CN113304497B - 压力非恒定条件下精馏塔的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法及控制系统，涉及精馏塔自动化控制技术领域，通过建立塔内温度与压力的数学模型作为被控对象的目标控制函数并参与控制系统，保障产品纯度质量指标。建立塔顶部回流口附近塔层的温度与压力数学模型作为该层温度目标控制函数，通过调节主要控制变量塔顶回流量对该层温度进行控制，保障塔顶产品纯度质量指标。建立塔中部进料口附近塔层的温度与压力数学模型作为该层温度目标控制函数，通过调节主要控制变量塔底加热量对该层温度进行控制，保障塔底纯度质量指标。本发明可以控制在物料平衡、能量平衡的最佳稳定状态，使产量、质量及能耗指标明显改善。

Description

压力非恒定条件下精馏塔的控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及精馏塔自动化控制技术领域，尤其是涉及一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法及实施该控制方法的控制系统。

背景技术

60万吨/年丙烷脱氢制丙烯生产装置：原料丙烷经汽化器完全汽化后进入到反应器中进行脱氢反应，通过脱乙烷塔将乙烷及轻组份从塔顶分离到气体混合器中，丙烯及其他物质进入到产品分离塔（精馏塔），该塔将丙烯从塔顶分离至产品储槽，丙烷及其他物质从塔底进入到丙烷回收塔，该塔将剩余丙烷分离至汽化器做为循环丙烷再汽化，重组份从塔底给燃烧炉。

一般情况下精馏塔的操作压力都是恒定的即为准常数，温度的变化可以近似代表了丙烯纯度的变化，控制了温度的恒定就控制了合格的纯度。

对于压力变化的精馏塔（比如，设计压力冬季：1.68MPa，夏季压力： 2.08MPa；季节变换使塔压力变化0.4MPa），若再用控制温度恒定来保障合格纯度的丙烯产品显然是不行的，那只有建立温度与压力的数学模型作为被控温度的目标函数进行控制，才能保障稳定合格丙烯纯度的产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法及控制系统，通过塔内压力变化控制温度变化，利于保障产品纯度。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法，包括以下内容，实时监控精馏塔内的压力值P；依据所述压力值P调控所述精馏塔相应塔层的温度值，以用于保障产品纯度质量指标。

进一步地，依据所述压力值P控制精馏塔顶部回流口附近塔层温度T1，且所述温度T1与所述压力值P之间存在数学模型

。

进一步地，依据所述压力值P控制精馏塔中部物料进口附近的塔层温度T2，且所述温度T2与所述压力值P之间存在数学模型

。

进一步地，所述压力值P与所述温度T1的关系为

；

所述压力值P与所述温度T2的关系为

。

进一步地，当塔顶产品的纯度满足质量指标时，

；

；

；

；

当塔底的纯度满足质量指标时，

；

；

；

。

进一步地，通过调节主要控制变量塔顶回流量对所述温度T1进行控制。

进一步地，通过调节主要控制变量塔底加热量改变再沸气流入所述精馏塔的量以控制所述温度T2的变化。

本发明提供一种实施所述的压力非恒定条件下精馏塔的控制方法的控制系统，包括压力检测装置和温控装置，其中，所述压力检测装置与所述温控装置相连接，所述压力检测装置用于检测精馏塔塔顶的压力值P，所述温控装置通过分析所述压力检测装置传输的压力信号能调节所述精馏塔相应塔层的温度。

本发明提供了一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法，包括以下内容，实时监控精馏塔内的压力值P；依据该压力值P调控精馏塔相应塔层的温度值，以用于保障塔顶产品纯度的质量指标。精馏塔对应塔层的温度值与压力P之间存在数学模型，即T=f(P)，使得当对应塔层的温度被控制在与数学模型曲线重合或附近时，精馏塔生产过程控制在物料平衡、能量平衡的最佳稳定状态，能使产量、质量及能耗指标明显改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的实施压力非恒定条件下精馏塔的控制方法的控制系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的当需要控制得到丙烯的纯度为99.96%、循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%工艺指标时，

以及

的曲线图。

图中1-精馏塔；2-丙烯回流口；3-物料进口；4-再沸气入口；5-丙烯冷凝器；6-回流阀；7-再沸器；8-加热阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

对于压力恒定的精馏塔，温度的变化可以近似代表了丙烯纯度的变化（即不同的温度得到不同纯度的丙烯），换句话说，若控制了温度的恒定，能得到需要纯度的丙烯。但对于塔内压力值发生变化的精馏塔，若再用控制温度恒定来保障合格纯度的丙烯，显然是不行的。

基于上面的内容，本发明提供了一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法，包括以下内容，实时监控精馏塔1内的压力值P；依据压力值P调控精馏塔1相应塔层的温度值，以用于保障产品纯度的质量指标。即精馏塔1内的温度并不是恒定不变的，依据监控到的精馏塔1（塔顶）的压力值P，来调整精馏塔相应塔层的温度，以用于保障产品纯度的质量指标。

本发明通过采集塔顶压力值P以及对应塔层的温度值，建立了温度与压力P之间的数学模型，即T=f(P)，使得当对应塔层的温度被控制在与数学模型曲线重合或附近时，可以得到精馏塔的最佳运行效果。

关于“调控精馏塔1相应塔层的温度值”，具体说明如下，依据压力值P调控靠近精馏塔丙烯回流口2（精馏塔顶部回流口）的塔层温度，以保障丙烯的产品纯度99.96%（丙烯的产品纯度99.96%为纯度满足质量指标时的纯度值）。依据压力值P调控靠近精馏塔物料进口3（精馏塔中部物料进口）的塔层温度，以保障塔底循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%。比如，依据压力值P调控物料进口3下一塔层的温度T2和调控丙烯回流口2上一塔层的温度T1。参见图1，示意出了调控精馏塔1的B段第53塔层的温度T1，调控精馏塔1的A段第106塔层的温度T2。图1中，精馏塔1为两段，A段：直径9.7米、高94.5米、塔盘135层、重1600吨；B段：直径9.1米、高94.9米、塔盘155层、重1400吨。

关于压力值P与温度T1的关系为，优选为如下：

，其中，A1、B1、C1、以及D1为系数值；关于压力值P与温度T2的关系为，优选为如下：压力值P与温度T2的关系为

，其中，A2、B2、C2、以及D2为系数值。

具体举例如下：当控制得到丙烯的纯度为99.96%时，此时，压力值P与温度T1的关系优选为

；当控制循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%工艺指标时，压力值P与温度T2的关系优选为

。

这里，要说明的是，当控制得到丙烯的纯度为99.96%时，A1、B1、C1、以及D1的取值不限于仅为711.4097、6.8196、7600以及218，A1、B1、C1、以及D1可以在合理的范围内波动，均在发明的保护范围之间。比如

；

；

；

。

当控制循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%工艺指标时，A2、B2、C2、以及D2的取值不限于仅为716.82747、6.82973、7600以及209.614，A2、B2、C2、以及D2可以在合理的范围内波动，均在发明的保护范围之间。比如

；

；

；

。

通过采集一年多大量塔顶压力P与精馏塔顶部回流口上一塔层的温度数据，经过数据分析、处理回归得到使产品丙烯含量达到纯度为99.96%工艺指标的数学模型

，做为控制目标函数，通过实时采集精馏塔1（塔顶）的压力值P，使丙烯回流口2上一塔层的温度T1（T₅₃）值被控制在与

（T₅₃.sp）曲线重合或附近，也就控制了对应塔层塔盘丙烯纯度，进而最终控制丙烯的纯度。

同理，通过对精馏塔相应数据的采集，建立使循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%工艺指标时塔顶压力P与精馏塔物料进口3下一塔层温度数学模型

，做为控制目标函数，通过实时采集精馏塔1（塔顶）的压力值P，使精馏塔物料进口3下一塔层温度T2（T₁₀₆）被控制在与

（T₁₀₆.sp）曲线重合或附近，也就控制了对应塔层塔盘丙烷纯度。

关于调控靠近精馏塔丙烯回流口2的温度，具体方法如下：通过调节从丙烯冷凝器5至丙烯回流口2的丙烯回流量以控制温度T1。参见图1，示意出了回流阀6，通过控制回流阀6，可以控制丙烯回流至丙烯回流口2的回流量以调节靠近精馏塔丙烯回流口2的温度。

关于调控靠近精馏塔物料进口3的温度，具体方法如下：通过调节再沸器7上的加热阀8的蒸汽量使再沸气量变化经再沸气入口4进入塔内以控制靠近精馏塔物料进口3的温度T2。参见图1，示意出了加热阀8，通过控制加热阀8的蒸汽量使再沸气量变化经过再沸气入口4进入到精馏塔1中，进而，控制了T2温度的变化。

一种实施压力非恒定条件下精馏塔的控制方法的控制系统，包括压力检测装置和温控装置，其中，压力检测装置与温控装置相连接，压力检测装置用于检测精馏塔塔顶的压力值P，温控装置通过分析压力检测装置传输的压力信号能调节精馏塔相应塔层的温度。

具体举例说明如下：当需要控制得到丙烯的纯度为99.96%、循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%工艺指标时，压力检测装置实时检测精馏塔1塔顶的压力值P，通过模型

、

，计算出需要调控的靠近精馏塔物料进口3的塔层温度（比如精馏塔1的A段第106塔层的温度T₁₀₆.sp）以及计算出需要调控的靠近精馏塔丙烯回流口2的塔层温度（比如精馏塔1的B段第53塔层的温度T₅₃.sp），通过温控装置回流阀6的开关状态以及开度的大小，控制丙烯回流至丙烯回流口2的回流量以调节靠近精馏塔丙烯回流口2的温T1，通过温控装置控制加热阀8的蒸汽量使再沸气量变化经过再沸气入口4进入到精馏塔1中，进而，控制了T2温度的变化。

参见图1，各字母的具体含义如下：

Fin：精馏塔进料流量 U₁：空气冷凝器调节阀∑：加法器

P：塔顶压力 U₂：回流阀η：组分量

T₅₃：B段第53层塔盘温度 U₃:塔釜加热阀

：比较器

T₁₀₆：A段第106层塔盘温度 U₄：过料阀

L：塔釜液位 FF:前馈信号

F₁：回塔流量 FC：流量控制器

F₂：加热蒸汽流量 PID：比例积分微分控制器

参见图1，示意出了精馏塔进料流量Fin，塔顶气相压力P由PID₁₁控制空气冷凝器调节阀U₁调节，通过丙烯冷凝器5变化为液相一部分做为产品流出，另外部分流量F₁经过回流阀U₂进入塔中；回塔流量F₁由流量控制器FC控制，PID₂₂比较B段第53层塔盘温度T₅₃以及通过数学模型T₅₃.sp得到塔顶压力P对应的目标温度，用PID₂₁、ηFin为前馈量FF，PID₂₂的输出作为流量控制器FC的给定值。

根据物料平衡PID₄₄通过调节过料阀U₄保障塔釜液位L稳定。釜液另外部分通过再沸器7产生气相进入塔再沸气入口4中。再沸器7加热量由流量控制器FC通过控制塔釜加热阀U₃进行调节。PID₃₃较A段第106层塔盘温度T₁₀₆以及通过数学模型T₁₀₆.sp得到塔顶压力P对应的目标温度，用PID₃₁、PID₃₄、(1-η)Fin为前馈量FF，PID₃₃的输出作为流量控制器FC的给定值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种压力非恒定条件下精馏塔的控制方法，其特征在于，包括以下内容，

实时监控精馏塔内的压力值P；

依据所述压力值P调控所述精馏塔相应塔层的温度值，以用于保障产品纯度质量指标；

依据所述压力值P控制精馏塔顶部回流口附近塔层温度T1，且所述温度T1与所述压力值P之间存在数学模型

；

依据所述压力值P控制精馏塔中部物料进口附近的塔层温度T2，且所述温度T2与所述压力值P之间存在数学模型

；

所述压力值P与所述温度T1的关系为

；

所述压力值P与所述温度T2的关系为

；

当塔顶产品丙烯的纯度为99.96%，

；

；

；

；

当塔底循环丙烷含丙烯量为1.6%~2.2%时，

；

；

；

；

即A1、B1、C1以及D1在合理的范围内波动；

A2、B2、C2以及D2在合理的范围内波动。

2.根据权利要求1所述的压力非恒定条件下精馏塔的控制方法，其特征在于，通过调节主要控制变量塔顶回流量对所述温度T1进行控制。

3.根据权利要求1所述的压力非恒定条件下精馏塔的控制方法，其特征在于，通过调节主要控制变量塔底加热量改变再沸气流入所述精馏塔（1）的量以控制所述温度T2的变化。

4.一种实施权利要求1-3中任一项所述的压力非恒定条件下精馏塔的控制方法的控制系统，其特征在于，包括压力检测装置和温控装置，其中，

所述压力检测装置与所述温控装置相连接，所述压力检测装置用于检测精馏塔塔顶的压力值P，所述温控装置通过分析所述压力检测装置传输的压力信号能调节所述精馏塔相应塔层的温度。

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