CN110960881B - 一种Kaibel分壁精馏塔的控制结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Kaibel分壁精馏塔的控制结构，包括五个控制回路：(1)下侧线段压力补偿的温度控制回路，(2)上侧线段温度控制回路，(3)塔顶温度控制回路，(4)提馏段温度控制回路，(5)预分馏段温度控制回路。本发明还提供基于上述控制结构的Kaibel分壁精馏塔的控制方法及其在分离多组分混合物中的应用。本发明所述的控制方法可以平稳地控制Kaibel分壁精馏塔进料流量或组分的大幅扰动，分离后四个产品的纯度均合格。

Description

一种Kaibel分壁精馏塔的控制结构及控制方法

技术领域

本发明属于化工精馏过程和自动化控制领域，涉及了Kaibel分壁精馏塔分离多组分混合物的控制结构及控制方法。

背景技术

精馏是化工生产过程中最常用的分离手段之一，工艺纯熟应用广泛，但普遍存在能耗较高的问题。因此，精馏装置的节能技术一直备受关注。分壁精馏塔(Divided-wallcolumn,DWC)是热耦精馏塔的一种，可在一个塔器内实现多元混合物的高纯度分离，具有节省能耗和降低设备成本的显著优势。

1987年，Kaibel在DWC的基础上提出一种可以在一个精馏塔内分离四元混合物的精馏塔结构(Kaibel Divided-Wall Column,KDWC)，这种分壁精馏塔结构一般称之为Kaibel分壁精馏塔。Kaibel分壁精馏塔的结构与DWC类似，即：在精馏塔内部设置一垂直分隔壁，将精馏塔分割为四个部分：分隔壁上下两部分为精馏段(上部)和提馏段(下部)，分隔壁两边分别为预分馏段(或进料段)和侧线段。不同的是，Kaibel分壁精馏塔在侧线段有上下两股侧线产品出口。Kaibel分壁精馏塔具有显著的节能效果，与常规精馏塔分离过程相比，可节能30％左右。

虽然Kaibel分壁精馏塔在节能方面具有极大的优势，但是由于增加的一个侧线产品出口，其内部物流比常规分壁精馏塔更复杂，自由度也比更多，如何实现其平稳控制控制一直以来都是一个难题。Dwivedia等人通过实验考察将分气比作为控制变量的可行性，对比Kaibel分壁精馏塔四种控制结构的控制效果，考察增加分气比控制回路对DWC控制效果的影响(Dwivedi D,Strandberg J P,Halvorsen I J,et al.Active Vapor SplitControl for Dividing-Wall Columns[J].Industrial&Engineering ChemistryResearch,2012,51(46):15176-15183.)。蔺锡钰等人采用Kaibel分壁精馏塔分离苯、甲苯、邻二甲苯和均三甲苯的混合物，建立5×5的组分控制结构，发现该结构可以应对进料流量或组分发生±10％的扰动(蔺锡钰,吴昊，沈本贤，等.Kaibel分壁精馏塔分离芳烃的稳态和动态模拟[J].化工学报，2015,66(4):1353-1362.)。Fan等人对比4×4的温度控制结构(无分液比或分气比的控制回路)、5×5的温度控制结构(有分液比的控制回路)和4×4的温度控制结构(有分气比的控制回路)的控制效果，发现在控制结构中加入分液比或分气比的控制回路可以有效地提高控制效果(FAN G L,JIANG W D,QIAN X.Comparison ofstabilizing control structures for four-product Kaibel column[J].ChemicalEngineering Research and Design,2016,109:675-685.)。吴昊等人对比温度控制结构和温差控制结构，温差控制结构优于温度控制结构(吴昊，沈本贤，蔺锡钰，等.分壁精馏塔分离芳烃的温差控制[J].石油学报(石油加工)，2016,32(1):88-100.)。Qian等人以甲醇、乙醇、丙醇和丁醇的四组分体系为研究对象，对比简单的温度控制结构和另外两种较为复杂的控制结构的控制效果(QIAN X,JIA S K,Skogestad S,et al.Control structureselection for four-product Kaibel column[J].Computers and ChemicalEngineering,2016,93(4):372-381.)。Skogestad等人通过自制的小试装置进行实验，证实温度控制结构可以实现进料发生扰动后Kaibel分壁精馏塔的平稳控制(Dwivedi D,Strandberg J P,Halvorsen I J,et al.Steady State and Dynamic Operation ofFour-Product Dividing-Wall(Kaibel)Columns:Experimental Verification[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2012,51(48):15696-15709.)。

以上研究证明Kaibel分壁精馏塔可采用温度控制结构，且增加分液比或分气比的控制回路可以提高控制效果，但目前文献中所提到的控制方案仅可应对进料流量或组分出现±10％以下的扰动，当进料流量或组分出现更大幅度的扰动时，其控制效果不佳，产品纯度会有较大的偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于Kaibel分壁精馏塔的控制方法，可以在进料流量或组分出现较大的扰动后(＞±10％，最大的波动幅度可达±25％)，经过较短的时间实现全塔的平稳控制，保证各产品纯度。此外，本发明的控制方法涉及的控制参数少，控制回路简单，易于推广，应用前景广阔。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种Kaibel分壁精馏塔的控制结构，包括五个控制回路，分别为：

(1)下侧线段压力补偿的温度控制回路，包括设置在侧线段下方灵敏板上的感温元件和感压元件、温度传感器、压力传感器、控制器和下侧线产品出料泵，其中所述感温元件、温度传感器和控制器电连接，感压元件、压力传感器和控制器电连接，所述控制器与下侧线产品出料泵电连接；

(2)上侧线段温度控制回路，包括设置在侧线段上方灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和上侧线产品出料泵，其中感温元件、温度传感器、控制器和上侧线产品出料泵依次电连接；

(3)塔顶温度控制回路，包括设置在精馏段灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和塔顶回流泵，其中感温元件、温度传感器、控制器和塔顶回流泵依次电连接；

(4)提馏段温度控制回路，包括设置在提馏段灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和再沸器，其中感温元件、温度传感器、控制器和再沸器依次电连接；

(5)预分馏段温度控制回路，包括设置在预分馏段灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和Kaibel精馏塔内部的气体调节阀，其中感温元件、温度传感器、控制器和气体调节阀，依次电连接。

优选的，所述控制回路中的控制器采用PID控制器。

优选的，所述气体调节阀设置在Kaibel精馏塔内部提馏段顶部。

本发明的另一个目的在于提供一种Kaibel分壁精馏塔的控制方法，所述方法基于上述控制结构，包括：

I.确定预分馏段、上侧线段、下侧线段、精馏段和提馏段的灵敏板位置；

II.设置所述下侧线段压力补偿的温度控制回路，通过感温元件和感压元件将所述侧线段下方灵敏板的压力和温度信号分别传送到压力传感器和温度传感器，压力传感器和温度传感器再将电流信号传送到控制器，经过处理后将新的电流信号传送到下侧线产品出料泵，通过调节下侧线产品的流量反馈控制所述侧线段下方灵敏板的压力和温度；

设置所述上侧线段温度控制回路，通过感温元件将所述侧线段上方灵敏板的温度信号传送给温度传感器，温度传感器再将电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给上侧线产品出料泵，通过调节上侧线产品的流量反馈控制所述侧线段上方灵敏板的温度；

设置塔顶温度控制回路，通过感温元件将所述塔顶灵敏板的温度信号传送给温度传感器，温度传感器再将电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给塔顶回流泵，通过调节塔顶回流量控制所述塔顶灵敏板的温度；

设置提馏段温度控制回路，通过感温元件将所述提馏段灵敏板的温度信号传送给温度传感器，温度传感器再将电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给再沸器，通过调节再沸器负荷控制精馏段灵敏板温度；

设置预分馏段温度控制回路，通过感温元件将所述预分馏段灵敏板的温度信号传送给温度传感器，温度传感器再将电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给所述气体调节阀，通过调节阀门开度来调整分壁精馏塔内部的分气比从而控制预分馏段灵敏板的温度。

优选的，所述灵敏板由奇异值分解法或灵敏度分析法确定位置。

优选的，各个PID控制器采用Tyreus-Luyben方法进行参数整定。

本发明还有一个目的在于提供上述Kaibel分壁精馏塔的控制方法在分离多组分混合物中的应用。

优选的，所述多组分混合物选自≥3组分的混合物，包括三组分、四组分、五组分或更多组分的混合物。

作为一个优选的实施方案，所述多组分混合物为苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯四元混合物。

附图说明

图1为Kaibel分壁精馏塔结构示意图；图中，标记为“1”的区域为精馏段，标记为“2”的区域为预分馏段，标记为“3”的区域为侧线段，标记为“4”的区域为提馏段。

图2为实施例1的Kaibel分壁精馏塔分离苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯四元混合物的稳态示意图，图中：T_Mai,1表示塔顶温度；p_Mai,1表示塔顶压力；Q_D表示冷凝器负荷；RR表示全塔回流比；L_Mai,8表示主塔第8块塔板上的液相流量；L_P,8表示预分馏段第9块塔板上的液相流量；β_L表示分壁精馏塔内部的分液比；L_Mai,1表示塔顶的液相回流量；T_F表示进料温度；q表示流股的流量；x_B表示流股中苯的摩尔分数；x_T表示流股中甲苯的摩尔分数；x_X表示流股中二甲苯的摩尔分数；x_H表示流股中均三甲苯的摩尔分数；V_P,56表示预分馏段第56块塔板上的气相流量；V_Mai,57表示主塔第57块塔板上的气相流量；β_V表示分壁精馏塔内部的分气比；T_Mai,75表示塔釜温度；p _Mai,75表示塔釜压力；Q_B表示再沸器负荷；D表示塔内径。

图3为实施例1的Kaibel分壁精馏塔的控制结构示意图。

图4为实施例2所述进料流量出现±25％扰动后，四个产品纯度的变化情况。

图5为是实施3所述进料中甲苯浓度出现±25％扰动后，四个产品纯度的变化情况。

图6为实施例4所述进料中二甲苯浓度出现±25％扰动后，四个产品纯度的变化情况。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的Kaibel分壁精馏塔控制方案做进一步的详细说明，并非限制本发明所涉及的范围。

实施例1一种Kaibel分壁精馏塔的控制结构

图1是分离四元组分混合物的Kaibel分壁精馏塔的结构示意图。图中，标记为“1”的区域一般称之为精馏段，标记为“2”的区域一般称之为预分馏段，标记为“3”的区域一般称之为侧线段，标记为“4”的区域一般称之为提馏段。区域“1”，“3”，“4”合称为主塔。混合物自预分馏段进料，轻组分自精馏段顶部采出，中间组分自侧线段采出，重组分自塔釜采出。

以采用该分壁精馏塔分离苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯的四元混合物为例。轻组分苯自塔顶采出，中间组分甲苯和二甲苯分别自上侧线和下侧线采出，重组分均三甲苯自塔釜采出。其稳态设计如图2所示。

结合灵敏度分析和奇异值分解法，确定各段的灵敏板为：主塔第6块(M6)为精馏段灵敏板，主塔第24块(M24)为上侧线段灵敏板，主塔第51块(M51)为下侧线段灵敏板，主塔第63块(M63)为提馏段灵敏板，预分馏段的第51块(P51)塔板作为预分馏段灵敏板。

图3示出了所述的控制结构，由5个PID控制回路构成：

(1)TC2控制回路为塔顶温度控制回路，包括设置在精馏段灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和塔顶回流泵，其中感温元件、温度传感器、控制器和塔顶回流泵依次电连接；通过塔顶回流量控制精馏段灵敏板M6的温度，从而保证塔顶产品的纯度；

(2)TC4控制回路为上侧线段温度控制回路，包括设置在侧线段上方灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和上侧线产品出料泵，其中感温元件、温度传感器、控制器和上侧线产品出料泵依次电连接；通过上侧线采出流量控制侧线段上方灵敏板M24的温度，从而保证上侧线产品的纯度；

(3)PTC3控制回路为下侧线段压力补偿-温度控制回路，包括设置在侧线段下方灵敏板上的感温元件和感压元件、温度传感器、压力传感器、PID控制器和下侧线产品出料泵，其中所述感温元件、温度传感器和控制器电连接，感压元件、压力传感器和控制器电连接，所述控制器与下侧线产品出料泵电连接，通过下侧线产品流量控制侧线段下方灵敏板M51的温度和压力，从而保证下侧线产品的纯度；

(4)TC1控制回路为提馏段温度控制回路，包括设置在提馏段灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和再沸器，其中感温元件、温度传感器、控制器和再沸器依次电连接；通过再沸器负荷控制提馏段灵敏板M63温度，从而保证塔釜产品的纯度；

(5)TC5控制回路为预分馏段温度控制回路，包括设置在预分馏段灵敏板的感温元件、温度传感器、控制器和分壁精馏塔内部提馏段顶端的气体调节阀，其中感温元件、温度传感器、控制器和气体调节阀依次电连接；通过气体调节阀开度控制预分馏段灵敏板P51温度，从而保证预分馏段底部轻中间组分的浓度，防止轻中间组分从隔板下方进入侧线段，从而影响下侧线产品纯度。

实施例2一种Kaibel分壁精馏塔的控制方法

采用实施例1所述的带有所述控制结构的Kaibel分壁精馏塔分离苯-甲苯-二甲苯和均三甲苯的四元混合物。轻组分苯自塔顶采出，中间组分甲苯和二甲苯分别自上侧线和下侧线采出，重组分均三甲苯自塔釜采出。

TC2控制回路通过塔顶回流量控制精馏段灵敏板M6的温度，从而保证塔顶产品苯的纯度；TC4控制回路通过上侧线采出流量控制侧线段上方灵敏板M24的温度，从而保证上侧线产品甲苯纯度；PTC3控制回路通过下侧线产品流量控制侧线段下方灵敏板M51的温度和压力，从而保证下侧线产品二甲苯纯度；TC1控制回路通过再沸器负荷控制提馏段灵敏板M63温度，从而保证塔釜产品均三甲苯纯度；TC3控制回路通过分壁精馏塔内部分气比控制预分馏段灵敏板P51温度。各PID控制器的延迟时间均为1min。

PTC3控制器的输入信号为通过灵敏板M51上温度和压力测定值计算得到的组分二甲苯的浓度值。计算公式为：

x_X＝(c₁×p+c₂)×T+c₃×p+c₄ Ⅰ

式中，x_X表示M51上液相中二甲苯的浓度；p表示M51上的压力，单位为MPa；T表示M51上的温度，单位为K；c₁、c₂、c₃、c₄均为相关系数。通过二甲苯和三甲苯在不同压力下的气液相平衡数据(见表1所示)，可以得到四个方程。将四个方程形成一个矩阵，计算得到系数c₁、c₂、c₃、c₄的值分别为-0.0574，0.0228，26.6，-11.3(见表2所示)。由此，可以得到M51上组分二甲苯的浓度计算公式为：

x_X＝(-0.0574×p+0.0228)×T+26.6×p-11.3。

将此公式应用于PTC3控制回路，控制器PTC3的输出信号将随着M51上的温度和压力的变化而变化。

表1不同压力下，二甲苯和均三甲苯的气液相平衡数据

表2c₁、c₂、c₃、c₄计算值

在分壁精馏塔平稳运行2h后，进料流量出现±25％的扰动，从原来的3600kmol/h变为4500kmol/h或2700kmol/h。图4是四个产品纯度的变化情况。从图中可以看出，在该控制方法下，进料流量F发生±20％扰动后，甲苯产品纯度在10h左右后恢复平稳，回到0.9887和0.9895，余差小于0.5％。其他产品纯度均合格。这说明该控制结构可以很好的应对±25％的进料流量扰动，具有较好的鲁棒性和稳定性。

实施例3

采用实施例1的带有控制结构的Kaibel分壁精馏塔，分离苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯的四元混合物。在分壁精馏塔平稳运行2h后，进料中甲苯组分浓度出现±25％的扰动，从原来的25mol％变为31.25mol％或18.75mol％。图5是四个产品纯度的变化情况。从图中可以看出，在该控制方法下，进料中甲苯组分浓度出现±25％的扰动后，甲苯产品纯度在8h左右后恢复平稳，回到0.9902和0.9892，余差小于0.5％。其他产品纯度均合格。这说明该控制结构可以很好的应对±25％的进甲苯浓度的扰动，具有较好的鲁棒性和稳定性。

实施例4

采用实施例1的带有控制结构的Kaibel分壁精馏塔，分离苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯的四元混合物。在分壁精馏塔平稳运行2h后，进料中二甲苯组分浓度出现±25％的扰动，从原来的0.25变为0.3125或0.1875。图6是四个产品纯度的变化情况。从图中可以看出，在该控制结构下，进料中二甲苯组分浓度出现±25％的扰动后，二甲苯产品纯度在8h左右后恢复平稳，回到0.9902附近，余差小于0.5％，产品纯度合格。其他产品纯度均合格。这说明该控制结构可以很好的应对±25％的二甲苯浓度的扰动，具有较好的鲁棒性和稳定性。

本领域技术人员应当理解，运用本发明所述的控制结构和基于此控制结构的控制方法，可以实现所述苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯混合体系的进料流量或进料中其他组分含量发生波动，尤其是发生≥25％扰动时的平稳控制；而且也同样适用于Kaibel分壁精馏塔分离其他多组分混合物的稳定控制。

本发明提供的控制结构及控制方法特别适用于Kaibel分壁精馏塔以及类似结构的分壁精馏塔，具有显著地经济效益和广阔的应用前景。相关领域的人员完全可以根据本发明提供的方法进行适当改动或变更，应用于所有三组分、四组分和多组分混合物的高纯度分离过程。需要特别说明的是，所有这些通过对本发明提供的控制结构和控制方法进行相类似的改动或变更与重新组合，对本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为在本发明的精神、范围和内容中。

Claims (8)

1.一种Kaibel分壁精馏塔的控制结构，包括五个控制回路，分别为：

（1）下侧线段压力补偿的温度控制回路，包括设置在侧线段下方灵敏板上的温度传感器、压力传感器、控制器和下侧线产品出料泵，其中所述温度传感器和控制器电连接，压力传感器和控制器电连接，所述控制器与下侧线产品出料泵电连接；

（2）上侧线段温度控制回路，包括设置在侧线段上方灵敏板的温度传感器、控制器和上侧线产品出料泵，其中温度传感器、控制器和上侧线产品出料泵依次电连接；

（3）塔顶温度控制回路，包括设置在精馏段灵敏板的温度传感器、控制器和塔顶回流泵，其中温度传感器、控制器和塔顶回流泵依次电连接；

（4）提馏段温度控制回路，包括设置在提馏段灵敏板的温度传感器、控制器和再沸器，其中温度传感器、控制器和再沸器依次电连接；

（5）预分馏段温度控制回路，包括设置在预分馏段灵敏板的温度传感器、控制器和Kaibel精馏塔内部的气体调节阀，其中温度传感器、控制器和气体调节阀，依次电连接；

其中，所述控制回路中的控制器采用PID控制器。

2.根据权利要求1所述的Kaibel分壁精馏塔的控制结构，其特征在于，所述气体调节阀设置在Kaibel精馏塔内部提馏段顶部。

3.一种Kaibel分壁精馏塔的控制方法，所述控制方法基于权利要求1或2所述的控制结构，包括：

I. 确定预分馏段、上侧线段、下侧线段、精馏段和提馏段的灵敏板位置；

II. 设置所述下侧线段压力补偿的温度控制回路，通过压力传感器和温度传感器将所述侧线段下方灵敏板的压力和温度信号转变为电流信号传送到控制器，经过处理后将新的电流信号传送到下侧线产品出料泵，通过调节下侧线产品的流量控制所述侧线段下方灵敏板的压力和温度；

设置所述上侧线段温度控制回路，通过温度传感器将所述侧线段上方灵敏板的温度信号转变为电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给上侧线产品出料泵，通过调节上侧线产品的流量控制所述侧线段上方灵敏板的温度；

设置塔顶温度控制回路，通过温度传感器将所述精馏段灵敏板的温度信号转变为电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给塔顶回流泵，通过调节塔顶回流量控制所述精馏段灵敏板的温度；

设置提馏段温度控制回路，通过温度传感器将所述提馏段灵敏板的温度信号转变为电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给再沸器，通过调节再沸器负荷控制精馏段灵敏板温度；

设置预分馏段温度控制回路，通过温度传感器将所述预分馏段灵敏板的温度信号转变为电信号传送给控制器，经过处理后将新的电流信号传送给所述气体调节阀，通过调节阀门开度来调整分壁精馏塔内部的分气比从而控制预分馏段灵敏板的温度。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述灵敏板由奇异值分解法或灵敏度分析法确定位置。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，各个PID控制器采用Tyreus-Luyben方法进行参数整定。

6.权利要求3至5中任一项所述的Kaibel分壁精馏塔的控制方法在分离多组分混合物中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述多组分混合物选自≥3组分的混合物。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述多组分混合物选自三组分、四组分、五组分、六组分的混合物。

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