摘 要：分析醋酸回收装置非均相共沸精馏系统运行现状，在DCS常规控制基础上，应用先进工艺控制（APC）技术，通过克服萃取液蒸发器进料量、进料组分、加热蒸汽压力波动等干扰，稳定主蒸塔组分分布，同时优化主蒸塔中部温度、提馏段灵敏板温度，实现“卡边”优化控制。实测同等稳定负荷情况下，装置蒸汽单耗下降1.8%。

   关键词：醋酸回收、非均相共沸精馏、先进工艺控制  

 1．前言

   先进过程控制（Advanced Process Control，APC）是对那些基于模型控制（预测控制）和基于知识控制（智能控制、软测量）等各类计算机控制策略的统称。“先进”是指控制品质优良，但未普遍使用。醋酸浓度较低时，醋酸和水的相对挥发度接近于1，用普通精馏分离较困难，工业上常采用共沸精馏方法[1]。南纤公司醋酸回收工艺采用溶剂萃取和非均相共沸精馏联合法。萃取液组成、流量随上游工序有所波动，主蒸塔进料流量（通过调整蒸发器加热蒸汽流量实现）、塔顶回流、提馏段灵敏板温度等工艺参数也需操作工经常调整。由于操作工调整的及时性和合适性存在差异，对回收醋酸产品质量和能耗产生一定影响。塔顶回流偏大，增加能耗，同时可能导致轻组分进入塔釜，影响塔釜产品质量；回流偏小，醋酸可能从塔顶跑损。2010年，南纤公司成功完成了“醋酸回收装置主蒸塔节能和稳定运行APC项目”。

   2．工艺过程分析

   南纤公司醋酸回收工艺流程见图1。溶剂与稀酸在逆流萃取塔（1）中接触，萃余相经溶剂回收塔（7）回收溶剂后送废水处理站处理。富含醋酸的萃取液则经蒸发器（2）和残液蒸馏釜（3）去除高沸点的杂质，沸点较低的溶剂、醋酸和少量水在主蒸塔（4）中进行共沸精馏分离。精馏塔顶分出的溶剂和水经冷凝器（5）冷凝后，在分相器（6）中进一步分离，分出的溶剂循环使用，水相则与萃取塔（1）的萃余相一起送溶剂回收塔（7）。精馏塔底得到醋酸产品，该工艺回收的醋酸纯度大于99.5%。

                   
                                           图1 南纤公司醋酸回收工艺流程示意图
    1.萃取塔；2.蒸发器；3.残液蒸馏塔；4.主蒸塔；5.冷凝器；6.分相器；7.溶剂回收塔

    主蒸塔干扰因素多，变量之间相互影响大。特别是负荷、组分发生波动时，易出现回流不匹配，难以实现最佳运行状态。由于共沸精馏塔存在非线性、大滞后等控制难题，采用简单PID控制策略，无法满足最经济运行要求。在精馏塔中，水、醋酸、多种溶剂形成多元体系。通过模拟，获得每块塔板对应主要组分浓度、温度曲线，见图2。可见，塔上部温度变化比较平缓，该区域汽－液－液三相共存，主要组分为水和共沸剂，醋酸浓度很低。中部是三相与两相的过渡区，温度、浓度、相态的变化均十分剧烈——进料位置以上，共沸剂浓度急剧增大，醋酸浓度迅速减小；进料位置以下，共沸剂浓度迅速降低。底部共沸物浓度极低，共沸剂基本不起作用，温度与浓度的变化规律与醋酸－水二元普通精馏过程相同^[2][3]。

                 
                                   图2 共沸精馏塔关键组分及温度分布图  

    在共沸精馏过程中，控制共沸剂回流量非常关键。回流量偏多，塔内没有足够水分与共沸剂形成共沸物，溶剂容易落入塔釜，不但增加再沸器负荷，还影响醋酸产品质量；回流量偏少，塔内共沸剂较少，无法将塔内水分及时带出，导致醋酸、水无法有效分离，醋酸从塔顶跑出而损耗。共沸剂分布在塔内无法直接测量，只能依靠塔温度间接指示。共沸剂浓度变化主要集中在塔中部附近，我们利用中顶、中部、提馏段灵敏板、中底温度测点反映共沸剂在塔内分布情况。在生产过程中，回流量偏低时，塔内共沸剂分布逐渐上移，中顶、中部温度升高。如果塔内共沸剂量太少，中顶温度过高，将导致塔顶气相中醋酸含量过大，增加醋酸消耗；由于共沸剂分布上移，提馏段灵敏板温度测点附近共沸剂组分变少，该处温度将有所上升，如果维持灵敏板温度不变，再沸器负荷会下降，而中底部由于以醋酸、水两组分存在的塔板增多，分离精度下降，塔底部的水浓度上升。回流量偏大时，共沸剂分布下移，造成精馏塔中部温度下降，提馏段灵敏板温度测点附近共沸剂组分变多，如果要维持同样的提馏段温度，再沸器负荷将增加，而中底部由于以醋酸、水两组分存在的塔板减少，分离精度增加，塔底部的水浓度下降，但是，如果共沸剂分布下移太多，共沸剂会进入底部，造成回收醋酸不合格。

   常规控制策略中，主蒸塔设计了提馏段灵敏板温度与再沸器蒸汽流量的串级控制，其他温度由操作人员根据实际情况调整塔顶回流来控制。从上述工艺分析可以看出，提馏段灵敏温度稳定控制，并不能控制塔内共沸剂分布位置。共沸剂处于不同位置，会影响产品质量以及能耗。操作人员调整回流量，由于精馏塔塔板温度与回流存在大滞后和非线性，难以在时间和数量上精确匹配，易出现较大的波动，无法将塔内共沸剂分布稳定在最佳位置。

   3．APC控制策略思路

   由于共沸剂分布跟共沸剂在一段塔板的状态相关，单个温度测量值跟共沸剂分布没有直接关系，要综合考虑塔内几个温度状况来判断，而共沸精馏塔内共沸剂变化主要集中在塔中部附近，由此只要估计出中部共沸剂分布状况，即可估计出全塔共沸剂分布。通过物料平衡和模拟分析，结合塔中部不同位置的组分与温度的函数关系，建立正常生产时塔内共沸剂总量变化方程，主要公式如下：
   
                

    其中，R_共沸剂为主蒸塔塔顶回流量；

   F_共沸剂为进料共沸剂量；

   G_共沸剂为共沸剂与水形成共沸物后，以气相形式离开塔顶气相量；

   k为单位质量水形成共沸物所需的共沸剂量； 

   M_共沸剂为塔共沸剂液相总量；

   m_l为每块塔板持液量，该参数受气相负荷影响；

   X_共沸剂(l)表示第l块塔板共沸剂液相含量；

   N为共沸精馏塔的塔板数；

   y_共沸剂(T,P,F)代表共沸剂含量与温度、压力、处理负荷的函数关系。

   从上述公式可以看出，要稳定共沸剂在塔内分布，只需将共沸剂浓度突变段的共沸剂浓度稳定即可。共沸精馏塔内的浓度变化可看作是共沸剂代替水的过程，如果需要把共沸剂浓度分布上调或下移，意味要要有适当的共沸剂替换水。在其他条件稳定时，意味着塔内共沸剂总量增加或减少。在实际生产过程中，共沸剂过量，共沸剂液相不断下移，一部分与水形成气相共沸物，汽化到塔顶；一部分替换对应塔板原来的水分，剩余部分继续下降，直到新的平衡。共沸剂回流量与共沸剂塔内分布之间关系具有累积关系，进料中水含量、共沸剂量变化均会影响到共沸剂在塔内的分布。

   先进控制采用模型预测控制算法，该算法是利用历史数据和预测模型预测系统未来的输出，并按照设定的性能指标函数滚动优化，计算出一系列的控制作用，对大时滞、强耦合等很多PID 算法不能奏效的被控对象实施有效地控制。模型预测算法采用脉冲响应模型，未来输出值的预测值为：
   
         （5） 

  为了克服扰动和模型失配引起的偏差，采用当前实际值与模型计算值比较，用其偏差修正预测值：

      （6）  

  设定优化控制的目标函数为
      （7）

   通过在约束范围内优化上述目标函数计算得出系统将来的控制作用^[4]。

  其中，y_m为输出变量模型预测值；

   h为是输入输出模型响应序列；

  u为输入序列；

  y_p、y_k分别为校正后预测值和实际值；

  β_j为校正系数；

  y_sp为输出变量期望目标值；

  Q、R均为权矩阵；

  H_P为优化时域；

  H_C为控制时域。

  4．应用方案及其实现

  主蒸塔APC项目以保证产品质量和降低蒸汽消耗为目标，在DCS常规控制的基础上，应用先进控制软件建立整个主蒸塔的模型预测控制器，通过克服萃取液蒸发器进料量、进料组分、加热蒸汽压力波动等干扰，稳定主蒸塔组分分布，同时优化主蒸塔中部温度、提馏段灵敏板温度，实现“卡边”优化控制，实现精馏塔最低能耗运行。我们提出的功能要求包括：

  （1）设备运行安全性

  考虑塔顶循环冷却水阀位，以及塔釜加热量变化，避免冷却、加热负荷不合适，而导致塔压偏高或加热蒸汽流量过大引起的设备运行不正常问题。解决原先塔顶压力控制，和提馏段灵敏板温度控制互不相关的问题。

  （2）主蒸塔系统的萃取液处理负荷，和萃取液进料储槽之间的物料平衡

  根据萃取塔负荷以及萃取液进料储槽液位变化趋势，自动平稳调节储槽出料流量。在容许储槽液位于一定区域内平缓变化的前提下，尽量保持进汽液分离器物料流量稳定性；根据汽液分离器进料流量和萃取液储槽液位变化情况，优化调整蒸发器加热量，以保持装置物料进出平衡。

  （3）主蒸塔产品质量控制

  根据共沸精馏塔组分分布特点，特别关注共沸剂组分变化敏感区域，结合以往生产过程数据及检测值（主蒸塔塔底回收醋酸检测值、塔顶馏出物水相醋酸含量滴定值），得出产品质量与精馏塔过程数据的影响关系，预测实际生产过程中产品质量随工况变化趋势，以自动调整主蒸塔塔顶回流流量和提馏段灵敏板温度，保证塔釜、塔顶的质量指标要求。通过综合考虑塔顶部、中顶、中部温度，保证塔顶产品质量。其中，中顶、中部温度是关键温度，因为这两个温度是共沸剂组分变化敏感区域。塔釜产品（回收醋酸）质量，主要关注提馏段灵敏板温度，中底和底部温度差值，这个温差较好反映塔釜产品质量组分变化。

  （4）能耗最小化优化

  根据产品质量预测值、实际化验值及生产过程数据，在保证质量指标条件下，不断的优化回流量及关键受控变量目标值；同时根据塔顶冷却负荷状况，逐渐调整塔顶压力，提高分离能力，实现精馏塔能耗最小化。整个优化过程逐步推进，生产工况平缓渐变，不给装置带来额外波动。

  以上功能通过多变量预测控制器来实现，并根据精馏工艺生产要求，建立了各工艺参数、操纵变量的优先级控制，充分考虑精馏塔产品质量和能耗的协调控制，维持精馏塔处于最优运行状态。主蒸塔多变量控制器变量主要包括操纵变量、干扰变量和被控变量，见表1。

             表1 主蒸塔节能和稳定运行控制器变量列表  
                      

  5．应用效果

  主蒸塔节能和稳定运行APC系统投用后，萃取液蒸发、精馏操作稳定性提高，见图3、4。正常情况下，基本不需要人工手动干预就能够保持生产平稳运行，减少了操作人员劳动强度，实测同等稳定负荷情况下蒸汽单耗（萃取液蒸发器+主蒸塔再沸器+残渣蒸馏釜）下降1.8％。

               
                                图3 主蒸塔提馏段灵敏板温度控制效果对比
  
                 
                                        图4主蒸塔中部温度控制效果对比  

   6．结束语

   醋酸回收装置以多设备交叉联接，存在热集成、物料集成。我们首次使用APC技术，存在一些问题。萃取液精馏系统与上游工序关联密切，当上游设备出现故障或物料不平衡等（例如醋片生产短期停车，导致萃取塔负荷变化增大），在一定程度上影响APC的投用效果，此时需操作人员进行人工干预，尽可能保持装置平稳运行；萃取液蒸发器切换期间，主蒸塔运行波动大，先进控制效果不理想。今后，我们拟考虑稀酸萃取的影响，关联萃取关键工艺参数（溶剂/稀酸），从更大的系统上考虑问题，进一步稳定主蒸塔进料组分，提高APC实施效果。 

   参考文献

  [1] 李新利，唐聪明，萃取精馏分离醋酸－水溶液溶剂研究进展及机理分析，天然气化工，2005,30(6),6366

  [2] 王丽军、李希、张宏建，乙酸－水－乙酸正丁酯三相体系的热力学分析与共沸精馏过程模拟，化工学报，2005,56(7):1260~1266.

  [3] 时在国，PTA 装置共沸精馏塔脱水系统，聚酯工业，2005,18(5): 33~36.

  [4] 邵惠鹤，工业过程高级控制，上海交通大学出版社，1997: 258~260.  

   摘自《自动化博览》2011年第十期