分隔壁塔双效精馏系统大幅度变负荷控制策略研究

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过程强化技术与传统工艺相比较,可以有效降低原材料成本和建设投资、节约能耗,并能够增强安全性,是当代化工创新的推动力。本文的研究对象为一种涉及分隔壁塔、双效精馏、循环回收废热的复杂热集成精馏工艺(DDE),用于分离某合成工艺中间产品(四元混合物)。工业应用数据表明本工艺可以大幅降低能耗,但是流程的高耦合度增加了控制难度,现有的控制方案能够克服进料流量和浓度±10%的扰动,但对于大幅改变处理量以及开停车过程仍然需要手动操作,因此本文主要研究大幅度增加或减少负荷的控制策略以及开停车过程的方案,为工艺的工业应用提供指导,具体的内容包括:(1)采用Aspen Plus Dynamics对工艺进行了动态建模,建立了热集成网络,并根据工业应用数据对模型进行修正,考虑了跨壁传热和汽相分配比等关键部分的设置。(2)基于对过程的理解以及奇异值分解和稳定性分析,选择了6种具有代表性的反馈控制方案,将其应用于大幅度降负荷过程,进行动态行为分析,并对比了各方案的蒸汽消耗量,达到稳定的时间以及不合格产品量。温度控制响应和浓度控制响应表明:回流量控制温度剖型方案造成系统不稳定,蒸汽量和侧线出料量参与温度控制不能使系统回到设计值。所有方案均产生较多不合格产品,控制效果较差。(3)详细分析了传统反馈控制方案产生问题的原因,为了克服其缺陷,提出了一种结合温差控制、前馈控制、模型预测控制以及反馈控制的高级方案。结果表明温差控制方案优于单点温度控制方案,为了进一步减少不合格产品量,提出分段关联进料量与控制目标,最优的高级控制方案与传统反馈方案相比,蒸汽耗量节省77%,达到稳定的时间缩短79%,且不产生不合格产品。将最优控制方案应用于停车过程,比传统方案产生的不合格甲缩醛减少54%,不合格甲醇减少73%,但是停车时间长35%,故新方案不适用于紧急停车过程控制。(4)详细分析了开车过程,并将其分为三阶段,分别讨论了每一阶段的控制策略,并对比了不同开车形式的优缺点。对于第一阶段和第二阶段,采用水开车与原料开车耗用蒸汽量相当,但是稳定时间短6.9%,且不产生不合格产品;采用原料液开车甲醇产品中会含有较多甲缩醛,产生大量不合格产品。对于第三阶段,将降负荷讨论的方案应用于升负荷过程,结果表明各方案的优劣趋势与降负荷过程一致。但是,本文没有考虑负荷变动过程中进料浓度改变等扰动的克服,以及断料、停供蒸汽、设备故障等紧急问题的自动处理机制,这些问题将在未来进行研究。
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