隔壁塔分离混合醇的稳态设计和动态控制研究

摘要

低碳醇作为重要的化工产品和潜在的替代燃料具有较大应用潜力。合成气制低碳醇是煤间接液化和清洁利用的重要手段之一，对其产物的分离是该技术实现工业化的重点。
　　本文以课题组前期研究为基础，进料中甲醇265kg/h，乙醇255.8 kg/h，正丙醇197.4kg/h，正丁醇110.3 kg/h，要求产品纯度均为0.99。采用先脱水后分离得到单醇的策略，利用普通精馏分离甲醇，再利用分隔壁塔分离乙醇-正丙醇-正丁醇的工艺流程。基于模拟软件Aspen Plus和Aspen Dynamic s对该过程的稳态设计和动态控制做了全面研究。通过软件自带函数和全年总费用法（TAC）得到了分隔壁塔最优操作参数，并找到了最佳热集成方式和操作压力；在稳态运行的基础上，添加流量变化±5％的恒定扰动，对比考察了4种控制结构的动态响应效果。主要结论如下：
　　（1）通过软件自带函数对隔壁塔分离的稳态过程进行计算和调优，在满足分离要求的情况下对工艺参数进行优化。研究发现4个参数存在最佳范围，其中液相分配比LR最佳范围为0.38-0.42，气相分配比VR最佳范围为0.6-0.63，最佳进料位置与初馏塔塔板数的比约为0.33，最佳出料位置与主塔塔板数的比为0.5；固定上述4个参数后，通过TAC法求出主塔塔板数为54块，初馏塔塔板数为27块，侧线抽出位置为第12块，分隔壁塔回流比为2.17。在此条件下，全年总费用174478美元。
　　（2）以节能为目标，研究了不同的热集成方式，发现两塔最优方式为逆流型，最优压力组合方式为低压（前效压力，0.3atm）-常压（后效压力，1atm）。相对于传统两塔流程，整个过程耗能265.2kW，总节能效率为51.4%。
　　（3）采用塔顶冷凝器负荷QC控制主塔塔顶压力，并且考虑塔板存在滞后效应，得出以下4种控制结构：LQR/DSB、LB/DSQR、DB/LSQR、DQR/LSB，来分析其抗干扰性能。在忽略液相分配量LL控制初馏塔压力的情况下发现纯度控制不理想，原因是初馏塔塔顶压力的不可控。在添加LL控制初馏塔压力后，发现上述4种控制策略中DB/LSQR（塔顶采出量D控制塔顶液位、塔釜采出量B控制塔釜液位、回流量L控制塔顶产品纯度、侧线采出量S控制侧线产品纯度、再沸器负荷QR控制塔釜产品纯度）在面临流量扰动时，控制效果最理想，且通过添加温度-组成串级控制可以进一步缩短调节时间，减小最大偏差。

目录

声明

第一章 文献综述

1. 1 选题背景及意义

1. 2 化工过程模拟进展

1. 3 精馏

1. 4 混合醇分离的研究现状

第二章 流程设计原理和物性方法选择

2. 1 设计依据

2. 2 脱水过程

2. 3 精馏过程

2. 4 物性方法

第三章 分隔壁塔分离混合醇的稳态设计和优化

3. 1 稳态设计

3. 2 自由度分析

3. 3 初步优化

3.4 基于年总费用（Total Annual Cost，TAC）的优化方法

3. 5 参数优化结果

第四章 稳态结果分析和热集成方式

4. 1 模拟结果分析

4. 2 两塔热集成方式

第五章 分隔壁塔的动态控制研究

5. 1 总述

5. 2 分隔壁塔控制策略分析

5. 3 评价指标

5. 4 动态模拟

5. 5 动态响应结果分析

5.6温度-组成串级控制的DB/LSQR动态特性

第六章 结论与建议

6. 1 结论

6. 2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文