CN111467828B - 一种二元蒸馏塔温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元蒸馏塔温度控制系统及方法，具有低、中、高三种产品浓度的二元蒸馏塔的温度推断控制系统的综合与设计问题。对于中和高产品浓度的二元蒸馏塔，灵敏度与稳态偏差最小方法均不能给出性能优良的温度推断控制系统。本发明提出了在精馏段对灵敏度和稳态偏差最小方法进行折衷，在提馏段选择温差作为被控变量的新方法。前者有助于实现被控塔板稳态特性与动态特性的平衡，后者能够回避提馏段压力变化的不利影响。对于中和高产品浓度的二元蒸馏塔十分有效；对于低产品浓度的二元蒸馏塔也优于灵敏度和稳态偏差最小方法。不仅稳态偏差减小的情况更多，而且被控产品浓度的动态偏差也有所减小。

Description

一种二元蒸馏塔温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及蒸馏塔温度控制系统的综合与设计技术，属于化工过程的操作与控制。

背景技术

由于蒸馏塔的内部耦合十分强烈、动态特性相当复杂以及滞后时间较长等特点导致了其控制系统综合与设计的高度复杂性，已经严重影响了产品质量的控制效果，所以研究蒸馏塔的操作与优化控制一直是研究热点。虽然浓度控制能够实现对被控产品纯度的无偏差控制，但是由于浓度测量装置的使用会导致控制系统投资成本大、维护费用高以及调节时间长等缺点，极大地限制了其工业应用。相反，温度控制由于投资小、可靠性高和延迟时间短等优点而在过程工业中广受青睐。与产品浓度的直接控制相比，蒸馏塔温度推断控制系统的设计相对要复杂得多。后者不仅要考虑被控变量与操纵变量之间的配对问题，还要确保被控塔板的温度与产品浓度之间要具有良好的对应关系，这就需要合理有效地确定被控塔板的位置。到目前为止，学术界和工业界已经提出了许多种被控塔板的选择方法，它们包括：(1)斜率方法，(2)灵敏度方法，(3)奇异值分解方法，(4)恒定温度方法，和(5)稳态偏差最小方法。Luyben曾对这些方法进行过系统的分析与比较。尽管这些方法通常能够有效地确定被控塔板的位置，但它们也常常使得温度推断控制系统难以给出最佳的控制品质。这些缺陷不仅限制了温度推断控制系统的有效应用还阻碍了新型蒸馏系统的开发。尽管被控塔板的确定在蒸馏操作领域已经是一个比较陈旧的课题，但它仍是一个值得进行深入研究的重要问题。

发明内容

本发明研究了具有低、中、高不同产品浓度的二元蒸馏塔的温度推断控制系统的综合与设计问题。基于灵敏度方法所选择的被控塔板通常具有较快的动态响应，但仅在产品浓度较低时其温度与产品浓度具有良好的对应关系。基于稳态偏差最小方法所选择的被控塔板，其温度与产品浓度通常具有良好的对应关系。但当产品浓度较高时，由于所选择的被控塔板太靠近塔的两端，在精馏段会导致恶化的动态特性，在提馏段会对压力变化非常敏感，二者都会降低温度推断控制系统的品质。以上结果表明，灵敏度和稳态偏差最小方法均不能一致性地给出二元蒸馏塔温度推断控制系统的有效结构，而开发一种既能在精馏段有效折衷稳态特性与动态特性又能在提馏段有效回避压力变化影响的系统性方法显然是必要的。

为达上述目的，本发明的技术方案包含以下步骤：：

步骤1：基于灵敏度方法选择被控塔板。操作变量发生±1％的幅度变化，所引起温度变化最大的塔板选择为灵敏板。

步骤2：基于稳态偏差最小方法选择被控塔板。稳态偏差最小方法的基本原理是在给定扰动组合的情况下搜索最小稳态偏差所对应的被控塔板。在本发明中采用如下所示的目标函数

J(L1,L2)＝Σ_i(|ΔX_E|i+|ΔX_B|i)

其中，i表示进料流量变化±20％以及进料组成变化±20％四种扰动情况；L1,L2分别代表精馏段与提馏段被控塔板的位置；|ΔX_E|和|ΔX_B|分别表示塔顶和塔底产品出料浓度稳态偏差的绝对值。上述优化问题可以通过单变量搜索方法进行求解。

步骤2.1：以灵敏度分析方法获得的塔板作为初值，只改变L1塔板的位置，保持L2塔板的位置不变，逐一调节被控塔板位置使目标函数J最小的塔板并作为L1的搜索板；

步骤2.2：再改变L2塔板的位置，搜索使目标函数J最小的塔板并作为L2的搜索板；

步骤2.3：在完成一轮搜索后，再从头进行新一轮的搜索，直到目标函数J达到最小值的塔板选择为最佳搜索板。

步骤3：本发明对稳态偏差最小方法做了相应的改进，在精馏段对基于灵敏度和稳态偏差最小方法所得到的被控塔板进行折衷，在提馏段选择温差作为被控变量。

步骤3.1：在精馏段，为了折衷与平衡其稳态特性与动态特性，被控塔板选在灵敏板(基于灵敏度方法)与最佳搜索板(基于稳态偏差最小方法)之间；

步骤3.2：在提馏段，为了实施对压力变化的有效补偿，被控变量选定为最佳搜索板与其相邻塔板之间的温差。

本发明所提出的方法具有如下几个优点：

1、对于具有低、中、高三种不同产品浓度的二元蒸馏塔，该方法均能给出性能优良的温度推断控制系统。

2、该方法既能在精馏段有效折衷稳态特性与动态特性又能在提馏段有效回避压力变化影响。与灵敏度和稳态偏差最小的设计方法相比，不仅稳态偏差减小的情况更多，而且被控产品浓度的动态偏差也有所减小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为具有低、中、高产品浓度的乙醇/丁醇二元蒸馏塔的稳态结构。

图2为基于灵敏度分析方法所得到的温度推断控制系统。

图3为基于稳态偏差最小方法所得到的温度推断控制系统。

图4为当乙醇进料组成阶跃变化±20％后例I的闭环响应。

图5为当进料流量阶跃变化±20％后例I的闭环响应。

图6为当乙醇进料组成阶跃变化±20％后例II的闭环响应。

图7为当进料流量阶跃变化±20％后例II的闭环响应。

图8为当乙醇进料组成阶跃变化±20％后例III的闭环响应。

图9为当进料流量阶跃变化±20％后例III的闭环响应。

图10为基于新方法所得到的温度推断控制系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，本发明以分离乙醇(E)/丁醇(B)二元混合物的简单蒸馏塔为例，在具有低、中、高三种产品浓度的稳态操作条件下研究其温度推断控制系统的综合与设计问题，并参照附图对本发明进一步说明。图1给出了这三个系统的稳态结构。塔顶产品与塔底产品具有相同的纯度，其低、中、高浓度规格分别为95％mol(例I)、99％mol(例II)以及99.9％mol(例III)。

由于这三个蒸馏塔的回流比均在1.0附近，远小于3.0，故塔顶出料流量(D)与再沸器热负荷(Q_reb)宜被选做系统操作变量，而冷凝器与再沸器的液位则分别由回流流量与塔底出料流量进行控制。基于灵敏度分析方法所得到的温度推断控制系统示于图2，在本发明中标记为CS1。对于例I(图2a)，灵敏板是第3块和第28块塔板。对于例II(图2b)，灵敏板是第5块和第26块塔板。对于例III(图2c)，灵敏板是第8块和第22块塔板。

基于稳态偏差最小方法所得到的温度推断控制系统示于图3，在本发明中标记为CS2。可以看到，这三个系统的最佳搜索板均出现在第2块和第29块塔板，即最顶部与最底部塔板。

为了检验灵敏度和稳态偏差最小方法的有效性，就必须分析与比较乙醇/丁醇二元蒸馏塔的闭环操作品质。图4给出了当乙醇进料组成阶跃变化±20％后例I的闭环响应。黑色表示正向扰动，灰色表示负向扰动。虽然CS2比CS1具有稍大的动态偏差，但其稳态偏差却较小。图5给出了当进料流量阶跃变化±20％后例I的闭环响应。可以看出，CS2与CS1具有非常接近的稳态与动态品质。综合以上两种情况可以看出，虽然CS2稍优于CS1，但二者还是具有非常接近的动态品质。换言之，灵敏度和稳态偏差最小方法对于具有低产品浓度的乙醇/丁醇二元蒸馏塔的控制具有相似的性能。

图6给出了当乙醇进料组成阶跃变化±20％后例II的闭环响应。虽然CS2比CS1仍具有较小的稳态偏差，但前者使得塔顶产品的动态品质明显变差，不但对于正向扰动的动态偏差明显加大，而且对于负向扰动也出现了较强的振荡现象。图7给出了当进料流量阶跃变化±20％后例II的闭环响应。相比于CS1，CS2使得塔顶产品的动态品质明显变差，不但导致了更大的动态偏差，而且还伴随着较严重的震荡现象。对于塔底产品，CS2不但使得其出现较大的动态偏差而且也存在较大的稳态偏差。综合以上两种情况可以看出，随着产品浓度的提升，虽然CS1与CS2的动态品质均有所下降，但CS2对这个变化更加敏感，已经难以和CS1相媲美。

图8给出了当乙醇进料组成阶跃变化±20％后例III的闭环响应。在这种情况下，CS2无法与CS1相媲美，其动态品质进一步变差。对于塔顶产品，CS2使它存在较大的偏差且具有严重的振荡现象。对于塔底产品组成，CS2使它在正向扰动时出现非常大的动态偏差与稳态偏差。图9给出了当进料流量阶跃变化±20％后例III的闭环响应。在这种情况下，CS2也难以与CS1相媲美，其动态品质也进一步变差。对于塔顶产品，不但存在较大的偏差而且还有严重的发散振荡现象；对于塔底产品，在正向扰动时也出现了非常大的动态偏差与稳态偏差。综合以上两种情况可以看出，随着产品浓度的进一步提升，虽然CS1与CS2的动态品质均有所下降，但CS2对这个变化更加敏感，已经在一些情况下难以保持稳定操作。

通过对具有低、中、高产品浓度的三个乙醇/丁醇二元蒸馏塔的温度推断控制的分析与比较可以看出，基于灵敏度和稳态偏差最小方法所得到的温度推断控制系统的性能均与产品浓度密切相关。由于灵敏度方法主要考虑系统的动态特性，故CS1通常具有较快的动态响应，但它只能在产品浓度较低时保持被控塔板温度与产品浓度具有良好的对应关系。由于稳态偏差最小方法仅考虑系统的稳态特性，故CS2的被控塔板温度与产品浓度通常具有良好的对应关系。但当产品浓度较高时，CS2并不能使得塔顶与塔底产品组成具有较小的稳态偏差。这一现象表明在产品浓度较高时进料流量与组成的变化有可能显著改变了系统的稳态与动态特性，因此，要想实现产品组成的严格推断控制，就必须对系统特性的变化进行必要的补偿。

为了实现产品组成的严格推断控制，基于本发明所提方法得到了如图10所示的温度推断控制系统，在本发明中被标记为CS3。可以看到，在精馏段，为了折衷与平衡其稳态特性与动态特性，被控塔板选在了顶部塔板与灵敏板之间；在提馏段，为了实施对压力变化的有效补偿，被控变量选定为最底端两块塔板之间的温差。

图4也给出了在CS3作用下例I面对±20％乙醇进料组成阶跃扰动的闭环响应。对于塔顶产品CS3具有比CS1稍小的动态和稳态偏差；对于塔底产品CS3在负向扰动时具有比CS1更大的稳差。图5也给出了在CS3作用下例I面对±20％进料流量阶跃扰动的闭环响应。对于塔顶产品，CS3与CS1均具有非常接近的品质；对于塔底产品，CS3比CS1具有更小的动态偏差和稳态偏差。综合以上两种情况可以看出，对于塔顶产品，CS3具有比CS1更优的品质。对于塔底产品，虽然在克服进料组成负向扰动时CS3稍逊于CS1，但对于其他扰动CS3明显优于CS1。因此，综合来看，CS3优于CS1。

图6也给出了在CS3作用下例II面对±20％乙醇进料组成阶跃扰动的闭环响应。对于塔顶产品CS3比CS1具有稍大的塔顶动态偏差，但其稳态偏差却变小了；对于塔底产品，CS3则具有比CS1更小的动态偏差和稳态偏差。图7也给出了在CS3作用下例II面对±20％进料流量阶跃扰动的闭环响应。对于塔顶产品，CS3与CS1具有非常接近的动态与稳态性能；对于塔底产品，前者则比后者具有更小的稳态和动态偏差。综合以上两种情况可以看出，对于塔顶产品，虽然CS3的动态品质稍逊于CS1，但其稳态品质明显优于CS1。对于塔底产品，无论是在动态性能还是在稳态性能方面，CS3都明显优于CS1。因此，针对例II，CS3优于CS1。

图8也给出了在CS3作用下例III面对±20％乙醇进料组成阶跃扰动的闭环响应。对于塔顶产品，虽然CS3的动态偏差稍大于CS1，但其稳态偏差却明显减小；对于塔底产品，相较于CS1，CS3的动态偏差和稳态偏差均明显减小了。图9也给出了在CS3作用下例III面对±20％进料流量阶跃扰动的闭环响应。对于塔顶产品，CS3与CS1具有非常接近的品质；对于塔底产品，CS3比CS1具有更好的动态与稳态性能。综合以上两种情况可以看出，随着产品浓度的进一步提升，CS3的优越性变得更加明显。因此，针对例III，CS3也优于CS1。

应当指出的是，以上所述仅为被发明的具体实施例子而已，它们并不用于限制本发明，也适用于分离其它混合物的二元蒸馏塔。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内。

Claims (1)

1.一种二元蒸馏塔温度控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

步骤1：基于灵敏度方法选择被控塔板；操作变量发生±1％的幅度变化，所引起温度变化最大的塔板选择为灵敏板；

步骤2：基于稳态偏差最小方法选择被控塔板；稳态偏差最小方法的基本原理是在给定扰动组合的情况下搜索最小稳态偏差所对应的被控塔板；采用如下所示的目标函数

J(L1,L2)＝Σ_i(|ΔX_E|_i+|ΔX_B|_i)

其中，i表示进料流量变化±20％以及进料组成变化±20％四种扰动情况；L1,L2分别代表精馏段与提馏段被控塔板的位置；|ΔX_E|和|ΔX_B|分别表示塔顶和塔底产品出料浓度稳态偏差的绝对值；通过单变量搜索方法进行求解；

步骤3：对稳态偏差最小方法相应的改进，在精馏段对基于灵敏度和稳态偏差最小方法所得到的被控塔板进行折衷，在提馏段选择温差作为被控变量；

步骤2中的具体实施如下，步骤2.1：以灵敏度分析方法获得的塔板作为初值，只改变L1塔板的位置，保持L2塔板的位置不变，逐一调节被控塔板位置使目标函数J最小的塔板并作为L1的搜索板；

步骤2.2：再改变L2塔板的位置，搜索使目标函数J最小的塔板并作为L2的搜索板；

步骤2.3：在完成一轮搜索后，再从头进行新一轮的搜索，直到目标函数J达到最小值的塔板选择为搜索板；

步骤3的具体实施过程如下，步骤3.1：在精馏段，折衷与平衡其稳态特性与动态特性，被控塔板选在灵敏板与搜索板之间；

步骤3.2：在提馏段，实施对压力变化的有效补偿，被控变量选定为搜索板与其相邻塔板之间的温差。

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