隔壁塔用于苯、甲苯、二甲苯分离的控制

李 军，王纯正，马占华，孙兰义

（1 中国石油大学化学工程学院，山东 青岛266580；2 华东师范大学化学系，上海200062）

隔壁塔是内部完全热耦合塔，在精馏过程中避免中间组分的返混效应，且实现隔壁顶部和底部进料物流的完全匹配，从而极大地提高热力学效率[1]。研究表明，对不同的分离体系，隔壁塔可节约10%～60%的能耗，减少10%～50%的设备投资[2-4]。然而，隔壁塔从其概念的提出到其工业化应用经历了很长时间，其主要是隔壁塔具有很多的自由度，导致它难于设计与控制[5]，以致于长期以来隔壁塔的控制问题是限制其工业应用的一个瓶颈。

尽管人们对精馏控制过程做了深入的研究，但是对隔壁塔控制的研究却很少，研究者选择不同的体系采用不同的控制策略，往往得出不一样甚至是矛盾的结论。Wolff 等[6]在乙醇、丙醇、丁醇体系下采用非线性工具进行动态模拟，结果表明隔壁塔易于控制，而当产品纯度设定有微小改变时控制效果却很差，他们提出采用液相分配比来解决这个问题。Wang 等[7]采用温度控制代替组成控制策略，采用预分馏塔单温度控制点和主塔双温度控制点的三温度控制回路，结果表明，该模型对于进料流率干扰控制效果好，但不能很好地控制进料组成干扰，他们推荐采用温度组成串级控制来解决这个问题。Ling等[8]对比了传统工艺与隔壁塔工艺的控制效果，并提出需要控制液相分配比来实现能量最小化。Serra等[9]在虚拟假设的体系下，研究了不同变量之间的匹配，结果标明PI 控制模型具有较好的可控性而模型预测控制DMC 则具有较多的限制条件，同时指出控制性能的好坏与隔壁塔的设计有关。

芳烃是重要的有机化工原料，其分离在整个生产过程中所占的能耗约为45%，如何降低三苯（苯、甲苯、二甲苯，简称BTX）分离过程的能耗与投资是我国芳烃工业一个亟待解决的问题，而将隔壁塔应用于BTX 分离系统可以降低能耗和投资。本文作者利用Aspen Plus 建立隔壁塔分离BTX 流程，并在Aspen Dynamic 平台上研究隔壁塔的控制策略和动态特性，为隔壁塔在该体系的推广奠定基础。

1 隔壁塔分离BTX 的工艺流程

隔壁塔分离BTX 系统流程如图1 所示，该塔由预分馏段、公共精馏段、侧线抽出段和公共提馏段四部分组成（图1）。在Aspen Plus 中建立隔壁塔的Radfrac 两塔模型（图2），过程的主要操作及设备参数见表1，并将其导入动态模拟软件Aspen Dynamic，后添加隔壁塔控制回路，分析其在进料流量和进料组成干扰下的动态特性。

1.1 设计规定

图1 隔壁塔结构

图2 隔壁塔的Radfrac 两塔模型

表1 优化后的两塔模型参数

要求苯、甲苯和二甲苯产品的摩尔分数分别不低于0.990、0.996 和0.975，将调节时间TS和产品纯度最大摩尔偏差A 作为评价控制系统的品质指标，TS为从加入干扰到满足式（1）且3 个产品纯度30 min 内保持不变的一段时间，A 为从加入干扰到稳定后3 个产品纯度偏离其设定值的最大偏差。

1.2 自由度分析

隔壁塔结构确定以后，经自由度分析，BTX 分离过程有8 个操作型自由度，分别是冷凝器负荷QC、塔顶抽出量D、塔底抽出量B、侧线抽出量S、回流量L、再沸器负荷V、液相分配比βL和气相分配比βg，其中气相分配比指从公共提馏段流向预分馏段和侧线抽出段的气相摩尔比，它是由水力学条件（压力降和流动阻力）所决定的，因此不能作为一个操纵变量进行控制，实际只有7 个被控变量。其中液相分配比βL指从公共精馏段抽出的液相进行再分配进入预分馏段和侧线抽出段的液相摩 尔比。

1.3 PID 参数整定

隔壁塔的被控变量和操纵变量之间的非线性很强，控制回路的关联和耦合度非常大，本研究按照控制回路响应程度大小依次整定PID 参数，顺序为塔底产品回路、塔顶产品回路和侧线产品回路，先由继电反馈法计算最终增益Ku和最终周期Pu，然后用Tyreus-Luyben 准则（KC=Ku/3，TI=2Pu）计算得到PI 控制规律的比例增益KC和积分时间TI，此外，规定组分控制器纯滞后为5min，温度控制器纯滞后为1min。

2 隔壁塔控制性能

2.1 4 种典型组成控制策略的动态特性

在不考虑βL的前提下，通过QC控制塔顶压力，通过D 或L 控制回流罐液位，通过B 或V 控制塔底液位，剩下的3 个操作变量控制3 个产品纯度（组成控制），这样可以形成4 种典型的控制策略，如图3 所示。采用L 和V 分别控制回流罐液位和塔底液位，用D、S 和B 分别控制苯、甲苯和二甲苯产品纯度，该控制策略即为LV/DSB，此外还有DB/LSV、DV/LSB 和LB/DSV 控制策略。

由表2 得，DV/LSB 的TS最长且A 最大，而LV/DSB 的TS较短且A 最小。根据传统精馏塔的控制经验，当回流比大于3 时，宜采用回流量代替塔顶抽出量来控制塔顶液位[9]，本模拟中液相回流比和气相回流比分别为9.58 和8.16，应选择L 和V 控制塔顶和塔底液位，这与模拟结果一致，LV/DSB是4 种典型控制策略中较好的一种。

图3 隔壁塔的LV/DSB 控制结构

LV/DSB 控制策略的动态特性如图4 和图5 所示。由图4 可知，进料流率增加10%时，塔顶苯的纯度产生了一个小波峰后很快恢复到设定值，苯的纯度增加，正调节作用使塔顶抽出量增大，然后苯的纯度又逐渐降低至设定值。二甲苯的纯度产生了两个小波谷，干扰时增加的液相进料量很快流向塔底，导致塔底产品纯度降低，塔底抽出量先减小后增大并使二甲苯产品纯度增大至设定值，进料流率干扰对甲苯的纯度影响较小。由图5 可知，进料甲苯组成增加10%时，苯和二甲苯产生两个波谷后增大至设定值，其变化趋势相同，而甲苯纯度的波动较小。

表2 4 种典型控制策略的控制评价

图4 LV/DSB 对于进料流率波动的动态响应

图5 LV/DSB 对于进料甲苯组成波动的动态响应

2.2 不同的LV/DSB 控制策略

2.2.1 采用温度控制点的LV/DSB

在组成控制LV/DSB 的基础上，采用温度控制代替组成控制，应用Luyben[10]的斜率准则选出3 个灵敏板，通过D、S 和B 分别控制公共精馏段（主塔第9 块）、侧线抽出段（主塔第11 块）和公共提馏段（主塔第39 块）的一个温度控制点，从而间接的保证3 个产品纯度，仍采用L 和V 分别控制塔顶和塔底液位。图6 为进料流率波动时隔壁塔的动态响应。由图7 得，当进料组成增加10%时，甲苯纯度先小幅增大后迅速降低，偏差最大时甲苯产品组成为XB=0.001、XT=0.977 和XX=0.022，其主要杂质为二甲苯，二甲苯从公共提馏段流向抽出段，而这种波动对第11 块塔板温度影响不大，即主塔第11块塔板温度不能保证甲苯产品纯度。原因在于，中间产品甲苯的杂质可能是苯或者二甲苯，采用抽出段上部温度控制点只能控制轻组分杂质的量，采用抽出段下部的温度控制点只能控制重组分杂质的含量，侧线单温度控制点不能保证甲苯产品纯度。

图6 LV/DSB 对于进料流率波动的动态响应

图7 LV/DSB 对于进料甲苯组成波动的动态响应

2.2.2 温度组成联合控制的LV/DSB

鉴于甲苯产品温度控制回路不能保证其产品纯度，因此提出温度组成联合控制策略，通过D、B 分别控制公共精馏段（主塔第9 块）、公共提馏段（主塔第39 块）的一个温度控制点，通过S 直接控制甲苯产品纯度，即采用组成控制策略控制甲苯产品纯度，仍采用L 和V 分别控制塔顶和塔底液位。由图8 和图9 得，与温度控制策略相比，该方案有效保证了甲苯产品纯度，兼有温度控制和组成控制策略的优点，温度控制滞后小、调节迅速平稳，组成控制没有余差、调节准确，而苯和二甲苯产品纯度控制有一定的余差。

2.2.3 温度组成串级控制的LV/DSB

将3 个组成控制作为主回路和3 个温度控制作为副回路，从而分别形成3 个串级控制，仍采用L和V 分别控制塔顶和塔底液位。由图10 和图11 得，该方案的动态特性具有温度组成联合控制策略的优点，同时保证3 个产品纯度控制都没有余差。

2.2.4 不同LV/DSB 控制策略的对比

表3 中控制策略1、2、3 和4 分别为典型的LV/DSB、采用温度控制点的LV/DSB、温度组成联合控制的LV/DSB 和温度组成串级控制的LV/DSB。由表3 可知，加入温度控制回路后，由于其纯滞后时间仅为1 min，使得TS大大缩短，A 也有所降低。控制策略4 的TS较小、A 最小，且其调节过程较为平稳，在精馏塔内产生的波动小，因此该方案控制效果最好。

3 结 论

（1）在BTX 分离体系下，采用PID 控制规律，应用继电反馈法和Tyreus-Luyben 准则进行PID 参数整定，在Aspen Dynamic 平台上系统地分析了DB/LSV、DV/LSB、LB/DSV 和LV/DSB 4 种典型组成控制策略的动态特性，其中LV/DSB 的控制效果较好。

图8 LV/DSB 对于进料流率波动的动态响应

图9 LV/DSB 对于进料甲苯组成波动的动态响应

图10 LV/DSB 对于进料流率波动的动态响应

图11 LV/DSB 对于进料甲苯组成波动的动态响应

表3 不同控制策略的控制评价

（2）研究了不同LV/DSB 的组成温度控制策略，其中温度组成串级控制的LV/DSB 对隔壁塔的控制效果最好，其调节时间TS最长为2.97 h、最大偏差A 为0.0015。此外，由于中间产品的主要杂质可能是轻组分或重组分，侧线抽出段温度控制回路不能保证中间产品的纯度，所以仅采用单温度控制回路不能对隔壁塔进行有效的控制。

（3）BTX 分离隔壁塔控制策略的实现，证明隔壁塔是可控的，克服了隔壁塔难于控制的瓶颈，使隔壁塔在相似体系的推广成为可能。

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