全回热反应蒸馏塔的动态特性研究.pdf

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化工自动化及仪表
第40卷
全回热反应蒸馏塔的动态特性研究
刘念责克
(北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029)
全回热反应燕馆塔的反应操作和分离操作过程具有特殊的欠阻尼特性,而通过严格的再沸器
液位批割可以使欠阻屁果基本消除。以A和B反应生成C来说明了理想全回热反应蒸塔的这种
动态特性。
关词反应落馆全回热操作再器液位控制过程控动态拟
中图分类号TQ021.8文标识码A文宜第号1000-3932(2013)11-136604
近二十年来,反应蒸馏塔因其在过程强化中底无产物。全回热模式下不需要提馏段,反应段
髙效的作用而受到业界越来越广泛的关注?。与再沸器直接连接,其结构要比塔顶、塔底双出料
反应蒸馏塔相对于传统塔而言,尽管反应操作和反应蒸馏塔的结构更简单。此时可以把反应段和
分离操作紧密的结合能够使设备投资和操作费用回流看作是一个带有换热器的等效反应器,分
降低,但是反应蒸馏塔也存在复杂的过程动态操离操作的过程由精馏段完成,并且都由塔底的再
作及难控性等问题?。虽然反应蒸馏塔的过程沸器提供能量。
设计、过程动态和过程操作已得到广泛而深人的
研究,但是到目前为止,过程综合与设计和过程动
采出流量25.20mol
组分浓度0.01
态与操作之间复杂的相互作用却很少被学者研
B组分浓度0.01
组分浓度0.98
究。这两者的相互作用是反应蓁馏塔发展过程中
的一个关问题,所以需要对机理模型有更为全
回流量RR=26.06mols
面的理解]。笔者选择了全回热反应蒸馏塔作为
研究对象,这种塔代表着反应操作与分离操作之
A进料流魚1260molk1l
间最简捷的相互作用关系?。
笔者的首要目的是研究全回热反应蒸馏塔的
动态过程和动态操作。在研究过程中,发现全回
R进料流量12.60mls/18
热反应蒸馏塔动态响应的过程中存在欠阻尼响应
升蒸汽量5126m
的特性,并且反应操作和分离操作之间的相互作
用是导致欠阻尼响应的主要原因。通过严格的再
沸器液位控制,这种欠阻尼响应会被逐渐地抑制
进而产生良好的过稞动态和可控性。笔者研究了
图1理想全回热反应蒸馏塔
理想的全回热反应蒸馏塔A和B反应生成C的
A+B2C反应结构图
过程来说明这种特殊现象,通过对其开环特性测
试和闭环控制研究,所得的实验结果很好地解释
反应过程描述如图1,气、液相可逆反应的分
了全回热反应蒸馏塔中的动态特性过程。
离表达式为:
1理想全回反应蒸個塔的过程描述及稳态和
A+84+2
动态建棋
?=0ikJ/mal
全回热反应蒸馏塔化学反应过程A+B+2C
表1中列出了物理化学性质和反应操作条件。
如图1所示,最轻的生成物C从塔顶采出并且塔
收蒋日期:2013-09-12(修改稿
万方数据
第1]期
刘忿等.全回热反应蒸馏塔的动态特性研究
表1理想全回热反应蒸馆塔的
条件下各塔板的温度、气液相流量、液相组分浓度
物理化学参数和操作条件
和反应速率分布图。
420
参
賛压/MPa
6.06
板歎
特段
做
反应段
浠液量/kmal
冷凝
360
13
塔板
塔板
再沸器
a。温度
反应活化能止]、mal~
正向反应
125,52
L60
邀向反应
125,52
3《时的反应速/m?8?m1正向反应
80
逆向反应
气相
一液
进桪流量/mols
12.6t
40
进料位
19
塔板
b.气、液相流
进料热状况
10
相对挥发度(A:B:C)
1:2:4
反热/?mal
汽化潜热/hkJ?mol-1
塔底产浓度指标/mol
气相压力常
A(Aq/B)10.9600/3862
了
塔板
B(A。/B)11.6531/3862
C(ム/B)12.3463/3862
c.液相组分浓度
10
3种物系的相对挥发度大小为ac>a>gx,
并且反应物A和B分别从塔板11和塔板18进
料,反应段中物系在塔板j上的纯反应速率由下
式给出
vH(K
(2)
这里的前向反应速率Kn和逆向反应速率
塔板
K,分别为
Ks/=arexp ( -Er/Rr)
(3)
d.反应速率
K.,=aexp(-E、/RT)
4)因2理想全回热反应蒸塔的态参数分布
全回热反应蔡塔的动模拟模型来自文献2开环特性分析
[7]。图2给出了理想全回热反应蒸馏塔在稳态
图3给出了在3个不同的塔底再沸液位控
万方数据
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第40卷
制放大倍数下(K为0.2、1.0、2.5-),理想全
回热反应蒸馏塔对塔顶回流量变化±5%时的开
环瞬时响应结果。塔顶回流量无论增加还是减
少,理想全回热反应蒸馏塔均会表现出一定程度
的欠阻尼响应,并且欠阻尼响应随着K的增加
而降低,即欠阻尼响应的程度与再沸器液位控制
回路的控制器增益的增加成反比关系。
CC
0.9855
K=0.2
0.9835
K=2
0.9815
0.9795
时间/h
蒸汽
a.正响应
81
0.979
图4理想全回热反应蒸馏塔的控制结构
k0.977
表2理想全回热反应蒸馏塔控制器参数
0.975
控制回路
0.973
参数
回流液位再沸器液位进料均衡塔顶产物浓度
时间h
2.0
0.2/1,0/2,51.8
1.44
b.负响应
1/mi
15.70
图3理想全回热反应蒸馏塔对回流量
变化±5%的开环响应结果
是半开状态。
3控制回路设计及其闭环控制效果
当塔顶控制回路中的产物浓度控制器的设
为了检验再沸器液位控制对过程动态和操作定值变化±0.003时,理想全回热反应蒸馏塔
的影响,继续研究理想全回热反应蒸馏塔的闭环的响应结果如图5所示。可以看出再沸器液位
控制回路。图4给出了理想全回热反应蒸馏塔的控制对其响应结果产生了很大的影响。当再
控制结构,塔顶产物浓度由回流量通过一个比例沸器液位控制器增益K设定为0.2s“'时,在
积分控制器控制,塔顶冷凝器和塔底再沸器的响应结果中不能满足要求,并且出现了严重的
液位分别由塔顶产物出料流量和再沸器热负荷控振荡,然而随着调高再沸器液位控制器增益,
制,这里的两个控制器都是比例P控制器。理想严重的振荡现象慢慢消失。当把再沸器控制
全回热反应蒸馏塔的第五块塔板被选为灵敏板,器增益κ。设定为2.5s'时,理想全回热反应
并且用进料A的流量来控制灵敏板上的组分A蒸馏塔