苯乙烯精餾工藝應(yīng)用優(yōu)化及控制研究

苯乙烯精餾工藝應(yīng)用優(yōu)化及控制研究摘要：苯乙烯是應(yīng)用于工業(yè)材料、藥品等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要材料，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜。近些年來(lái)，隨著苯乙烯市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工藝技術(shù)迭代更新速度加快，在生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化工藝應(yīng)用方式，提升節(jié)能降耗生產(chǎn)水平，成為相關(guān)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。本文基于穩(wěn)態(tài)流程模擬，說(shuō)明苯乙烯精餾工藝應(yīng)用中的控制要求，以此為相關(guān)研究提供參考。關(guān)鍵詞：苯乙烯；精餾工藝；控制當(dāng)前國(guó)內(nèi)苯乙烯技術(shù)路線主要是以乙苯脫氫工藝為主，市場(chǎng)規(guī)模占據(jù)90%以上。同時(shí)，環(huán)氧丙烷/苯乙烯共氧化工藝應(yīng)用也更加廣泛。受不同工藝生產(chǎn)方式和產(chǎn)品性能影響，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力存在較大差異，因此如何優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，推動(dòng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)節(jié)能減排，降低生產(chǎn)成本，成為企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。1、苯乙烯精餾工藝類(lèi)型及穩(wěn)態(tài)流程模擬1.1苯乙烯精餾工藝類(lèi)型相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，石油化工行業(yè)能耗在全國(guó)工業(yè)總能耗中占比達(dá)到15%左右，精餾操作單元是產(chǎn)品組分分離的基本環(huán)節(jié)，運(yùn)行能耗占到整個(gè)分離過(guò)程的95%以上。因此采用更加節(jié)能的精餾技術(shù)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)方式優(yōu)化，具有重要的促進(jìn)作用。當(dāng)前較為常用的苯乙烯精餾工藝，主要有如下幾種：（1）多效精餾，其原理是利用高熱品位的塔頂蒸汽，對(duì)低熱品位的塔釜再沸器加熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身冷凝。在運(yùn)行中，隨著效數(shù)增加，效率也不斷下降，因此多是采用雙效或三效模式，但是在操作過(guò)程中，需要做好溫度控制，對(duì)生產(chǎn)管理具有較高要求。（2）萃取精餾與共沸精餾，其原理是在精餾過(guò)程中添加新的組分，改變?cè)形锵档南鄬?duì)揮發(fā)度，有效降低精餾能耗。（3）熱泵精餾，其原理是基于冷凝器與再沸器的熱耦合作用，提升工藝流程中的熱力學(xué)效率，具體包括直接蒸汽壓縮、塔釜閃蒸、外部蒸汽再壓縮等三種工藝方式。（4）內(nèi)部熱耦合精餾，其原理是在精餾塔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)熱量集成，在高壓作用下，將精餾段作為熱源，提餾段作為冷源，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的工藝[1]。從理論計(jì)算視角，該工藝節(jié)能降耗可以達(dá)到70%以上，但是在實(shí)際運(yùn)行中，由于傳熱面積限制，實(shí)際效果與理論效果依然存在較大差距。1.2苯乙烯精餾工藝優(yōu)化要求在苯乙烯精餾工藝研究不斷深入情形下，國(guó)外企業(yè)根據(jù)某學(xué)者提出的完全熱耦合精餾塔理論模型，嘗試提出間壁式精餾塔結(jié)構(gòu)，成為精餾工藝應(yīng)用優(yōu)化關(guān)注的重點(diǎn)方向。從技術(shù)理論層面而言，間壁式精餾塔與內(nèi)部完全熱耦合精餾塔在熱力學(xué)上是等價(jià)的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮工藝的適配性、可操作性等問(wèn)題，必須要通過(guò)合理的工藝方案，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定性與最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。穩(wěn)態(tài)模型是衡量經(jīng)濟(jì)效益的基本方法，動(dòng)態(tài)模型則是衡量可操作性的基本方法，將兩種方法結(jié)合，選擇出最為適配的間壁式精餾塔工藝優(yōu)化方案，對(duì)生產(chǎn)管理改進(jìn)具有重要的促進(jìn)作用。2、苯乙烯精餾工藝優(yōu)化模型以PO/SM工藝中苯乙烯精餾工段為例，生產(chǎn)設(shè)備包括MBA脫水反應(yīng)器、水洗塔、堿洗罐、水洗罐、輕組分塔、苯乙烯塔等過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)苯乙烯與重油的分離。相對(duì)乙苯脫氫工藝，反應(yīng)器出口中只有少量乙苯，更多的是甲基苯甲醇?xì)埩?。工藝?yīng)用經(jīng)濟(jì)效益水平，更多的受塔板分布和進(jìn)料采出位置等因素影響。為更好的分析不同工藝方案影響，根據(jù)布置方式不同，搭建如下幾種形式模型進(jìn)行對(duì)比：（1）CDiC模型，將兩個(gè)傳統(tǒng)精餾塔按順序連接，作為基準(zhǔn)比較的原始方案。（2）FTC間壁式精餾塔模型，是在塔內(nèi)插入一座分隔壁，再結(jié)合進(jìn)料與采出位置，將全塔分為六個(gè)部分，物質(zhì)交流和能量傳遞效率，主要受區(qū)域之間的塔板數(shù)、回流比、氣相分配和液相分配流量等因素影響。（3）ASS間壁式精餾塔模型，在結(jié)構(gòu)上將分隔壁位置延伸至塔釜，增加一個(gè)再沸器，通過(guò)調(diào)整兩側(cè)再沸器負(fù)荷，能夠根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整分隔壁兩側(cè)氣相流量，從而達(dá)到良好的控制效果。（4）MR間壁式精餾塔模型，其方案是將ASS間壁式精餾塔模型中左側(cè)再沸器中的產(chǎn)物，利用液體傳輸管道，轉(zhuǎn)移至分隔壁右側(cè)，在有效控制左側(cè)分離重組分任務(wù)的同時(shí)，提升產(chǎn)品純度。（5）ALT間壁式精餾塔模型，其方案是將MR中分隔壁左側(cè)液體傳輸?shù)脑?，從再沸器提升至中間塔板，形成新的熱耦合。這種模型的熱耦合效率介于MR塔和FTC塔之間，但控制效果有明顯提升。3、苯乙烯精餾動(dòng)態(tài)流程模擬與控制3.1搭建動(dòng)態(tài)模型無(wú)論采用何種苯乙烯精餾工藝，運(yùn)行過(guò)程都是動(dòng)態(tài)化的，需要考慮多種因素對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響。因此依照設(shè)備之間的運(yùn)行關(guān)系和模型搭建原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)流程的模擬，需要搭建塔板模型、冷凝器模型、再沸器模型、控制器模型。3.2控制自由度分析控制自由度分析，是指在模型運(yùn)行中，至少需要選擇多少個(gè)直接控制點(diǎn)，才能夠使模型達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。本課題研究中，以經(jīng)濟(jì)效益最好的FTC塔和ALT模型為例，說(shuō)明控制自由度選擇的基本方法。在兩種模型中，精餾工藝運(yùn)行約束條件和總物流數(shù)，主要體現(xiàn)在物流/能量流、節(jié)流閥、泵、壓縮機(jī)、冷凝器、釜式再沸器、熱虹吸式再沸器、閃蒸罐/精餾塔筒體等方面。對(duì)FTC塔而言，參考工藝應(yīng)用中約束條件和冗余變量控制要求，可以將控制自由度設(shè)置為7個(gè)。對(duì)ALT塔而言，則需要考慮由于新增加設(shè)備帶來(lái)的影響，因此將控制自由度設(shè)置為9個(gè)。3.3FTC模型的動(dòng)態(tài)模擬FTC塔所設(shè)定的7個(gè)控制自由度，主要包括冷凝器熱負(fù)荷、塔頂采出流量、側(cè)線采出流量、塔釜產(chǎn)品流量、回流流量、液相分配流量及再沸器熱負(fù)荷等。模擬優(yōu)化效果，是要求通過(guò)不同的變量控制組合，分別模擬精餾工藝流程，以最終產(chǎn)品純度能夠達(dá)到合格為止。模擬過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整進(jìn)料組成、進(jìn)料流量，分析塔頂乙苯、側(cè)線苯乙烯、側(cè)線α-甲基苯乙烯的濃度變化狀態(tài)[2]。模擬結(jié)果顯示，在苯乙烯進(jìn)料濃度增加10%情形下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性明顯不足，即便是在增加響應(yīng)時(shí)間情形下，也無(wú)法保持定常態(tài)模式，說(shuō)明該模型在可操作性上存在一定局限。如果再增加溫度變量，則可控性更差，對(duì)生產(chǎn)操作精度具有更高要求。3.4ALT模型的動(dòng)態(tài)模擬ALT模型提出時(shí)間較晚，在控制方案和動(dòng)態(tài)特性方面的研究依然較為滯后，尤其是在增加兩個(gè)操作自由度情形下，要求蒸餾塔內(nèi)部濃度分布限制更加精細(xì)化。本課題研究中，在FTC模型基礎(chǔ)上，對(duì)控制方式進(jìn)行優(yōu)化，分別觀察進(jìn)料施加10%流量擾動(dòng)和10%苯乙烯濃度擾動(dòng)情形下，塔頂乙苯、側(cè)線苯乙烯和側(cè)線AMS的濃度變化特征。模擬結(jié)果顯示，在各種控制方案下，ALT模型的產(chǎn)品質(zhì)量較之FTC模型均有明顯提升，具有良好的應(yīng)用效果。因此在生產(chǎn)作業(yè)中，通過(guò)技術(shù)公關(guān)和優(yōu)化改進(jìn)，能夠在有效提升產(chǎn)品質(zhì)量基礎(chǔ)上，降低整體運(yùn)行成本，有效提升苯乙烯精餾工藝應(yīng)用水平。4、結(jié)束語(yǔ)將苯乙烯精餾工藝過(guò)程轉(zhuǎn)變成為數(shù)學(xué)模型問(wèn)題，以年度總費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)，分析不同生產(chǎn)工藝所具有的運(yùn)行特征，分析FTC模型和ALT模型在可操作性、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面差異，能夠準(zhǔn)確評(píng)估工藝應(yīng)用成效和具體控制要求[3]。相對(duì)而言，F(xiàn)TC工藝在經(jīng)濟(jì)效益方面具有一定優(yōu)勢(shì)，ALT工藝在可操作性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。因在生產(chǎn)管理中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的工藝類(lèi)型，以此確保企業(yè)整體效益不斷提升。參考文獻(xiàn)[1]徐彬.苯乙烯生產(chǎn)工藝對(duì)比與分析[