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双隔壁反应精馏塔的动态特性分析及控制研究

王洁鑫 ,  韩帅帅 ,  丁晖殿 ,  师丽 ,  李强 ,  苑杨

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 265 -269.

PDF (1858KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 265-269. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.042
工业技术

双隔壁反应精馏塔的动态特性分析及控制研究

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Dynamic characteristics analysis and control study of double dividing-wall reactive distillation columns

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摘要

针对具有最不利相对挥发度排序的四元反应物系,依据共强化原理得到的双隔壁反应精馏塔(R-DDWDC)能够实现比单隔壁反应精馏塔(R-SDWDC)更高的热力学效率,但共强化策略的应用对R-DDWDC动态特性及可控性的影响尚不明确。以醋酸和甲醇生成醋酸甲酯和水的酯化反应为例,通过对比R-DDWDC与R-SDWDC在浓度控制方案下的表现,系统评估了R-DDWDC的动态特性与可控性。仿真结果显示,R-DDWDC在面对进料流量和组分扰动时展示出优于R-SDWDC的闭环响应性能,且其各控制回路间的耦合也更小。

Abstract

As for separating quaternary reactive mixtures with the most unfavorable relative volatility ranking,the double dividing-wall reactive distillation column (R-DDWDC) designed upon the co-process intensification methodology achieves higher thermodynamic efficiency than the single dividing-wall reactive distillation column (R-SDWDC).However,the impact of applying co-process intensification on the dynamic characteristics and controllability of R-DDWDC remains unclear.In terms of the esterification reaction between acetic acid and methanol to produce methyl acetate and water,the dynamic characteristics and controllability of R-DDWD Care systematically evaluated through comparing its performance under composition control scheme with that of R-SDWDC.Results indicate that compared to R-SDWDC,R-DDWDC exhibits superior closed-loop response performance when suffering disturbances in feed flow rate and composition.Additionally,the coupling among control loops in R-DDWDC is less pronounced.

Graphical abstract

关键词

共强化 / 过程控制 / 过程设计 / 单隔壁反应精馏塔 / 双隔壁反应精馏塔

Key words

co-process intensification / process control / process design / single dividing-wall reactive distillation column / double dividing-wall reactive distillation column

Author summay

王洁鑫(1999-),男,硕士生,研究方向为化工过程系统工程,.

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王洁鑫,韩帅帅,丁晖殿,师丽,李强,苑杨. 双隔壁反应精馏塔的动态特性分析及控制研究[J]. 现代化工, 2025, 45(10): 265-269 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.042

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针对具有最不利相对挥发度排序的四元反应物系,即2个反应物分别是最轻和最重组分,而2个生成物是次轻和次重组分,单隔壁反应精馏塔(R-SDWDC)通过物质与能量耦合取得了比传统反应精馏序列(RDS)更高的热力学效率[1-4]。然而,由于R-SDWDC拓扑结构的局限性,其热力学效率仍有明显的提升空间。为解决此问题,本课题组之前提出了一种能够协调反应-分离强化与分离-分离强化的共强化设计原理,并依据此原理推导出一种双隔壁反应精馏塔(R-DDWDC)构型[5-6]。Fan等[7]针对具有最不利相对挥发度排序的棕榈酸和异丙醇酯化反应物系,系统比较了RDS、R-SDWDC和R-DDWDC的稳态性能,证明了R-DDWDC相较前两者具有更高的热力学效率。Zang等[8]针对具有最不利相对挥发度排序的理想四元反应物系的研究,也同样证明了R-DDWDC的节能优势。
上述研究充分证明了R-DDWDC在分离具有最不利相对挥发度排序的四元反应物系时具备优异的稳态性能。但是,共强化原理的应用对R-DDWDC动态特性与可控性造成了何种影响,目前尚不明确。一些研究人员针对R-DDWDC的操作与控制进行了研究,提出了一些温度或浓度控制方案[9-12],基本验证了R-DDWDC的可控性。遗憾的是,这些研究未系统地分析和比较过R-DDWDC与其他构型(尤其是R-SDWDC)的动态特性,因而未能阐明共强化原理的应用对系统动态特性与可控性的影响。本文中将以甲醇(methanol,MeOH)和乳酸(lactic Acid,LA)生成乳酸甲酯(methyl Lactate,MeLa)和水(Water)的酯化反应系统为例,系统地比较R-DDWDC和R-SDWDC的动态特性与可控性,深度揭示共强化原理的应用对系统动态特性的影响。

1 甲醇与乳酸酯化反应仿真实例

MeOH与LA生成MeLa和Water的酯化反应可用如下反应方程式表示:
$\mathrm{MeOH}+\mathrm{LA} \rightleftharpoons \mathrm{MeLa}+\text { Water }$
LA、MeOH、MeLa和Water在标准大气压下的沸点分别为490.00、337.85、417.95、373.15 K,符合具有最不利相对挥发度排序的反应物系特征。该反应采用酸性例子交换树脂Amberlyst15作为催化剂。本文中在Aspen Plus V12中进行稳态仿真,使用UNIQUAC模型描述该反应物系的热力学性质,使用基于活度的伪均相动力学模型计算反应速率,反应动力学方程如式(2)所示,相关反应动力学与热力学参数均取自Sanz的文章[13-14]。具体动力学参数、反应操作条件和产品规格在表1中列出。
$\begin{array}{l}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{t}{\mathrm{e}}_{i,j}={k}_{\mathrm{F}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-{E}_{\mathrm{F}}/\mathrm{R}T)\left({\alpha }_{\mathrm{L}\mathrm{A},i}{\alpha }_{\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{O}\mathrm{H},j}\right)-\\ {k}_{\mathrm{B}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-{E}_{\mathrm{B}}/\mathrm{R}T)\left({\alpha }_{\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{L}\mathrm{a},i}{\alpha }_{\mathrm{W}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r},j}\right)\end{array}$
式中,kF和kB为正向和逆向反应的反应速率,mol/(g·h);EF和EB为正向和逆向反应的反应活化能,kJ/mol;T为反应温度,K;αi与αj为组分i与j的活度;R为通用气体常数,一般为8.314 J/(mol·K)。

2 分离甲醇与乳酸酯化反应物系的R-DDWDC与R-SDWDC设计

为了客观地评价共强化原理对系统动态特性的影响,在比较R-DDWDC与R-SDWDC的动态特性之前,有必要将两者的稳态设计在相同设计规格下优化至最优状态。本文中规定R-DDWDC与R-SDWDC的总塔板数和总催化剂量与用于分离甲醇与乳酸酯化反应的最优RDS设计[图1(a)]相同,该设计通过序贯优化法搜索得到[15-16]。在优化过程中,以系统总再沸器热负荷(QR)作为目标函数;以产品设计规格作为约束条件;以序贯搜索法作为优化方法。R-SDWDC的优化决策变量包括内部各塔段塔板数、液相分离比、外部循环物流流量;R-DDWDC的优化决策变量包括左右内部各塔段塔板数、气液相分离比、外部循环物流流量。
图1(b)、(c)分别给出了R-SDWDC和R-DDWDC的最优稳态设计。可以看到,R-SDWDC的总再沸器热负荷为2 546.29 kW(QR1=1 633.96 kW;QR2=912.33 kW),而R-DDWDC的总再沸器热负荷为1 584.38 kW(QR1=1 205.33 kW;QR2=379.05 kW)。相较于最优CDS设计的总再沸器热负荷3 182.36 kW(QR1=1 147.01 kW;QR2=622.84 kW;QR3=1 412.51 kW),R-SDWDC实现了19.99%的节能,而R-DDWDC则实现了50.21%的节能。这一结果再次证明了基于共强化原理设计的R-DDWDC相较于CDS和R-SDWDC具有显著的节能优势。

3 R-DDWDC与R-SDWDC的动态性能比较

针对上面获得的最优R-DDWDC与R-SDWDC设计,本文中将通过在Aspen Dynamics V12中进行动态仿真,详细比较两者的开环与闭环控制性能,从而深入探究共强化原理对系统动态特性的影响。

3.1 R-DDWDC与R-SDWDC的浓度控制系统

对于R-DDWDC与R-SDWDC的控制,关键在于2点:一是保持2种反应物之间的化学计量比平衡,二是维持被控产品的纯度。基于此,分别为R-DDWDC和R-SDWDC设计了浓度控制系统。选择浓度控制而非温度控制的原因在于,浓度控制系统的性能不会像温度控制系统一样受到温度控制塔板选择的影响,因此更能准确反映系统的动态特性和可控性。图2(a)展示了R-SDWDC的浓度控制方案,主要由3个浓度控制回路以及必要的压力、液位控制回路组成。CC1控制回路通过调节反应物LA的进料流量(FLA)控制反应段第1块塔板上LA的浓度(xLA),作用是保持2种反应物之间的化学计量比平衡[17]。CC2控制回路通过调节侧线产品的流量(LS)控制侧线产品中Water的浓度(xWater),而CC3控制回路通过调节右侧再沸器的热负荷(QR2)控制底部产品中MeLa的浓度(xMeLa)。PC控制回路用来维持塔顶压力。LC1、LC2和LC3控制回路分别被用来维持1个顶部回流罐和2个塔釜的液位。图2(b)展示了R-DDWDC的浓度控制方案。各控制回路的功能与R-SDWDC中控制回路的功能基本相同,在此不再重复解释。
在R-SDWDC与R-DDWDC的浓度控制系统中,压力控制回路采用PI控制器(KC=20,Ti=12 min),液位控制回路均采用纯比例控制器(KC=2,Ti=9 999 min)。浓度控制回路采用PI控制器,假定所有浓度传感器都有3 min的死区时间,在初始状态时所有控制阀处于半开状态,控制器参数由Tyreus-Luyben法进行整定[18]。在整定过程中,3个浓度控制回路循环整定,直至各控制器的参数整定结果不再有明显变化时停止,尽可能避免控制器参数对动态仿真结果的影响[19]。控制器的详细参数在表2中列出。

3.2 开环评估

为了能够全面评估R-SDWDC和R-DDWDC的动态响应特性,本文中首先通过计算它们浓度控制系统中3个浓度控制回路的相对增益矩阵(relative gain array,RGA)来进行开环评估[20]。具体做法是:①将R-SDWDC和R-DDWDC的3个浓度控制回路切换至手动操作模式,并对这3个浓度控制回路的操作变量分别施加±1%的阶跃扰动;②等待系统稳定后,计算被控变量与操作变量的变化量之间的增益,得到增益矩阵;③根据所得增益矩阵,计算系统的RGA。
表3列出了R-DDWDC与R-SDWDC浓度控制回路的RGA计算结果。在R-SDWDC的RGA中,λ11和λ22的值远大于1。这意味着CC1和CC2控制回路的操作变量发生变化时,不仅会对相应的被控变量产生显著影响,还会对其他回路的被控变量产生较大的交叉影响。这种强耦合会在控制时引起控制回路间较大的相互干扰,从而影响系统动态控制质量。λ33的值接近于0.5。这表明CC3控制回路的自耦合较弱,该回路被控变量对操作变量的响应不强烈,可能影响整体控制效果。在R-DDWDC的RGA中,各对角元素的值都比较接近1。这意味着R-DDWDC浓度控制系统中的各浓度控制回路都比较独立,各回路之间的相互影响较小。

3.3 闭环评估

图3展示了MeOH进料流量面对±10%阶跃扰动时,R-SDWDC与R-DDWDC的闭环动态响应曲线。对于本文中展示的闭环响应曲线,黑色线条表示正向扰动,灰色线条表示负向扰动。对于侧线产品纯度xWater的控制,R-SDWDC和R-DDWDC的浓度控制系统均能在20 h内将xWater调整回设定值,且动态响应曲线的超调量和调节时间基本相等。但是,对于底部产品纯度xMeLa的控制,R-DDWDC的浓度控制系统明显能够实现相较R-SDWDC更小的超调量和更短的调节时间。
图4展示了MeOH进料浓度发生-5%阶跃扰动时,R-SDWDC与R-DDWDC的闭环动态响应曲线。对于侧线产品纯度xWater的控制,R-SDWDC和R-DDWDC的浓度控制系统均能在20 h内将xWater调整回设定值。对于底部产品纯度xMeLa的控制,R-SDWDC和R-DDWDC的浓度控制系统均能在20 h内将xMeLa调整回设定值,但R-DDWDC浓度控制系统的超调量和调节时间相较于R-SDWDC明显更小。

3.4 动态仿真结果分析

从开环评估结果可以看出,R-DDWDC的浓度控制系统中各控制回路之间的相互影响显著小于 R-SDWDC。这一特点表明,R-DDWDC在动态响应和控制性能方面表现出更好的特性,具有更高的可控性。此外,闭环评估结果进一步显示,R-DDWDC的产品纯度控制质量(尤其是对底部产品纯度的控制质量)显著高于R-SDWDC。其动态响应曲线表现出更小的超调量和更短的调整时间。这种动态控制质量的提升显然归功于R-DDWDC特有的双隔壁拓扑结构,而该结构的得出正是得益于共强化原理的应用。具体而言,右侧隔离壁的引入有效消除了侧线产品纯度控制与底部产品纯度控制之间的相互耦合,显著提升了系统的可控性。通过减少控制回路间的干扰,R-DDWDC不仅改善了各控制回路的独立性,还增强了整体系统的稳定性和响应速度。

4 结论

基于MeOH和LA酯化反应物系,本文中系统地比较了R-DDWDC与R-SDWDC的动态特性与可控性。动态仿真结果表明,R-DDWDC具有相较R-SDWDC更好的动态特性与更高的可控性。在相同的浓度控制系统下,R-DDWDC能够实现更高质量的产品纯度控制。具体而言,R-DDWDC能够更有效地维持侧线和塔底产品的纯度,在面对进料流量和组分变化时,其超调量更小且调节时间更短。这些结果充分证明了,共强化原理不仅有助于推导出热力学效率更高的反应精馏系统,而且能够改善系统的动态特性与可控性,是一种非常有效的反应精馏系统设计方法。

参考文献

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