【技术实现步骤摘要】
一种基于间歇过程的隔离壁精馏塔系统及其控制方法
[0001]本专利技术属于化工过程的间歇精馏领域。具体涉及一种隔离壁精馏塔结构及其控制系统，应用于基于间歇过程的、分离三元物系的分离任务。
技术介绍
[0002]精馏是化工领域中的一种技术成熟，应用广泛的单元操作,它在石油、化肥、制药等行业中都表现出了重要的作用。精馏可以分为两大类：即连续精馏和间歇精馏。间歇精馏过程较连续精馏来说研究资料较少，但有许多独特的优点，它能适应各种特殊的工况，可以胜任不同条件下的混合物分离任务，使用灵活，因此也被广泛地应用于高附加值产品的生产，如药品和特种化学品。不仅如此，间歇精馏还有许多令人感兴趣的优势，例如能够实现在一个精馏塔中分离含有三种及以上主要成分的混合物；间歇精馏在操作前只进行一次大量进料，然后再封闭进出口，进行后续精馏操作，这避免了进料流量和进料成分对运行中系统造成的干扰；还可以应用于高沸点、高凝固点、热敏性材料等特殊物系的分离等。然而，间歇精馏过程也是高能耗、低热效率的化工单元操作，间歇精馏的节能减排技术有待深入研究。
[0003]在间歇精馏最近二十余年研究工作中，学者们主要在不断开发适用于不同工况的特殊间歇精馏塔结构。白鹏等人提出了动态累积全回流间歇精馏塔工艺，可以有效提高分离效率，自动实现产品切换。中间容器间歇精馏也是一种常见的间歇精馏结构，Luyben探讨了Aspen Dynamics在中间容器间歇精馏仿真模拟中的应用，该间歇精馏过程在计算机软件中的搭建与运行成功模拟了实际生产中的间歇精馏过程，并取得了纯度达到9...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于间歇过程的隔离壁精馏塔系统，用于对三组分物系的分离；根据精馏塔的内部添加隔板的位置不同，分成三种情形：(1)隔板将精馏塔内部分为三个部分，可将这三部分等效为三个精馏塔连接，即隔板上方部分(以下简称UP塔)，隔板左侧部分(以下简称BL塔)，隔板右侧部分(以下简称BR塔)；原料从BL塔和BR塔釜进料，由于是间歇精馏，物料在塔釜中一次性进料到指定摩尔量后，关闭结构所有的进出口开始精馏；物料随着BL，BR塔的各自再沸器加热逐渐进入UP塔，最终在UP塔塔顶回流罐中被全部冷凝，液相物料遵循一定的液相分割比，分别向下回流至BL塔和BR塔中，构成整个物料循环；在精馏结束时，挥发度最大的组分在UP塔回流罐中收集，中间挥发度的组分在BL塔塔釜中收集，挥发度最小的组分则在BL塔塔釜中收集；由于本结构中，BR塔塔釜没有流出到BL塔的通道，所以一旦最小挥发度的物质进入到BR塔塔釜，将无法移出；为了避免这种情况，在BR塔塔釜的进料不能包含最小挥发度的组分，而BL塔塔釜进料可以包含三种挥发度的组分；原料中的最小挥发度组分如果有部分在BL塔再沸器中被汽化，进入到UP塔中，在回流罐中被冷凝，将会向下逐渐进入BL和BR塔，因此这时需要对进入BR塔的最小挥发度组分浓度进行实时检测，高于指定浓度时，调整进入BL塔和BR塔的液相分割比，使得更多的最小挥发度组分保留在BL塔塔釜，以提高BL塔的产量，同时避免最小挥发度组分进入BR塔，保证该处中间挥发度组分的产品纯度；分别使用三个压力控制器对三座塔的塔顶压力进行控制，PCtop是反作用控制器，通过操纵冷凝器的冷负荷对UP塔的操作压力进行控制，PCBL、PCBR是正作用控制器，通过操纵馏出BL、BR塔塔顶流股上的阀门开度对塔的操作压力进行控制；此外，为了阻止UP塔塔釜中积聚过量的产品，降低产率，需要设置液位控制器LCbase，因此控制器的控制变量即为UP塔的塔釜液位，操纵变量为UP塔塔底部液相馏出流股的阀门开度；以上的3个压力控制器和1个液位控制器都是控制结构的基础部分，无论是浓度控制还是温度控制方案，上述控制器需要一直存在；设置了两个浓度控制器，其一通过UP塔回流量对UP塔回流罐中主要杂质即中间挥发度的组分的浓度进行控制，操纵变量即为UP塔的质量回流量，为了防止过低的回流量造成的危害，因此在浓度控制器后设置一个高选器，其中高选器的设定值为质量回流量的初值；另一个浓度控制器则构成一个比值控制系统，操纵隔离壁精馏塔的液相分配比，该功能通过乘法器模块实现；乘法器的两输入分别为流向BL塔的液相流量和该浓度控制器的输出，乘法器的输出则是控制流向BR塔的液相流量控制器的设定值；该浓度控制器的控制变量是BL塔的汽相产品流股中挥发度最小组分的摩尔浓度；浓度控制器均采用比例积分控制，用以消除余差，保证产品纯度和过程平稳；(2)隔板将精馏塔内部分为四个部分，将这四部分等效为四个精馏塔连接，即隔板上方部分(以下简称TOP塔)，隔板左侧部分(以下简称ML塔)，隔板右侧部分(以下简称MR塔)，隔板以下部分(以下简称BOT塔)，此外，由于产品收集需要，将MR塔测线采出流股连接到一个闪蒸罐MF，并将闪蒸罐MF的液相采出连接回MR塔中；在本结构中，原料从BOT塔塔釜进料，一批次进料完成后关闭本结构向外界的所有进出口；物料在BOT塔塔釜逐渐汽化进入ML塔和MR塔，再从各自塔顶馏出汇合进入到TOP塔；然后在TOP塔回流罐处全部冷凝，流下回到MR塔和ML塔，液相物料在MR塔中段侧线采出进入MF罐中，而物料MF罐在积聚到一定液位后返回MR塔；接着ML，MR塔内的物料又向下流至BOT塔的再沸器中，此后将以相同的过程继续在结
构内循环；精馏结束后，挥发度最大的组分在TOP塔回流罐中积聚，中间挥发度的组分在MF罐中积聚，挥发度最小的组分则在BOT塔塔釜中积聚；根据以上工艺流程可以设计控制系统进行控制；使用四个压力控制器对四座塔的塔顶压力进行控制，PCtop是反作用控制器，通过操纵冷凝器的冷负荷对TOP塔的操作压力进行控制，PCleft，PCright，PCbot是正作用控制器，通过操纵各自塔顶馏出汽相流股上的阀门开度实现对塔操作压力的控制；对不收集产品的位置，设置了两个液位控制器LCleft和LCright，控制变量为ML、MR塔的塔釜液位，操纵变量为对应塔底部液相馏出流股的阀门开度；再设置核心的浓度控制系统，在本结构中，浓度控制器共设置两个，其一通过TOP塔质量回流量对TOP塔回流罐中主要杂质即中间挥发度组分的浓度进行控制；另一个则构成浓度
‑
流量串级控制系统对储罐MF内主要杂质即挥发度最小的组分的浓度进行控制，浓度控制器的输出作为控制MF罐回流到MR塔的液相流股的流量控制器的设定值；(3)隔板将精馏塔内部分为三个部分，将这三部分等效为三个精馏塔连接，即隔板上方部分(以下简称UL塔)，隔板左侧部分(以下简称UR塔)，隔板以下部分(以下简称LOW塔)，本结构原料可以从UL塔塔顶和LOW塔塔釜进料；但由于本结构中，UR塔塔顶没有流出到UL塔的通道，所以一旦挥发度最大的组分进入到UR塔塔顶，将无法移出；为了避免这种情况，在LOW塔塔釜的进料不能包含挥发度最大的组分，而UL塔塔顶进料可以包含三种挥发度的物质；进料完成后，关闭所有结构向外界的所有进出口，开始精馏；从UL塔顶进入的原料逐渐流下到LOW塔，然后在其再沸器和其他原料一起被汽化，在物料向上准备进入到UL塔和UR塔时，对进入UR塔中物料的挥发度最大组分浓度进行检测，高于指定浓度时，减少UL塔的质量回流量；精馏结束后，最大挥发度组分在UL塔回流罐中收集，中间挥发度组分在UR塔塔顶回流罐中收集，挥发度最小的组分则在LOW塔塔釜中收集；因此共设置三个压力控制器和两个液位控制器；其中压力控制器PCleft和PCright是反作用控制器，通过操纵冷凝器的冷负荷对UL，UR塔的操作压力进行控制，压力控制器PClow是一个正作用控制器，通过操纵馏出LOW塔塔顶流股上的阀门开度对LOW塔的操作压力进行控制；液位控制器LCleft和LCright的控制变量为UL，UR塔的塔釜液位，操纵变量为对应塔底部液相馏出流股的阀门开度；控制系统的核心部分是浓度
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液位控制；浓度控制器共设置两个，其一通过UL塔质量回流量对进入UR塔的汽相流股中主要杂质即挥发度最大组分浓度进行控制；另一个则和液位控制器构成浓度
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液位串级控制系统对LOW塔塔釜主要杂质即中间挥发度组分的浓度进行控制，浓度控制器的输出作为控制LOW塔的液位的液位控制器的设定值，而液位控制器则通过操纵LOW塔塔釜热负荷实现对塔釜液位的控制。2.一种基于间歇过程的隔离壁精馏塔控制方法，其特征在于：包含隔板在塔底部的情形(1)，隔板在塔中的情形(2)，隔板在塔顶部的情形(3)；(1)对于隔板在塔底部的情形，从塔结构，塔的控制系统，精馏操作步骤三部分分别进行介绍：对于塔的结构，塔内的隔板将精馏塔内部空间分隔成了三个部分，将这三部分等效为三个精馏塔连接，包括隔板顶部以上部分(UP塔)，隔板左侧部分(BL塔)，隔板右侧部分(BR塔)；各个等效精馏塔间的流股都配备了泵，压缩机和阀门，原料的具体流向路径是：原料从两处原料进入位置同时进入，简称为原料1和原料2；原料1经过一个阀门后进入
BL塔塔釜，在BL塔中被逐级蒸上为汽相，蒸出BL塔后依次通过一个压缩机和一个阀门进入UP塔塔釜，在UP塔被逐级蒸上进入UP塔回流罐，然后在回流罐中被全部冷凝为液相，液相物料在UP塔中逐级向下流回塔釜，接着从UP塔塔釜流出，再依次通过一个泵，一个阀门和一个分流器分流成为两股，两股分流又分别通过一个阀门后进入BL塔和BR塔塔顶，再随着塔板逐级往下回到塔釜，开始一轮新的循环；原料2经过一个阀门后进入BR塔塔釜，在BR塔中被逐级蒸上为汽相，蒸出BR塔后依次通过一个压缩机和一个阀门进入UP塔塔釜，后续原料的流动路径和原料1相同；在一段时间后，三个产品罐会积聚相应产品，即UP塔回流罐会积聚高纯度的三元物系中挥发度最高的组分即产品1，BR塔塔釜会积聚高纯度的三元物系中挥发度居中的组分即产品2，BL塔塔釜会积聚高纯度的三元物系中挥发度最低的组分即产品3；原料1包含三元物系中的所有三种组分，但原料2中只能包含三元物系中挥发度最高和挥发度居中的组分，其中原料进入位置和产品罐的体积由进料情况通过密度计算得出，注意原料进入位置在进料完成后的液位不得超过最大液位的80％；对于塔的控制系统，所用到的控制器均采用比例积分(PI)控制，积分作用用于消除余差，维持控制过程平稳；绝大多数控制器的比例系数(P)和积分时间(I)经临界比例度法计算得出；临界比例度法通过试验得出控制器参数，试验具体操作步骤为：向控制系统输入阶跃信号，设置控制器的初始积分时间(I)为大于9999分钟的值，初始比例系数(P)为小于0.01的值；然后逐渐调大比例系数，积分时间维持不变，直到控制器的阶跃响应为等幅振荡曲线，此时视为试验结束，记录此时的控制器比例系数K
p
，阶跃响应曲线的相邻两个波峰距离为T
r
；根据经验公式计算得出控制器在真正用于系统运行时使用的比例系数K和积分时间T；计算公式为：K＝0.45K
p
，T＝0.83T
r
；控制器所组成的控制系统分为基础控制系统和质量控制系统两部分：控制器的设定值即为精馏开始前塔本身的值；包含压力控制器PCtop，输入为UP塔塔顶的压力，输出为UP塔的冷凝器负荷，当压力超过设定值，即偏差为正时，控制器会降低输出，即降低UP塔冷凝器负荷，此类控制作用以下简称为反作用，反之简称为正作用，从而维持UP塔塔顶压力稳定，比例系数和积分时间分别采用化工控制领域常用的经验值20和12分钟进行设定；压力控制器PCBL为正作用控制器，输入为BL塔塔顶的压力，输出为BL塔顶汽相流股上的阀门开度；压力控制器PCBR为正作用控制器，输入为BR塔塔顶的压力，输出为BR塔顶汽相流股上的阀门开度；液位控制器LCbase为正作用控制器，输入为UP塔塔釜液位，输出为UP塔塔底液相流股上阀门的开度，这里注意由于UP塔塔釜不是产品收集点，故初始液位仅设置为最大液位的1％，防止产品在此处积聚影响产率；基于其工艺流程设计的包括浓度和温度两种控制方案；采用之一即可；其中浓度控制方案在基础控制系统上添加浓度控制器CCtop，控制作用为正，输入为UP塔回流罐中主要杂质即原料中三种组分内挥发度居中的组分的浓度，控制器设定值则依照使用者要求的最高杂质浓度而定，控制器输出即为UP塔的质量回流量；在浓度控制器CCtop后设置一个高选器，其中高选器的设定值为...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱行，徐文涛，黄克谨，陈海胜，苑杨，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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