基于“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计方法，包括以下步骤：(1)确定最佳的稳态工艺参数；(2)确定控制系统的控制目标和控制自由度；(3)基于“自顶向下”的多回路过程控制系统设计，首先选择与经济指标相关或间接相关的被控变量设计经济控制回路，然后选择与生产过程密切相关的温度、压力、液位过程变量以及经济控制回路剩余自由度进行平衡控制回路的设计；(4)扰动运行，分析控制系统性能。本发明专利技术提供的针对多单元精馏过程的自动控制系统设计方法，适用于多种多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计，该设计方法有效解决了传统设计方法带来的经济控制目标不明确、控制回路过剩等问题，实现精馏装置闭环系统的长期稳定运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化学工程与过程控制交叉学科，属于反应精馏生产过程自动控制领域，涉及多单元反应精馏过程自动控制系统的设计方法，具体涉及一种基于“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计方法。
技术介绍
针对化工过程自动控制系统设计，大多文献资料将研究重点集中在使用“自底向上”设计准则设计自动控制系统。即针对工艺过程进行控制系统设计时，先对流程中的单个生产单元按照惯用控制方案进行控制回路设计，然后将所有控制回路整合到一起，发现某些控制回路出现问题后再对控制回路进行修改。“自底向上”方法作为流程设计领域的常用准则，具有符合人类惯常思维、设计思路简单等诸多优点，但是不能从整个生产流程的控制要求角度考虑控制方案，容易出现经济控制目标不明确、控制回路过剩等问题。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种基于“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统的设计方法。本专利技术给出的多单元反应精馏装置的自动控制系统设计方法，有效的解决了传统设计方法带来的控制目标不明确、控制回路过剩等问题，且设计的控制方案可确保精馏装置长期稳定运行，具有抑制多种扰动的能力。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计方法，包括以下步骤：(1)确定最佳的稳态工艺参数：根据多单元反应精馏过程体系的物系特征和实际工艺参数，利用化工流程模拟软件建立工艺流程稳态模型，在已建立的工艺流程稳态模型基础上，通过年生产成本最低的稳态优化设计方法，确定多单元反应精馏装置的最佳稳态工艺结构参数和操作参数；(2)确定控制系统的控制目标和控制自由度：在稳态优化设计基础上，针对塔内塔板温度、气液相流率和气液组成分布，根据工艺要求，合理确定产品质量和目标产物选择性作为控制系统设计的控制目标；根据工艺稳态模拟流程，确定控制系统的控制自由度(即被控变量)；(3)基于“自顶向下”的多回路过程控制系统设计：在给定控制系统的控制自由度后，设计多回路自动控制系统；所述的多回路自动控制系统设计包括经济控制回路设计和平衡控制回路设计；所述经济控制回路的设计：选择与经济指标相关或间接相关的被控变量；所述的经济指标为产物的产量和质量，所述与经济指标相关的被控变量通常是工艺的进料量、精馏塔的上升蒸汽量和产物纯度(或不纯度)；在对产量进行控制时，需要控制与输入相关的变量；在进行质量控制时，根据就近控制原则，选择与相应输出指标相近的控制自由度与相应输出指标组成控制回路，进行直接控制；所述平衡控制回路的设计：选择与生产过程密切相关的温度、压力、液位过程变量以及经济控制回路剩余的控制自由度进行控制；(4)扰动运行，分析控制系统性能：针对设计的多回路自动控制系统，在动态模拟系统中，分别引入不同幅度不同方向的进料流量扰动和进料成分扰动，分析系统的动态响应性能指标；如果动态响应满足控制系统要求，则设计方案有效，反之则返回上一步骤，重新配对被控变量，修改平衡控制回路中不常规的长回路或者控制效果差的回路，直至动态响应满足系统要求。所述多单元反应精馏的过程为双进料双产物的可逆反应精馏的过程。所述的物系特征包括气液平衡常数、沸点、相对挥发度、反应动力学特征、反应热力学性质。该厂级过程控制系统设计方法适用于各类多单元反应精馏工艺，如醋酸甲酯水解工艺、异丙烷生产工艺、乙苯生产工艺以及正丁烷异构化反应工艺等。本专利技术具体实施方式中以醋酸甲酯水解工艺为例，详细说明了“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统的设计方法。上述的多单元反应精馏装置为PTA副产物醋酸甲酯水解装置。上述的双进料双产物的可逆反应为醋酸甲酯水解可逆反应。本专利技术针对多单元反应精馏装置，提出了“自顶向下”的控制系统设计方法(其示意图见图1)，该方法首先明确关键变量，根据与生产最相关的经济指标来设计经济控制回路，然后利用剩余控制变量设计能量、物料平衡控制回路，最后引入扰动，评价控制方案的性能。本专利技术的有益效果：本专利技术针对“自底向上”设计准则设计自动控制系统的不足，提出了“自顶向下”的设计准则。本专利技术在多单元反应精馏装置稳态优化基础上，通过确定系统的控制自由度，利用“自顶向下”设计准则给出了多单元反应精馏装置自动控制系统设计方法。并引入进料流量和成分扰动，对上述设计方案的闭环系统进行性能测试。本专利技术给出的一套多单元反应精馏装置自动控制系统设计方法，有效的解决了传统设计方法带来的控制目标不明确、控制回路过剩等问题，且设计的控制方案可确保精馏装置长期稳定运行，具有抑制多种扰动的能力。附图说明图1“自顶向下”的控制系统设计方法示意图图2醋酸甲酯水解工艺流程图图3醋酸甲酯水解工艺稳态优化设计参数(1)反应精馏塔优化参数；(2)甲醇回收塔优化参数图4反应精馏塔灵敏度响应曲线图5甲醇回收塔灵敏度响应曲线图6醋酸甲酯水解控制方案图7进料流量扰动下控制系统动态响应(1)进料流量扰动下甲醇含量；(2)进料流量扰动下醋酸含量图8进料成分扰动下控制系统动态响应(1)进料成分扰动下甲醇含量；(2)进料成分扰动下醋酸含量具体实施方式实施案例：PTA醋酸甲酯水解过程厂级控制方案设计案例PTA醋酸甲酯水解厂级工艺流程主要包括四个环节：进料和循环液混合过程、预反应器反应过程、反应精馏塔反应精馏过程、甲醇回收塔产品分离过程。其工艺流程如图2所示。两股进料分别为水和醋酸甲酯混合物(醋酸甲酯以及少量水、苯、甲醇、异丙苯)，C3为进料混合罐、R1为固定床预反应器、C1为反应精馏塔、C2为甲醇回收塔。醋酸甲酯和水进入醋酸甲酯混合罐C1混合后由原料输送泵输送，经原料预热器加热后进入固定床预反应器R1，在固体酸催化剂的催化作用下，醋酸甲酯水解生成醋酸和甲醇。R1出料送至催化精馏塔C1，进一步反应R1中未反应完全的醋酸甲酯。醋酸甲酯、水、苯等的共沸物经C1塔顶冷凝器冷凝后，部分回流，部分循环至混合罐C3，C1塔釜水解产物醋酸和甲醇送入甲醇回收塔C2。在C2中，高浓度甲醇由侧线采出，塔釜为含水醋酸产品，塔顶蒸汽进入塔顶冷凝器冷凝，冷凝液大部分回流至C3混合罐。步骤1：确定最佳的稳态工艺参数根据反应精馏过程体系的气液平衡常数、沸点、相对挥发度、反应动力学特征、反应热力学性质等物系特征和实际工艺参数，利用化工流程模拟软件建立工艺流程稳态模型，在已建立的工艺流程稳态模型基础上，通过年生产成本最低的稳态优化设计方法，合理确定多单元反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：(1)确定最佳的稳态工艺参数：根据多单元反应精馏过程体系的物系特征和实际工艺参数，利用化工流程模拟软件建立工艺流程稳态模型，在已建立的工艺流程稳态模型基础上，通过年生产成本最低的稳态优化设计方法，确定多单元反应精馏装置的最佳稳态工艺结构参数和操作参数；(2)确定控制系统的控制目标和控制自由度：在稳态优化设计基础上，针对塔内塔板温度、气液相流率和气液组成分布，根据工艺要求，合理确定产品质量和目标产物选择性作为控制系统设计的控制目标；根据工艺稳态模拟流程，确定控制系统的控制自由度；(3)基于“自顶向下”的多回路过程控制系统设计：在给定控制系统的控制自由度后，设计多回路自动控制系统；所述的多回路自动控制系统设计包括经济控制回路设计和平衡控制回路设计；所述经济控制回路的设计：选择与经济指标相关或间接相关的被控变量；所述的经济指标为产物的产量和质量，所述与经济指标相关的被控变量为工艺的进料量、精馏塔的上升蒸汽量和产物纯度或不纯度；在对产量进行控制时，需要控制与输入相关的变量；在对质量进行控制时，根据就近控制原则，选择与相应输出指标相近的控制自由度与其组成控制回路，进行直接控制；所述平衡控制回路的设计：选择与生产过程密切相关的温度、压力、液位过程变量以及经济控制回路剩余的控制自由度进行控制；(4)扰动运行，分析控制系统性能：针对设计的多回路自动控制系统，在动态模拟系统中，分别引入不同幅度不同方向的进料流量扰动和进料成分扰动，分析系统的动态响应性能指标；如果动态响应满足控制系统要求，则设计方案有效，反之则返回上一步骤，重新配对被控变量，修改平衡控制回路中不常规的长回路或者控制效果差的回路，直至动态响应满足系统要求。...

【技术特征摘要】
1.一种“自顶向下”的多单元反应精馏装置厂级过程控制系统设计方法，其特征在于
包括以下步骤：
(1)确定最佳的稳态工艺参数：根据多单元反应精馏过程体系的物系特征和实际工艺
参数，利用化工流程模拟软件建立工艺流程稳态模型，在已建立的工艺流程稳态模型基础
上，通过年生产成本最低的稳态优化设计方法，确定多单元反应精馏装置的最佳稳态工艺结
构参数和操作参数；
(2)确定控制系统的控制目标和控制自由度：在稳态优化设计基础上，针对塔内塔板
温度、气液相流率和气液组成分布，根据工艺要求，合理确定产品质量和目标产物选择性作
为控制系统设计的控制目标；根据工艺稳态模拟流程，确定控制系统的控制自由度；
(3)基于“自顶向下”的多回路过程控制系统设计：在给定控制系统的控制自由度
后，设计多回路自动控制系统；所述的多回路自动控制系统设计包括经济控制回路设计和平
衡控制回路设计；
所述经济控制回路的设计：选择与经济指标相关或间接相关的被控变量；所述的经济指
标为产物的产量和质量，所述与经济指标相关的被控变量为工艺的进料量、精馏塔的上升蒸
汽量和产物纯度或不纯度；在对产量进行控制时，需要控制与输入相关的变量；在对质量进
行控制时，根据就近控制原则，选择与相应输出指标相近的控制自由度与其组成控制回路，
进行直接控制；

【专利技术属性】
技术研发人员：薄翠梅，黄燕，李俊，黄庆庆，丁帅，乔旭，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32