石 晨 ，杨水兰 ，汪广恒 ，刘玲娜 ，刘向荣 ，3*

(1.西安科技大学化学与化工学院，陕西 西安 710054；2.榆林学院化学与化工学院，陕西 榆林 719000；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用实验室，陕西 西安 710021)

甲醇和丙酮都是工业上极为重要的有机化工原料及试剂[1]。甲醇主要用于胶黏剂、染料、农药和塑料等方面，也是一种性能优良的燃料，可掺入汽油作为燃料使用[2,3]。丙酮主要用于炸药，纤维，医药，农药，有机玻璃等，同时也是一种良好的溶剂用于洗涤剂、萃取剂和涂料等[4]。然而，常压下甲醇的沸点为64.5℃，丙酮的沸点为56.1℃，二者可形成最低共沸混合物，共沸温度为55.5℃[5]，常规精馏方法不能实现二者的完全分离。工业上常采取的分离方法有萃取精馏、变压精馏和共沸精馏，变压精馏较萃取精馏和共沸精馏相比具有不引入杂质，流程短，易于操作，控制简单且能耗低等特点[6,7]。Wade J等[7]在1911年第一次提出共沸物的概念，到目前为止，发现的共沸体系约有2万多种。Lewis等[8]首先提出将变压精馏用于分离共沸混合物。Repke等[9]首次通过实验研究压力对甲醇-丙酮共沸物组成的影响，但没有分离出高纯度甲醇、丙酮。William等[10]发现不同压力对组分的沸点有较大影响，但分离过程能耗大，对设备要求苛刻。孔鹏等[11]模拟双效变压精馏分离甲醇-丙酮共沸体系，发现了该方法与萃取精馏相比节能约13.4%，并且容易得到高纯度的丙酮产品，仅是模拟稳态工艺流程，缺少有效的控制，不符合实际。本文运用Aspen Plus软件建立甲醇-丙酮变压分离的稳态严格精馏模型，获得该工艺最佳操作参数。在此基础上，采用Aspen Dynamic软件进行动态控制研究，考察温度控制方案对进料流量和进料组成波动的控制能力。

1 稳态工艺设计

原料液组成为n甲醇:n丙酮=50:50，流量为540kmol/h，进料温度为25℃，要求塔釜产品纯度满足工业优等品，模拟过程采用UNIQUAC物性方法[12]。该UNIQUAC方程[13]可以很好计算体系液相各组分的活度系数。

图1 甲醇-丙酮的T-xy图：a-0.1 MPa；b-1 MPa

1.1 工艺原理

甲醇-丙酮二元共沸体系的T-xy图如图1所示。图1中可得：0.1MPa和1MPa下共沸物组成中甲醇物质的量分数分别为25.1%和62.5%，根据体系的这一特性，确定采用变压精馏分离甲醇、丙酮共沸体系方法。

1.2 模拟流程及工艺简述

变压精馏工艺流程如图2所示。该工艺流程主要由两个不同压力的精馏塔组成，即常压塔T1（0.1MPa）和加压塔 T2（1MPa）。 丙酮和甲醇的原料液与加压塔塔顶回流的液相物流F1进入常压塔T1。常压塔T1塔釜的物料为甲醇的产品采出，常压塔T1塔顶的部分共沸物料经冷凝后，再由增压泵直接打入加压塔T2，加压塔T2的塔釜即为丙酮产品的采出物。

图2 变压精馏工艺稳态流程图

在常压-加压精馏分离工艺流程进行模拟的过程中，精馏塔采用RadFrac[14]模块，塔顶设置为全凝器泡点出料，收敛方法选择共沸物系(Azeotropic)[15]，精馏塔的主要初始参数设置如表1所示。

表1 各物料信息表

1.3 精馏塔工艺参数优化

1.3.1 理论板数的影响

如图3和4所示，产品纯度随着理论塔板数的增加而升高，热负荷随着理论板数增加而增大。当常压塔理论板为52，加压塔理论板为62时，得到产品w甲醇和w丙酮均为99.89%以上，若继续增加塔板数，甲醇与丙酮的质量分数无明显变化，但一次性投资增大。因此，综合考虑选择常压塔最佳理论板数为52。加压塔最佳理论板数为62。

图3 理论板数对甲醇纯度和热负荷的影响

图4 理论板数对丙酮纯度和热负荷的影响

1.3.2 进料位置的影响

如图5和6为进料位置对精馏塔工艺参数的影响，由图可知：随着进料位置的增加，甲醇和丙酮质量分数呈现先上升再下降的趋势，热负荷呈现先下降后上升的趋势，当常压塔进料位置为34，加压塔进料位置为41时，w甲醇和w丙酮均达到99.89%以上。因此，常压塔最佳进料位置为34。加压塔的最佳进料位置为41。

图5 进料位置对甲醇纯度和热负荷的影响

图6 进料位置对丙酮纯度和热负荷的影响

1.3.3 回流比的影响

如图7和8为回流比对工艺参数的影响，由图可知：随着回流比增大，甲醇产品纯度提高，热负荷上升。当常压塔的回流比为2.85，加压塔的回流比为3.09时，产品w甲醇和w丙酮均为99.89%以上，若继续增加回流比，质量分数无明显变化，但耗能较大。因此，常压塔最优回流比为2.85。加压塔的最优回流比为3.09。

图7 回流比对甲醇纯度和热负荷的影响

图8 回流比对丙酮纯度和热负荷的影响

常压塔和加压塔的最佳参数如表2所示，经优化前后节能效果见表3，经分析常压塔再沸器节能20.6%，冷凝器节能17.2%；加压塔再沸器节能31.1%，冷凝器节能47.4%，总节约能耗24.9%，明显降低能耗。优化后w甲醇为99.9982%达到工业优等品，w丙酮为99.893%，均达到工业优等品。

表2 各塔最佳工艺参数

表3 换热器能耗表

2 动态控制设计

2.1 灵敏板的选择

当精馏塔受到外界因素干扰时，灵敏板是温度变化最为明显的地方[16]。因此，通过测量灵敏板温度变化情况预测塔内组成的变化。Luyben等[17]给出确定灵敏板的方法有：斜率判据、灵敏度判据、奇异值分解判据、恒定温度判据和产品波动最小判据共五种方法，其中斜率判据法是最常使用的。Wang等[18]研究表明在变压精馏分离乙醇和四氢呋喃的工艺中，奇异值分解判据和斜率判据选择灵敏板的位置相同。因此，本文运用斜率判据方法，如图9为常压塔和加压塔的塔内温度分布图，温度分布斜率最大的位置为灵敏板，即常压塔和加压塔的灵敏板分别为43块和51块。

图9 各塔塔内温度分布图

在控制方案中，固定回流量与塔顶流量的比值。压力控制器：增益参数Kc=20，积分时间t=12min。液位控制器：Kc=10，t=60min。塔板温度由再沸器的热输入控制，通常控制中控制器调谐方法包括Tyreus-Luyben法[19,21]和Ziegler-Nichols法[22,24]。Ziegler-Nichols是基于系统稳定性分析的PID整定分析，在设计过程中不需要考虑任何特性要求，方法比较简单，但存在较小的闭路阻尼系数，因此在化工过程控制中选用Tyreus-Luyben法[25]。由Tyreus-Luyben准则计算出增益和积分时间，则常压塔温度控制器TC的Kc=2.66，t=21.12min。加压塔温度控制器TC的Kc=6.77，t=19.8min。最终控制方案见图10。

图10 动态控制方案结构示意图

2.2 进料流量扰动因素

如图11和12可得，无论进料流量±10%时，常压塔和加压塔的灵敏板温度均能恢复初始值，刘立新[26]等人研究表明，灵敏板温度的变化情况对应着产品纯度的变化。当进料流量±10%时，产品w甲醇和w丙酮均能满足要求达到设计要求。w甲醇相比w丙酮变化大，当进料流量-10%，w甲醇由99.89%变化到99.91%，余差较小，在可控范围之内。流量增加或减少时，再沸器的热负荷也随之增加或减少，这结论也符合实际生产中的规律。总而言之，当进料流量±10%时，该体系能实现稳健的控制。

根据精馏原理得到，进料量增加时会导致提馏段温度降低，导致上升蒸汽中轻组分含量增加，全塔温度下降，灵敏板温度下降，温度控制器TC作出响应使得再沸器热负荷增加，灵敏板温度回升。

图11和12可以得出，甲醇、丙酮质量分数的改变同时受到进料流率、灵敏板温度、再沸器热负荷等操作参数的影响，各个参数的相互制约才使产品甲醇、丙酮达到一个新的平衡点。这是由于甲醇和丙酮易形成共沸物，共沸温度离丙酮沸点相近，并且在共沸点附近浓度变化较缓慢，因该体系的相应时间较长，甲醇和丙酮的相应时间分别为9h和10h。不同的操纵参数对产品纯度的影响程度不一样，因此当进料流率发生改变时，应需要结合3种控制变量，做出相应分析，给出准确的变化趋势。

图11 常压塔扰动分布图

图12 加压塔扰动分布图

2.3 进料组成扰动的影响

实际生产中，进料流率对产品的质量分数影响较大，并且进料组成不可能是一成不变。图13为进料组成n甲醇:n丙酮为4:6和6:4的组成扰动。进料n甲醇:n丙酮为4:6时，甲醇和丙酮的响应时间均为7h，产品w甲醇变化了0.002%，w丙酮变化了0.02%。进料n甲醇:n丙酮为6:4时，甲醇和丙酮的响应时间均为6h，产品w甲醇变化了0.028%，w丙酮变化了0.018%。控制体系能达到稳定，且满足产品纯度的要求，说明该控制对系统有较好的抗干扰能力。

进料组分中甲醇含量增加，使得常压塔塔底产品甲醇纯度增加，塔顶采出中丙酮减小，塔釜流出量增加，全塔温度升高，灵敏板温度上升，此时温度控制器TC的动作使得再沸器热负荷减少，则灵敏板温度先上升再下降，最终趋于平缓。

图13 进料组成扰动

3 结论

本文针对甲醇-丙酮变压分离工艺建立了稳态和动态方案，方法可行，简单易操作，为分离甲醇-丙酮提供理论指导和模型支持，得到如下结论：

（1）运用Aspen Plus软件中严格精馏模块，对变压分离甲醇-丙酮共沸混合物进行模拟与优化分析，以产品纯度和热负荷最小为目标，优化理论板数、进料位置和回流比，获得最佳操作参数，对比优化前后，节能效果明显。

（2）基于稳态研究，采用Aspen Dynamic软件进行动态模拟分析，引入进料流率±10%和进料n甲醇:n丙酮为4:6、6:4两种干扰，观察各个参数的变化趋势，发现其均在可控范围内，体系能够有效地抑制进料流量、进料组成的扰动，响应时间较长，但能较好的控制产品纯度。