中國(guó)石油蘭州化工研究中心,蘭州 730060)

二異丁烯(DIB)是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品,其可以加氫得到異辛烷作為良好的汽油添加劑,還可以作為重要化工產(chǎn)品辛基酚和異壬醇的生產(chǎn)原料[1-3]。二異丁烯產(chǎn)品的獲得可以通過(guò)C4輕烴中的異丁烯二聚反應(yīng)得到,而在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)其他很多副反應(yīng),最終得到疊合油而得不到高純的二異丁烯產(chǎn)品[4]。在現(xiàn)階段的研究和工業(yè)應(yīng)用中如美國(guó)UOP 公司、CDTech 公司、中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院和中國(guó)石化齊魯分公司研究院等主要都是利用C4輕烴合成疊合油[5-10]。為了強(qiáng)化和改進(jìn)二異丁烯的生產(chǎn)過(guò)程,Chen 等[11]通過(guò)模擬的方法以C4輕烴為原料,叔丁醇為阻聚劑建立了異丁烯二聚反應(yīng)精餾工藝流程,在得到符合要求的疊合油品的同時(shí)得到了99%二異丁烯產(chǎn)品。而對(duì)于一個(gè)工藝過(guò)程真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用,需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制方案來(lái)保證生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

反應(yīng)精餾技術(shù)通過(guò)將化學(xué)反應(yīng)與傳質(zhì)分離過(guò)程耦合到一個(gè)設(shè)備中,使反應(yīng)和分離能夠同時(shí)進(jìn)行,進(jìn)而突破可逆反應(yīng)體系的化學(xué)平衡限制,達(dá)到提高目標(biāo)產(chǎn)品的收率和選擇性的目的[12-14]。目前已被廣泛用于各種酯化反應(yīng)、加氫反應(yīng)、連串反應(yīng)和酯交換反應(yīng)等各類化工生產(chǎn)體系中[15-19]。由于反應(yīng)精餾是將反應(yīng)和分離技術(shù)耦合,其非線性程度增大,因此過(guò)程的控制難度增加[20-22]。在目前的研究中,Luyben 和Al-Arfaj 在乙二醇、TAME 和ETBE合成等可逆反應(yīng)的反應(yīng)精餾過(guò)程提出了多種控制方案[23-26],孟瑩等[27]針對(duì)乙酸戊酯酯化反應(yīng)精餾過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬分析并提出相應(yīng)的控制方案。但這些控制方案都是針對(duì)可逆反應(yīng)精餾過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)于連串不可逆反應(yīng)精餾過(guò)程的控制方案研究較少。

異丁烯二聚反應(yīng)精餾生產(chǎn)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)二異丁烯和疊合油的過(guò)程是一個(gè)典型的連串不可逆反應(yīng),在此方面的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究較少。而Thakur 等[28]利用水作阻聚劑,研究了在反應(yīng)器中發(fā)生C4輕烴疊合反應(yīng)并通過(guò)變壓精餾得到高純二異丁烯產(chǎn)品的工藝流程。同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制方案,但是方案存在穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(約為30 h)的缺點(diǎn)。本研究為了加快反應(yīng)精餾同時(shí)生產(chǎn)二異丁烯和疊合油產(chǎn)品工業(yè)化的進(jìn)程,采用Aspen dynamic 軟件對(duì)異丁烯疊合反應(yīng)精餾流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真,以質(zhì)量分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率多目標(biāo)變量控制開(kāi)發(fā)了3 種控制方案,并通過(guò)添加擾動(dòng)的方法對(duì)3 種控制方案的穩(wěn)定性和有效性進(jìn)行對(duì)比,在達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率目標(biāo)要求的前提下,在更短的時(shí)間內(nèi)回歸穩(wěn)定狀態(tài)。

1 異丁烯二聚反應(yīng)精餾工藝流程與模型簡(jiǎn)介

1.1 反應(yīng)精餾工藝流程

異丁烯二聚反應(yīng)精餾工藝流程如圖1所示,整個(gè)流程中主要包括3 個(gè)塔分別為反應(yīng)精餾塔(RDC)、叔丁醇分離塔(ADC) 和減壓精餾塔(TDC),3 個(gè)塔壓力分別為1.215 9、0.810 6 和0.018 2 MPa。原料采用的是催化裂化C4原料,質(zhì)量組成為異丁烷49.45%、異丁烯19.49%、1-丁烯16.48%、2-丁烯7.78%和正丁烷6.8%,阻聚劑采用99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同) 的叔丁醇(TBA) 溶液。6 000 kg·h-1的C4原料從RDC 的反應(yīng)段最后一塊板進(jìn)入,阻聚劑叔丁醇從反應(yīng)段中部進(jìn)入,RDC 塔釜出來(lái)的產(chǎn)品物流從中部進(jìn)入ADC,ADC 塔頂?shù)玫礁哔|(zhì)量分?jǐn)?shù)的叔丁醇阻聚劑經(jīng)過(guò)泵加壓和冷凝器降溫后與叔丁醇新鮮進(jìn)料混合,重新進(jìn)入RDC 參加反應(yīng)。從ADC 塔釜出來(lái)的物料進(jìn)入TDC 進(jìn)行分離,塔頂?shù)玫?9%二異丁烯產(chǎn)品,塔釜得到疊合油品。

圖1 異丁烯二聚制二異丁烯反應(yīng)精餾工藝全流程[11]Fig.1 The process of reactive distillation for producing diisobutylene by dimerization of isobutylene[11]

1.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

異丁烯疊合反應(yīng)精餾工藝流程動(dòng)力學(xué)方面采用Langmuir-Hinshelwood(L-H) 型吸附動(dòng)力學(xué)模型[29]。反應(yīng)中主要包括了異丁烯(IB)二聚反應(yīng)生成二異丁烯(DIB)、異丁烯與2-丁烯(2B)齊聚反應(yīng)生成齊聚物(DIM)和異丁烯與二異丁烯反應(yīng)生成三異丁烯(TIB)。反應(yīng)方程式見(jiàn)式(1)至(3)所示,其中反應(yīng)(1)為主反應(yīng),而反應(yīng)(2)和(3)為副反應(yīng)。

反應(yīng)速率表達(dá)式和反應(yīng)速率常數(shù)的表達(dá)式見(jiàn)式(4)～(7)所示。

式(4)～式(7)中rDIB為主反應(yīng)(1)的反應(yīng)速率,kmol·s-1;rDIM和rTIB分別為副反應(yīng)(2)和(3)的反應(yīng)速率,kmol·s-1;mcat為催化劑質(zhì)量,kg;k1、k2和k3是對(duì)應(yīng)反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù),kmol·kg-1·s-1;ai是對(duì)應(yīng)組分的活度,Bi是對(duì)應(yīng)組分的吸附平衡常數(shù),其中B2B=0.071,BTBA=6.300,BIP=0.110;R是氣體常數(shù),8.314 kJ·kmol-1·K-1;T是反應(yīng)溫度,K;Tref是參考溫度,其值為373.15 K;A為指前因子(kmol·s-1);Ea為活化能,kJ·kmol-1。各反應(yīng)的指前因子和活化能值如表1所示。由于叔丁醇的脫水量很少,動(dòng)力學(xué)中未明確考慮其脫水反應(yīng),只是將極性組分(叔丁醇和水)的強(qiáng)吸附作用合并到一起[30]。

表1 指前因子和活化能數(shù)值Table 1 The value of A and Ea

1.3 熱力學(xué)模型

當(dāng)描述強(qiáng)非理想混合物系統(tǒng)中的氣液相平衡時(shí),物性方法在分離過(guò)程的建模中起著至關(guān)重要的作用。本研究采用熱力學(xué)方法是UNIFAC-DMD 基團(tuán)貢獻(xiàn)法來(lái)描述液體的強(qiáng)非理想性,相比于UNIFAC 物性方法UNIFAC-DMD 通過(guò)引入溫度參數(shù)來(lái)更準(zhǔn)確地描述活度系數(shù),允許更可靠的溫度外推并擴(kuò)展適用范圍,對(duì)于高溫(＞400 K)和低溫(＜290 K)時(shí)混合物的真實(shí)相行為,其預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確[31]。并且Kamath 等[32]通過(guò)UNIFAC-DMD 物性方法成功地模擬了在高壓下的異丁烯二聚反應(yīng)精餾過(guò)程,證明了UNIFAC-DMD 方法的適用性。

2 反應(yīng)精餾流程控制方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中難免會(huì)受到各種信號(hào)的干擾,出現(xiàn)一些參數(shù)波動(dòng)進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量,為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行,需要進(jìn)行流程的動(dòng)態(tài)模擬和控制方案的設(shè)計(jì)。良好的控制方案可以保證在流程中出現(xiàn)一定的擾動(dòng)情況下,依然能產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。對(duì)于異丁烯二聚反應(yīng)精餾工藝流程,設(shè)計(jì)目標(biāo)為:異丁烯轉(zhuǎn)化率大于99%,二異丁烯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%,疊合油產(chǎn)品中三異丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%[33]?？刂品桨傅脑O(shè)計(jì)要求為當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一定的流量擾動(dòng)和組分?jǐn)_動(dòng)時(shí),系統(tǒng)仍能回歸穩(wěn)定,并且保證質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求。本研究采用Aspen dynamic 軟件對(duì)異丁烯二聚反應(yīng)精餾工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案以達(dá)到目標(biāo)。

2.1 基本控制結(jié)構(gòu)的建立

對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)模擬的過(guò)程中,首先需要在Aspen 穩(wěn)態(tài)模擬中添加閥門和泵轉(zhuǎn)化為壓力驅(qū)動(dòng)模式,本研究中閥門的壓降設(shè)置為0.304 0 MPa,泵的壓頭設(shè)置為0.608 0 MPa[34]。然后對(duì)工藝流程中的設(shè)備進(jìn)行設(shè)備定徑,主要包括精餾塔的塔徑、回流罐尺寸以及塔釜的尺寸。確定的方法是根據(jù)Luyben 的研究,采用“啟發(fā)式方法”來(lái)確定持液體積:以進(jìn)入或離開(kāi)容器的流體總量為基準(zhǔn),當(dāng)占設(shè)定的容器容積50%時(shí),應(yīng)有5 min 的停留時(shí)間,閥門尺寸穩(wěn)態(tài)液相流速閥門開(kāi)度設(shè)定為50%[35]。得到的設(shè)備參數(shù)信息如表2所示。

表2 異丁烯二聚反應(yīng)精餾流程設(shè)備尺寸Table 2 The equipment size of isobutene dimerization reactive distillation process

2.2 溫度靈敏板的選擇

在本研究中,選擇了奇異值分解判據(jù)作為分析方法,具體方法為以精餾塔的塔釜再沸器負(fù)荷變化(±0.1)%作為靈敏度判據(jù),得到開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)增益矩陣,然后通過(guò)奇異值分解得到U 矩陣,根據(jù)U 值大小判斷最有效的控制位置。得到的每個(gè)精餾塔塔板溫度奇異值分析如圖2所示,取每個(gè)塔中U 值變化較大的塔板作為溫度靈敏板,其中反應(yīng)精餾塔為第80 塊塔板,叔丁醇分離塔為第66 塊,減壓精餾塔為第91 塊塔板和第31 塊板。

圖2 再沸器負(fù)荷變化0.1%得到的U 值變化曲線Fig.2 The U curve by 0.1% change of reboiler load

2.3 溫度控制方案CS1

基于溫度靈敏板的選擇,設(shè)計(jì)了溫度控制方案CS1,如圖3所示。在CS1 方案中,除了塔板溫度控制外,還有基本的壓力控制(PC)、液位控制(LC)、流量控制(FC)等基本控制器,具體控制方案如圖3所示,控制器參數(shù)按照Luyben 的經(jīng)驗(yàn)法設(shè)置[35],如表3所示。

表3 基本控制器參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of basic controller

圖3 CS1 溫度控制方案Fig.3 The CS1 temperature control scheme

在實(shí)際的精餾塔中,由于塔盤持液等水力學(xué)因素,再沸器負(fù)荷變化要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才反映到溫控板上,為了模擬實(shí)際過(guò)程中的時(shí)間滯后,我們?cè)跍囟瓤刂苹芈分屑尤雂ead time,設(shè)置為1 min,通過(guò)運(yùn)行閉合的中繼-反饋測(cè)試來(lái)尋找最大增益和最大周期,然后使用Tyreus-Luyben 調(diào)諧方法得到溫度控制器的調(diào)諧參數(shù)。測(cè)試一個(gè)控制方案的優(yōu)劣的方法是在運(yùn)行過(guò)程中添加一定的擾動(dòng),觀察系統(tǒng)抗干擾的能力。本研究中采用C4進(jìn)料流量(±10)%以及進(jìn)料中的異丁烯組分(±5)%來(lái)測(cè)試控制方案CS1的動(dòng)態(tài)性能。其中異丁烯組分(±5)%通過(guò)固定C4進(jìn)料流量一定,在運(yùn)行0.3 h 時(shí)改變C4物流中異丁烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)而達(dá)到異丁烯組分的擾動(dòng)。得到的CS1 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 CS1 流量擾動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.4 Dynamic response curve of CS1 under flow disturbance

在增加10%的進(jìn)料流量之后,RDC 的第80 塊塔板溫度呈現(xiàn)出大幅度的先下降后上升的趨勢(shì),跨越溫度范圍接近35 ℃。這是因?yàn)樗?nèi)水力學(xué)的滯后性,獨(dú)立的溫度控制回路對(duì)再沸器負(fù)荷控制不及時(shí),如圖4(a)所示。異丁烯轉(zhuǎn)化率圖見(jiàn)圖4(e)所示,擾動(dòng)過(guò)程中一直保持在99%以上。

在進(jìn)料流量增加10%過(guò)程中,TDC 塔釜TIB 和塔頂DIB 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先降低后升高至穩(wěn)定的趨勢(shì)見(jiàn)圖4(c)和圖4(d)所示。這是因?yàn)門IB 在產(chǎn)物中屬于最重的組分,TDC 進(jìn)料量增加會(huì)使得塔板上溫度有所降低。當(dāng)溫度控制器作用時(shí)塔釜再沸器負(fù)荷升高,蒸出更多的DIM 和DIB,塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔頂DIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。當(dāng)C4進(jìn)料流量減少時(shí),呈現(xiàn)與進(jìn)料流量增加相反的趨勢(shì)。

進(jìn)料組成的干擾方式是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行0.3 h 后,添加5%的異丁烯進(jìn)料組成擾動(dòng),運(yùn)行至10 h 停止測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。當(dāng)進(jìn)料中異丁烯組分增加5%后,在RDC 中反應(yīng)程度加大,生成更多的二聚物和三聚物進(jìn)入提餾段,提餾段中液相輕組分減少,溫控板溫度會(huì)首先升高,而后通過(guò)再沸器負(fù)荷調(diào)控溫度降低重回穩(wěn)定,如圖5(a)所示。在TDC 塔頂DIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)有先增加,然后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)如圖5(c)和圖5(d)所示。而當(dāng)C4進(jìn)料中異丁烯組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少5%時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

圖5 CS1 組分?jǐn)_動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.5 Dynamic response curve of CS1 under composition disturbance

從最終得到的結(jié)果看,溫度控制方案CS1 并沒(méi)有很好的達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)果。不論是進(jìn)料流量的擾動(dòng)還是進(jìn)料組分的擾動(dòng),最終得到的塔頂DIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)都沒(méi)有回歸到原來(lái)的99%,塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在進(jìn)料組分?jǐn)_動(dòng)增加5%時(shí)最后穩(wěn)定在10.05%,超過(guò)10%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求。綜合評(píng)價(jià)CS1 控制方案并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果,需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.4 組分溫度聯(lián)合控制方案CS2

針對(duì)溫度控制方案CS1 的問(wèn)題,對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),得到組分溫度聯(lián)合控制方案CS2,如圖6所示。與CS1 控制方案相比CS2 有3 個(gè)突出的改進(jìn)點(diǎn),如圖6中紅色線條表示,第1 是采用了QR/F的前饋控制方法,在進(jìn)料流量變化時(shí),RDC 再沸器能夠迅速做出響應(yīng),控制更為有效;第2是在TDC 采用了回流比(RR)控制塔頂DIB 產(chǎn)品的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù),使其保證塔頂質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo);第3 是在RDC 中采用R/F控制塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變化,TDC 中塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)歸根結(jié)底還是在RDC 塔內(nèi)生成了更多的TIB,故控制好反應(yīng)精餾塔生成TIB 量,能夠使得TIB 產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)更小。在改進(jìn)過(guò)程中所有的組分控制都需要添加3 min 的dead time,最終得到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6 CS2 組分溫度聯(lián)合控制方案Fig.6 The CS2 temperature and component control scheme

圖7 CS2 流量擾動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.7 Dynamic response curve of CS2 under flow disturbance

圖8 CS2 組分?jǐn)_動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.8 Dynamic response curve of CS2 under composition disturbance

當(dāng)進(jìn)料流量增加10%時(shí),由于QR/F的前饋控制策略,反應(yīng)精餾塔的控溫板溫度變化幅度減小,從128～165 ℃變化幅度減少到128～138 ℃,溫度控制更佳,如圖7(a)所示。反應(yīng)精餾塔釜的TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)組分控制器的作用后保持恒定,見(jiàn)圖7(b)。在圖7(c)和圖7(d)中顯示了TDC 塔頂DIB產(chǎn)品在8.5 h 后回歸穩(wěn)定狀態(tài),保持在99%,塔釜的TIB 產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖有波動(dòng),但是波動(dòng)范圍在質(zhì)量指標(biāo)允許范圍之內(nèi)。異丁烯轉(zhuǎn)化率變化情況如圖7(e)所示,始終保持在99%以上。當(dāng)添加進(jìn)料流量減少10%的擾動(dòng)時(shí),測(cè)試的參數(shù)的波動(dòng)情況與進(jìn)料流量增加10%的情況相反。

當(dāng)增加5%的異丁烯進(jìn)料組成擾動(dòng)時(shí),反應(yīng)物量增加,TIB 生成量增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)首先會(huì)增加。而接著由于組分控制器的作用,TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)下降并穩(wěn)定,最終保持和初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同,如圖8(b)所示。在TDC 塔中,塔頂DIB 產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)由RR控制,在9.5 h 時(shí)可以回歸99%。塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然有一定波動(dòng),但是在RDC 中已然控制了其質(zhì)量分?jǐn)?shù),所以在減壓精餾塔釜TIB 質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升程度減小,最終穩(wěn)定在了9.8%左右,如圖8(c)和圖8(d)所示。當(dāng)減少5%的異丁烯進(jìn)料組成擾動(dòng)時(shí),其波動(dòng)情況與增加5%組成擾動(dòng)情況相反,也在可控范圍之內(nèi)。故CS2 方案對(duì)于進(jìn)料組分和進(jìn)料流量的擾動(dòng)控制是符合要求的,控制效果較CS1 方案來(lái)說(shuō)有明顯改善。

2.5 組分溫度串級(jí)控制方案CS3

在TDC 塔控制策略中,CS1 方案采用雙溫控制,對(duì)于進(jìn)料的擾動(dòng)能夠迅速響應(yīng)但是沒(méi)有辦法保證DIB 產(chǎn)品組成的恒定;CS2 方案中的TDC 塔采用組分控制器代替了第31 塊塔板的溫度控制器,從而解決了二異丁烯產(chǎn)品組成的變化問(wèn)題,但是從發(fā)生擾動(dòng)到回歸 99%穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng),需要約9 h。為了在更短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求,在CS2 的基礎(chǔ)上對(duì)TDC 塔進(jìn)行了組分-溫度串級(jí)控制,如圖9中紅線表示。具體方法是TDC 塔第91塊塔板的溫度依然采用塔釜再沸器負(fù)荷進(jìn)行負(fù)反饋控制,而第31 塊塔板溫度和塔頂DIB 產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用串級(jí)控制。組分控制器為主控制器,31 塊塔板溫度控制器為輔控制器并且其設(shè)定值的信號(hào)來(lái)自于組分控制器的輸出信號(hào),進(jìn)而設(shè)計(jì)了控制方案CS3,如圖9所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試之后得到的結(jié)果如圖10所示,CS3 方案主要是對(duì)TDC 塔的改進(jìn),前兩塔的控制方案與CS2 相同。

圖9 CS3 組分溫度串級(jí)控制方案Fig.9 The CS3 component temperature cascade control scheme

從圖10(b)、圖10(c)、圖10(e)和圖10(f)減壓精餾塔頂塔釜產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化過(guò)程中可以看出CS3 方案與CS2 相比,二異丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從發(fā)生擾動(dòng)到回歸到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間大幅度降低,當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),CS3方案中二異丁烯產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以在5 h 以內(nèi)重新回到99%穩(wěn)定狀態(tài),比CS2 方案節(jié)省約4 h。

圖10 CS3 擾動(dòng)變化時(shí)TDC 產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制曲線和溫度響應(yīng)曲線Fig.10 Purity control curve and temperature response curve of TDC product during disturbance for CS3

2.6 3 種控制方案控制性能對(duì)比

綜合3 種控制方案效果,將3 種控制方案進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如表4所示。CS1 方案在二異丁烯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定時(shí)間較短約6 h,但是最后得到的產(chǎn)品不符合設(shè)計(jì)要求,控制效果相對(duì)較差。與CS1 方案相比,CS2 方案能夠達(dá)到相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求,波動(dòng)程度也相應(yīng)降低,但是穩(wěn)定時(shí)間要比CS1方案長(zhǎng)一些,這主要是因?yàn)榻M分控制器滯后時(shí)間較長(zhǎng)。CS3 方案在CS2 方案的基礎(chǔ)上采用了組分-溫度串級(jí)控制方法,在達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求的前提下二異丁烯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定時(shí)間比CS2 方案縮短了約4 h,并且保證了與CS2 相近的波動(dòng)程度,控制效果有更進(jìn)一步的提升,能夠更好地抵抗干擾,獲得符合要求的產(chǎn)品。

表4 3 種控制方案控制性能比較Table 4 The comparison of control performance of three control schemes

3 結(jié)論

本研究建立了異丁烯二聚反應(yīng)精餾工藝流程的動(dòng)態(tài)模擬的模型,以最終產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求為前提,利用模型對(duì)反應(yīng)精餾生產(chǎn)二異丁烯產(chǎn)品的過(guò)程控制方案進(jìn)行了研究,開(kāi)發(fā)了3 種控制方案分別為溫度控制方案CS1、組分溫度聯(lián)合控制方案CS2 和組分-溫度串級(jí)控制方案CS3。在進(jìn)料流量和進(jìn)料組分的擾動(dòng)下,對(duì)比了3 種方案的控制性能,結(jié)果表現(xiàn)為組分溫度串級(jí)控制方案在添加擾動(dòng)的情況下依然保證了二異丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%,三異丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%以及異丁烯轉(zhuǎn)化率大于99%的要求并且最終穩(wěn)定時(shí)間約5 h,比CS2 方案節(jié)約4 h,具有更好的抗干擾性能。因此,本研究開(kāi)發(fā)的組分-溫度串級(jí)控制方案能夠很好的實(shí)現(xiàn)異丁烯二聚反應(yīng)精餾生產(chǎn)二異丁烯產(chǎn)品過(guò)程的控制,為其工業(yè)裝置穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。本研究開(kāi)發(fā)的控制結(jié)構(gòu)在多組分產(chǎn)品的反應(yīng)精餾系統(tǒng)的控制研究中亦具有一定的指導(dǎo)意義。