Kaibel分壁精餾塔分離四元醇動態控制

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，比常規精餾塔具備節能優勢［1］。目前，對于分離三/四組分混合物DWC 的研究主要集中于穩態設計計算［2］、動態控制［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 的內部流股復雜、耦合度高、自由度偏多、工業設計困難、動態控制策略復雜不易實施等原因，而未得到大范圍的工業化應用。近些年對KDWC 的研究逐漸深入。穩態設計上，Halvorsen 等［9-11］對KDWC 進行研究，提出了兩種穩態優化模型。動態控制上，Abid 等［12］采用常規溫度控制結構實現對KDWC 的穩定控制。藺錫鈺等［13］提出了一種組分控制策略，實現了對KDWC 的穩定控制。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-溫度控制結構，能夠很好地應對進料流量或組分出現±20%擾動的工況。實驗方面，Dwivedi 等［15］搭建KDWC 小試裝置并通過4 點溫度控制結構實現了KDWC 的穩態控制，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 進行穩態、動態模擬分析，實驗結果表明多隔板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，在手動開車的基礎上，借助溫度控制方案實現了對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與質量分數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。在規定4 個產品純度達到90%（x）的條件下，根據Luyben 等［21-22］提出的優化方案對KDWC 進行優化，獲得KDWC 小試裝置的設備及操作參數。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 段塔節組成，共計39 塊理論板。其中第1～2 段為預分餾段，理論板數為24 塊；第3 段為精餾段，理論板數為8 塊；第4～6 段為側線段，理論板數為24 塊；第7 段為提餾段，理論板數為7 塊。預分餾段和側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，塔內填充規格為6×6 mm 的θ 環填料。塔頂、上側線及下側線分別設置一個產品采出口，連接3 臺智能蠕動泵，用于控制產品的采出流量，蠕動泵流量范圍為0.051～51 mL/min，對應轉速范圍為1～100 r/min，誤差在0.5%以內；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，依靠調節設置于預分餾段和側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，始終固定在0.63。

采用SIMATIC S7-300 系統監測相關的溫度和壓力，在 PLC 邏輯控制程序內編寫4 個溫度控制回路，實現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諧參數。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 ℃；上側線采出控制上側線靈敏板溫度為81 ℃；下側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 參數需要通過手動調諧確定，結果如表2所示。

圖2 溫度控制結構示意圖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諧參數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通過WinCC軟件實現。原料和產品組成采用北京中惠普分析技術研究所GC1120 型氣相色譜儀進行分析，FID 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品質量分析。

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精餾階段。全回流階段的目的在于初步建立全塔塔內氣液相循環。首先需向塔釜加入約18 L 原料，手動設置塔釜加熱負荷，將釜液加熱蒸發直至塔頂溫度上升且塔頂有冷凝液回流。該階段由于塔內輕組分較多，導致全塔整體溫度偏低。為了防止輕組分在塔內積累，延長實驗時間，可通過間歇精餾的方法將塔內部分輕組分采出。間歇精餾階段仍保持無進料狀態。首先手動控制塔頂及上側線采出流量，并對塔頂產品進行色譜分析，待塔頂產品純度降至90%（x）左右時，停止塔頂采出，保持上側線采出不變，繼續對上側線產品進行色譜分析；待上側線產品純度達到90%（x）左右時，停止上側線采出；而后手動控制下側線采出，并對塔釜產品進行色譜分析，待塔釜產品純度達到90%（x）左右時，停止下側線采出。至此，塔內多余輕組分已被采出。該階段由于塔內部分輕組分被采出，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，擾亂塔內輕重組分分布。間歇精餾完成后即可進行連續精餾階段，將等摩爾比組成的四元醇原料經預熱至83 ℃后加入塔內。為避免進料造成塔內溫度發生大的波動，影響裝置穩定時間，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、上側線及下側線采出并對4 個產品純度進行分析，待4 個產品純度均接近90%（x）后，依次將塔釜加熱負荷、塔頂采出、上側線采出及下側線采出調為自動控制，實驗裝置進入自動化控制的連續進料階段。

2 結果與討論

2.1 穩態設計實驗

KDWC 進入自動控制的連續進料階段后，全塔溫度逐漸趨于穩定，4 個產品純度（x）分別為：塔頂甲醇90.68%、上側線乙醇89.91%、下側線正丙醇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，上側線采出量為0.83 kg/h，下側線采出量為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果的準確性，使用Aspen Plus 軟件在同一工況下進行穩態模擬。實驗過程全塔實際壓降約為0.40 kPa，理論塔板數為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，無法直接將該數據應用于模擬過程，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，調整塔釜負荷直至塔頂產品純度與實驗值相同，此時塔釜負荷模擬值為1.33 kW。

表3為產品的穩態實驗值與模擬值對比。由表3可知，4 個產品目標組分純度與模擬結果基本一致，誤差較小；但雜質組分含量（x）略有不同，實驗中上側線產品中的甲醇雜質含量為7.10%，高于模擬值（5.27%），丙醇雜質含量為2.99%，低于模擬值（4.78%）；下側線產品中的乙醇雜質含量為8.75%，高于模擬值（4.08%），丁醇雜質含量為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 產品的穩態實驗值與模擬值Table 3 Steady state experimental and simulated value

圖3 穩態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，這點可從下側線產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，這同樣可通過上側線中丙醇含量及下側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組成情況發生了顯著變化，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 動態控制實驗

在穩態實驗的基礎上，進一步考察了進料組成發生±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之和仍為1。實驗具體操作為：待4 個產品純度均接近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采一組產品進行純度分析。

圖4為進料組成發生變化后產品組成的變化趨勢。

圖4 進料組成發生±20%變化后產品組成的變化趨勢Fig.4 Trend of product composition with ±20% feed composition disturbances.

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

將波動實驗各產品組成結果與穩態實驗結果進行比較可以看出，經過波動后，塔頂產品與塔釜產品純度變化較小，最大偏差值均出現在丁醇增加20%實驗中，分別為88.17%和90.44%，與穩態實驗的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，塔頂及塔釜產品為二元混合物，溫度僅與組成相關，因而溫度控制能夠很好地應對組成變化。而上側線產品與下側線產品為三元混合物，在同一溫度和壓力下，組成相同，溫度控制效果不如塔頂產品及塔釜產品，偏差相對較大，其中上側線產品最大偏差值（93.03%）出現在丙醇增加20%實驗中，與穩態實驗的89.91%相差約3.47%；下側線產品最大偏差值（93.99%）出現在丙醇減少20%實驗中，與穩態實驗的90.55%相差約3.80%。

3 結論

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精餾階段3 個階段開車基礎上，考察了KDWC 分離四元醇混合物穩態過程，4 組產品純度（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態模擬和實驗結果可知，4 組產品中目標組分的摩爾比基本一致，差異較小，上側線及下側線產品中雜質組分含量略有偏差。此外，實驗結果和模擬結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生±20%波動的控制效果。實驗結果表明，各產品純度（x）介于88.17%～93.99%之間，產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品純度達到設計要求，實現了KDWC 自動控制。

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