何桂春，伍 祥，潘 慧，張 英，薄德臣，凌 昊

（1.華東理工大學 化工學院 化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200237；2.中國石化 撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

分壁精餾塔（DWC）是一種典型的化工過程強化設備，在多組分混合物分離方面，比常規(guī)精餾塔具備節(jié)能優(yōu)勢［1］。目前，對于分離三/四組分混合物DWC 的研究主要集中于穩(wěn)態(tài)設計計算［2］、動態(tài)控制［3-5］及實際應用［6-7］等方面。Kaibel DWC（KDWC）最早由Kaibel［8］提出，但因KDWC 的內(nèi)部流股復雜、耦合度高、自由度偏多、工業(yè)設計困難、動態(tài)控制策略復雜不易實施等原因，而未得到大范圍的工業(yè)化應用。近些年對KDWC 的研究逐漸深入。穩(wěn)態(tài)設計上，Halvorsen 等［9-11］對KDWC 進行研究，提出了兩種穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型。動態(tài)控制上，Abid 等［12］采用常規(guī)溫度控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對KDWC 的穩(wěn)定控制。藺錫鈺等［13］提出了一種組分控制策略，實現(xiàn)了對KDWC 的穩(wěn)定控制。邱潔等［14］首次將壓力補償機制引入KDWC 的控制，建立了壓力補償-溫度控制結(jié)構(gòu)，能夠很好地應對進料流量或組分出現(xiàn)±20%擾動的工況。實驗方面，Dwivedi 等［15］搭建KDWC 小試裝置并通過4 點溫度控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了KDWC 的穩(wěn)態(tài)控制，能夠應對進料流量增大20%的擾動。此外，Ling 等［16-20］還對多隔板DWC 進行穩(wěn)態(tài)、動態(tài)模擬分析，實驗結(jié)果表明多隔板DWC 比KDWC 能耗更低。

本工作以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇四元混合物為研究對象，利用KDWC 小試實驗裝置分離該四元醇體系，在手動開車的基礎(chǔ)上，借助溫度控制方案實現(xiàn)了對KDWC 小試實驗裝置的自動化控制。并進一步考察了進料組成發(fā)生±20%波動后KDWC 小試實驗裝置的分離效果，驗證溫度控制策略的可行性。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及原料

采用Aspen Plus 軟件對用于分離甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇四元混合物的KDWC 進行嚴格模擬。進料溫度為83 ℃，流量為4.0 kg/h，以等摩爾比進料，具體組成見表1。

表1 原料各組分摩爾分數(shù)與質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mole ratio and mass ratio of each component of raw material

塔頂為常壓操作，塔板壓降為0.686 8 kPa，物性方法選WILSON 法。在規(guī)定4 個產(chǎn)品純度達到90%（x）的條件下，根據(jù)Luyben 等［21-22］提出的優(yōu)化方案對KDWC 進行優(yōu)化，獲得KDWC 小試裝置的設備及操作參數(shù)。圖1為KDWC 實驗裝置設計示意圖。

圖1 KDWC 實驗裝置設計示意圖Fig.1 Design diagram of KDWC experimental equipment.

由圖1（a）可知，全塔由7 段塔節(jié)組成，共計39 塊理論板。其中第1～2 段為預分餾段，理論板數(shù)為24 塊；第3 段為精餾段，理論板數(shù)為8 塊；第4～6 段為側(cè)線段，理論板數(shù)為24 塊；第7 段為提餾段，理論板數(shù)為7 塊。預分餾段和側(cè)線段平行安裝且高度相等，塔高共計約6.4 m。精餾段和提餾段直徑為90 mm，預分餾段直徑為70 mm，側(cè)線段直徑為60 mm。由圖1（b）可知，全塔共設15 個測溫點，其中預分餾段為5 個，主塔段為10 個，分別對應預分餾段的第4，7，10，17，22塊板和主塔的第2，6，8，12，16，21，25，30，35，39 塊板，塔內(nèi)填充規(guī)格為6×6 mm 的θ 環(huán)填料。塔頂、上側(cè)線及下側(cè)線分別設置一個產(chǎn)品采出口，連接3 臺智能蠕動泵，用于控制產(chǎn)品的采出流量，蠕動泵流量范圍為0.051～51 mL/min，對應轉(zhuǎn)速范圍為1～100 r/min，誤差在0.5%以內(nèi)；塔釜則設置液體溢流裝置，定期采出塔釜釜液。通過回流比控制器控制精餾段底部回流液至預分餾段和側(cè)線段的流量比例控制分液比大小，實際操作過程中裝置的分液比為0.40。設計分氣比為0.63，依靠調(diào)節(jié)設置于預分餾段和側(cè)線段底部的閥門的開度而得以控制，但由于氣相流量不易控制，控制精度較低，故實驗過程中不將分氣比作為操作參數(shù)，始終固定在0.63。

采用SIMATIC S7-300 系統(tǒng)監(jiān)測相關(guān)的溫度和壓力，在 PLC 邏輯控制程序內(nèi)編寫4 個溫度控制回路，實現(xiàn)對實驗裝置的自動化控制。圖2為KDWC 溫度控制回路中控制器調(diào)諧參數(shù)。由圖2可知，4 個控制回路分別為：塔頂采出控制塔頂靈敏板溫度為70 ℃；上側(cè)線采出控制上側(cè)線靈敏板溫度為81 ℃；下側(cè)線采出控制塔釜溫度為115.5 ℃；塔釜加熱負荷控制預分餾段底部靈敏板溫度為93.5 ℃。

4 個控制回路的PID 參數(shù)需要通過手動調(diào)諧確定，結(jié)果如表2所示。

圖2 溫度控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Temperature control structure of KDWC.TC x：Temperature control loop x.

表2 KDWC 溫度控制回路中控制器調(diào)諧參數(shù)Table 2 Controller tuning parameters of conventional temperature control loop in KDWC

此外，上位機人機交互界面組態(tài)通過WinCC軟件實現(xiàn)。原料和產(chǎn)品組成采用北京中惠普分析技術(shù)研究所GC1120 型氣相色譜儀進行分析，F(xiàn)ID 檢測，中國科學院蘭州化學物理研究所PEG-20M 型毛細管色譜柱（30 m×0.32 mm×0.5 mm）；柱箱溫度70 ℃，進樣器溫度160 ℃，檢測器溫度200 ℃，進樣量為0.1 μL，采用峰面積歸一化法進行產(chǎn)品質(zhì)量分析。

1.2 實驗步驟

KDWC 開車流程主要分為3 個階段：全回流階段、間歇精餾階段和連續(xù)精餾階段。全回流階段的目的在于初步建立全塔塔內(nèi)氣液相循環(huán)。首先需向塔釜加入約18 L 原料，手動設置塔釜加熱負荷，將釜液加熱蒸發(fā)直至塔頂溫度上升且塔頂有冷凝液回流。該階段由于塔內(nèi)輕組分較多，導致全塔整體溫度偏低。為了防止輕組分在塔內(nèi)積累，延長實驗時間，可通過間歇精餾的方法將塔內(nèi)部分輕組分采出。間歇精餾階段仍保持無進料狀態(tài)。首先手動控制塔頂及上側(cè)線采出流量，并對塔頂產(chǎn)品進行色譜分析，待塔頂產(chǎn)品純度降至90%（x）左右時，停止塔頂采出，保持上側(cè)線采出不變，繼續(xù)對上側(cè)線產(chǎn)品進行色譜分析；待上側(cè)線產(chǎn)品純度達到90%（x）左右時，停止上側(cè)線采出；而后手動控制下側(cè)線采出，并對塔釜產(chǎn)品進行色譜分析，待塔釜產(chǎn)品純度達到90%（x）左右時，停止下側(cè)線采出。至此，塔內(nèi)多余輕組分已被采出。該階段由于塔內(nèi)部分輕組分被采出，使得全塔溫度明顯升高。值得注意的是，在間歇精餾過程中可適當增大分液比以防止預分餾段頂部溫度過高，擾亂塔內(nèi)輕重組分分布。間歇精餾完成后即可進行連續(xù)精餾階段，將等摩爾比組成的四元醇原料經(jīng)預熱至83 ℃后加入塔內(nèi)。為避免進料造成塔內(nèi)溫度發(fā)生大的波動，影響裝置穩(wěn)定時間，可將進料量由低到高逐漸升高至實驗所要求的處理量，同時手動打開塔頂、上側(cè)線及下側(cè)線采出并對4 個產(chǎn)品純度進行分析，待4 個產(chǎn)品純度均接近90%（x）后，依次將塔釜加熱負荷、塔頂采出、上側(cè)線采出及下側(cè)線采出調(diào)為自動控制，實驗裝置進入自動化控制的連續(xù)進料階段。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)設計實驗

KDWC 進入自動控制的連續(xù)進料階段后，全塔溫度逐漸趨于穩(wěn)定，4 個產(chǎn)品純度（x）分別為：塔頂甲醇90.68%、上側(cè)線乙醇89.91%、下側(cè)線正丙醇90.55%、塔釜正丁醇90.09%，均滿足實驗要求。此時塔頂采出量為0.66 kg/h，上側(cè)線采出量為0.83 kg/h，下側(cè)線采出量為1.06 kg/h，塔釜加熱負荷為2.40 kW，4 個溫度控制回路控制點溫度分別為：塔頂靈敏板69.93 ℃、上側(cè)線靈敏板80.88 ℃、塔釜115.58 ℃、預分餾段底部靈敏板93.23 ℃，均與預設溫度接近，滿足實驗要求。

為進一步驗證實驗結(jié)果的準確性，使用Aspen Plus 軟件在同一工況下進行穩(wěn)態(tài)模擬。實驗過程全塔實際壓降約為0.40 kPa，理論塔板數(shù)為39 塊，在模擬過程中可將板壓降修正為0.01 kPa。此外，由于通風的需要，實際塔釜加熱量存在損耗，加熱負荷將明顯高于所需值，無法直接將該數(shù)據(jù)應用于模擬過程，因此本工作將在保持進出料流量、分液比、分氣比與實驗值一致的條件下，調(diào)整塔釜負荷直至塔頂產(chǎn)品純度與實驗值相同，此時塔釜負荷模擬值為1.33 kW。

表3為產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)實驗值與模擬值對比。由表3可知，4 個產(chǎn)品目標組分純度與模擬結(jié)果基本一致，誤差較?。坏s質(zhì)組分含量（x）略有不同，實驗中上側(cè)線產(chǎn)品中的甲醇雜質(zhì)含量為7.10%，高于模擬值（5.27%），丙醇雜質(zhì)含量為2.99%，低于模擬值（4.78%）；下側(cè)線產(chǎn)品中的乙醇雜質(zhì)含量為8.75%，高于模擬值（4.08%），丁醇雜質(zhì)含量為0.69%，低于模擬值（5.25%）。

圖3為實驗和模擬的全塔溫度分布。

表3 產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)實驗值與模擬值Table 3 Steady state experimental and simulated value

圖3 穩(wěn)態(tài)實驗與模擬溫度分布Fig.3 Steady state experimental and simulated temperature profiles.

由圖3可知，模擬溫度分布和實驗溫度分布具有良好的一致性，溫度變化趨勢基本一致。對于預分餾段溫度分布，進料位置上部實驗值與模擬值差異較小，而進料位置下部差異較大，造成這一結(jié)果的原因在于實驗過程中丁醇更多地富集于提餾段，并未如模擬中那樣上升至預分餾段底部，這點可從下側(cè)線產(chǎn)品中丁醇含量顯著低于模擬值得以驗證。對于主塔溫度分布，全塔范圍內(nèi)實驗值與模擬值差異較小，其中主塔測溫點（TM6，TM7）差異相對較大，這同樣可通過上側(cè)線中丙醇含量及下側(cè)線中丁醇含量均顯著低于模擬值得以說明。另外，實驗值和模擬值的TM6，TM7兩點之間溫度變化極大，這是因為該塔段范圍內(nèi)組成情況發(fā)生了顯著變化，乙醇組分的含量自上而下快速降低，而丙醇組分含量則快速升高。

2.2 動態(tài)控制實驗

在穩(wěn)態(tài)實驗的基礎(chǔ)上，進一步考察了進料組成發(fā)生±20%波動后KDWC 的分離效果。以甲醇為例，進料流量不變，將原料中甲醇含量增大或減小20%，其余三組分（摩爾比保持1∶1∶1）相應地減小或增大，但最終四組分摩爾分數(shù)之和仍為1。實驗具體操作為：待4 個產(chǎn)品純度均接近90%（x）后，將4 個控制回路切換為手動控制，而后切換波動原料，再將4 個控制回路切換為自動控制。實驗過程中仍保持分液比、分氣比不變，每隔15 min采一組產(chǎn)品進行純度分析。

圖4為進料組成發(fā)生變化后產(chǎn)品組成的變化趨勢。

圖4 進料組成發(fā)生±20%變化后產(chǎn)品組成的變化趨勢Fig.4 Trend of product composition with ±20% feed composition disturbances.

由圖4可知，當單一原料組成發(fā)生20%波動時，各產(chǎn)品中目標組分純度將偏離90%，反復波動后最終趨于穩(wěn)定。波動實驗中各產(chǎn)品純度（x）均介于88.17%～93.99%之間，產(chǎn)品純度誤差可控制在-2.03%～+4.43%以內(nèi)，能夠滿足原料波動后各產(chǎn)品純度保持在90%（x）附近，誤差小于5%的要求。其中，最小值出現(xiàn)在進料丁醇增加20%的實驗中，塔頂產(chǎn)品甲醇純度為88.17%；最大值出現(xiàn)在進料丙醇減少20%實驗中，下側(cè)線產(chǎn)品丙醇純度為93.99%。

將波動實驗各產(chǎn)品組成結(jié)果與穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果進行比較可以看出，經(jīng)過波動后，塔頂產(chǎn)品與塔釜產(chǎn)品純度變化較小，最大偏差值均出現(xiàn)在丁醇增加20%實驗中，分別為88.17%和90.44%，與穩(wěn)態(tài)實驗的90.68%和90.09%相比，偏差分別為2.77%和0.41%，這是由于進料流量不變的情況下，全塔壓力基本不變，塔頂及塔釜產(chǎn)品為二元混合物，溫度僅與組成相關(guān)，因而溫度控制能夠很好地應對組成變化。而上側(cè)線產(chǎn)品與下側(cè)線產(chǎn)品為三元混合物，在同一溫度和壓力下，組成相同，溫度控制效果不如塔頂產(chǎn)品及塔釜產(chǎn)品，偏差相對較大，其中上側(cè)線產(chǎn)品最大偏差值（93.03%）出現(xiàn)在丙醇增加20%實驗中，與穩(wěn)態(tài)實驗的89.91%相差約3.47%；下側(cè)線產(chǎn)品最大偏差值（93.99%）出現(xiàn)在丙醇減少20%實驗中，與穩(wěn)態(tài)實驗的90.55%相差約3.80%。

3 結(jié)論

1）采用自制的KDWC 小試實驗裝置分離四元醇混合物，在全回流階段、間歇精餾階段和連續(xù)精餾階段3 個階段開車基礎(chǔ)上，考察了KDWC 分離四元醇混合物穩(wěn)態(tài)過程，4 組產(chǎn)品純度（x）分別為90.68%，89.91%，90.55.%，90.09%，均達到設計值90%（x）。

2）對比相同工況下的小試裝置的穩(wěn)態(tài)模擬和實驗結(jié)果可知，4 組產(chǎn)品中目標組分的摩爾比基本一致，差異較小，上側(cè)線及下側(cè)線產(chǎn)品中雜質(zhì)組分含量略有偏差。此外，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果的全塔溫度分布具備良好的一致性。

3）建立了4 個溫度控制回路的KDWC 溫度控制方案，考察了溫度控制方案應對進料組成發(fā)生±20%波動的控制效果。實驗結(jié)果表明，各產(chǎn)品純度（x）介于88.17%～93.99%之間，產(chǎn)品純度誤差可控制在-2%～+4%。KDWC 溫度控制方案有效保證了各產(chǎn)品純度達到設計要求，實現(xiàn)了KDWC 自動控制。

4）對比動態(tài)波動實驗結(jié)果與穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果可知，塔頂產(chǎn)品與塔釜產(chǎn)品純度變化較小，最大相對偏差分別為2.77%和0.41%；上側(cè)線與下側(cè)線產(chǎn)品純度變化較大，最大相對偏差分別為3.47%和3.80%。說明溫度控制對塔內(nèi)液相主要為兩組分混合物的區(qū)域控制效果較優(yōu)，而對液相為三組分混合物的區(qū)域控制效果略差。