外部热耦合精馏塔控制方案的综合与分析

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在精馏塔分离物质的过程中,其精馏段作为潜在热源主要放出热量,而提馏段主要吸收热量。因此,如果将精馏段放出的热量加以利用,提供给提馏段,可以大大降低精馏过程中的能量损耗,提高热力学效率。外部热耦合精馏塔就是基于这样的原理提出来的。外部热耦合精馏塔由两个独立的精馏塔组成,其中一个塔的精馏段所放出的热量通过换热器传递给另一个塔的提馏段,从而实现热量的耦合,能耗的减少。耦合了精馏段的精馏塔称之为高压精馏塔,另一个塔则相应的称之为低压精馏塔。近年来,外部热耦合精馏塔作为化工领域新兴的节能技术,吸引了众多学者及研究人员的关注。理论研究已经充分证明,外部热耦合精馏塔具有很高的热力学效率。然而,文献中关于外部热耦合精馏塔的操作及控制,则鲜有论述。为此,本文针对外部热耦合精馏塔的结构特点,提出了三种控制方案,并分别进行了控制性能的比较与研究。首先,外部热耦合精馏塔具有平行结构特性,即两个精馏塔的进料相同,并且在顶部和底部的产物分别相同。基于此,我们设计了两种控制方案,一种是将顶部产品混合后对系统进行控制,另一种则是将底部产品混合后进行控制系统的设计。其次,考虑三个换热器简化的外部热耦合精馏塔结构,在设计控制方案时可以利用换热器的热负荷作为操作变量。文中采用相对增益矩阵(RGA)对三种控制方案的输入输出变量进行了分析,并进一步确定了各自的控制结构。在进行动态仿真的过程中,通过分离苯甲苯二元实际混合物,三种控制方案分别与常规控制方案进行了比较。仿真结果表明,混合结构的三回路控制方案优于常规方案的四回路控制效果,顶部混合结构某种程度上优于底部混合结构。而对于简化结构,其控制效果较之常规控制方案有所改善,但同时换热器的调整面临一定的限制。换热量过大有可能造成塔板液位的干涸或溢出,在实际操作中应小心对待。此外,综合混合结构得出的结论,若将简化结构中的塔顶或塔底产品混合后再设计控制系统,可能取得更好的效果。最后,从控制角度考虑,简化结构的外部热耦合精馏塔也是外部热耦合技术一个可行的实现方式。
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