HYSYS动态模拟进料波动对连续减压精馏塔的冲击影响

朱冠楠

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

二甲基亚砜，简称为DMSO，是一种低毒性极性溶剂，广泛应用于合成纤维、化工、医药、农药等多个领域，常用作溶剂及反应试剂。在以DMSO为溶剂的聚丙烯腈纤维生产工艺中，为了从纺丝浴液及清洗溶剂中回收分离DMSO及生产用水，实现更低的装置单耗及能耗，往往需要设置DMSO溶剂回收单元。

DMSO长期在较高温度下操作时，容易分解产生硫化物[1]，其在115 ℃以下基本稳定，超过115 ℃时热分解速率随着温度的升高不断加快，当超过140 ℃时发生明显的分解[2]。因此DMSO的精馏往往采用减压精馏的方式，选择合适的操作温度和适当的真空度，来获得较高的分离效率。由于DMSO与水沸点差别较大，因此在对组分分离纯度要求不是很高的情况下，采用单塔即可完成基本的分离[3]。常见的回收工艺随处理量、处理要求的不同主要分为减压间歇精馏、减压连续精馏[3]、多级减压连续精馏[4-5]、多效膜蒸馏浓缩等[6]。分离出的水根据实际工艺需求，可以回用或作为污水排放，产物为较纯的DMSO回用。典型的单塔减压连续精馏流程如图1所示。

图1 典型的单塔减压连续精馏流程Fig.1 Typical continuous vacuum distillation process with single column

连续精馏相比间歇精馏，具有处理量大、能耗低、节约人力等多种优点，但应用于实际生产时，还需要考虑间歇废液带来的影响。例如化纤装置一般设置有内精密清洗间，在装置正常生产期间定期使用浓溶剂对喷丝板等组件进行清洗，清洗操作中产生的含DMSO废水浓度较高，且周期性间歇排放。考虑到最大程度地回收溶剂及污水环保排放等要求，这股废液往往也会一并送至溶剂回收单元进行处理，而精馏塔的稳定操作对进料的组成、流量、温度、压力等参数的稳定性较为依赖， 因此，有必要研究进料波动对连续精馏塔产生的实际影响。

1 稳态模拟

以某化纤装置中DMSO分离塔为基础，在ASPEN HYSYS中搭建精馏塔的稳态流程，物性包采用NRTL-RK，根据拟定的分离要求，进行简捷塔模块的计算，得出理论板数、实际板数、进料板、操作温度、压力等初步信息，再输入到复杂塔模块进行核算，得出收敛的稳态塔模型，并以此为基础转化为动态模型，精馏塔系统的稳态模型如图2。

图2 精馏塔稳态模型Fig.2 Steady-state model of distillation column

稳态精馏塔的计算结果如表1所示。

表1 精馏塔计算结果Tab.1 Calculation results of distillation column

2 动态模拟

2.1 动态运行

将稳态模型转化为动态模型，并使用HYSYS内置阶跃扰动模块对塔进料流量控制、塔釜温度控制、塔顶压力控制、回流器和再沸器液位控制等主要PID控制器参数进行整定，各类参数初始值及默认值如表2、表3所示。

表2 各类参数初始值Tab.2 Initial value of the Primary parameters

表3 主要控制器的Kc、Ti、Td参数Tab.3 Kc， Ti， Td parameters of the main controller

2.2 模拟分析

使用HYSYS软件中自带的事件调度器功能，模仿内精密清洗的流程操作，在动态精馏塔操作稳定后的第500 min、590 min、690 min、780 min通过打开间歇进料阀A（VLV-105）和间歇进料阀B（VLV-106）依次向缓冲罐间歇进料，事件调度器设置如表4所示，并分析以下3个因素对精馏塔产生的影响：

表4 事件调度器设置Tab.4 Event scheduler Settings

（1）塔进料控制方式；

（2）缓冲罐尺寸；

（3）间歇料注入方式。

3 模拟结果与讨论

3.1 塔进料控制方式

经典的精馏塔进料控制为恒定流量进料，但实际操作中，缓冲罐的尺寸受设备布置、投资费用、体量成本等各方面因素影响，不宜设置过大。当上游来料量有波动时，缓冲罐的液位相应会发生波动，长期操作有液位失控的风险，为了实现更高的自动化控制水平，结合装置操作特点，采用小通量、有限制的进料阀及小比例调节参数，在控制液位的同时缓和进料流量变化并限制最高进料流量，并与常规的恒定流量进料方案进行对比。

首先观察精馏塔在以636 kg/h流量恒定进料模式下，事件调度器依次按时触发4个事件后，进料缓冲罐V-100的液位、塔进料流股1的流量与组成、以及塔顶、塔釜采出量及组成随时间变化的趋势，如图 3 ～ 5所示。

图3 缓冲罐组成、液位及出料量走势图Fig.3 Stabilization tank composition， liquid level and discharge trend

由图3可以看出，随着事件1 ～ 4依次触发，缓冲罐液位逐渐升高并保持稳定；流股1的DMSO质量分率因事件1、2迅速升高，后又随着事件3、4降低，最后随着时间的延长因新鲜料稀释缓慢靠近初始值；进塔流股1的流量在此期间一直维持不变。各参数变化情况与预期一致。

由图4 ～ 5可以看出，随着进塔流股1浓度的先升后降，塔顶、塔釜的流量、组成均产生滞后性的变化。值得注意的是，由于塔进料流股1的浓度受缓冲罐存液的影响，需相当一段时间才能被新鲜料稀释至初始值，这在一定程度上也影响了塔的恢复。为了更好地展示曲线趋势，各项参数截取0 ～ 6 000 min时间段，并根据波动的峰值进行比较。

图4 塔顶组成及采出量走势图Fig.4 Concentration and flow rate on top of tower

图5 塔釜组成及采出量走势图Fig.5 Concentration and flow rate on bottom of tower

再将塔进料调整为液位控制方案，设置进料阀（VLV-100）CV= 0.75，流量由进料缓冲罐液位水平控制。分别比较当Kc取值为0.1、0.2、1、5以及恒定进料模式下塔顶、塔釜组成及出料量趋势，如图6 ～ 8所示。

图6 塔顶组成及采出量走势图Fig.6 Concentration and flow rate on top of tower

观察塔顶、塔釜的组分浓度、出料量，发现采用液位控制进料方案，当Kc= 0.1 ～ 0.2时，塔的运行整体比恒定流量进料方案更为稳定。

图7 塔釜采出量走势图Fig.7 Flow rate on bottom of tower

图8 塔釜组成走势图Fig.8 Concentration on bottom of tower

3.2 缓冲罐尺寸

采用塔恒定流量进料方案，选择不同尺寸的入口缓冲罐，并对比塔顶、塔釜采出量及组成随时间变化的趋势，如图9 ～ 11所示。

图9 塔顶组成及采出量走势图Fig.9 Concentration and flow rate on top of tower

观察塔顶塔釜的组分浓度、出料量可以得出，缓冲罐的尺寸越大，塔顶塔釜的采出量波动越平缓，且组成波动也越小。可以得出：越大的缓冲罐越有利于塔的稳定操作，但随着尺寸的继续增大，塔恢复的速度也越慢，且稳定性的改善变得不明显，存在明显的边际递减效应。

图10 塔釜采出量走势图Fig.10 Flow rate on bottom of tower

图11 塔釜组成走势图Fig.11 Concentration on bottom of tower

3.3 间歇料注入方式

采用塔恒定流量进料控制方案，对比在间歇进料量相同的前提下，大流量短时间进料和小流量长时间进料，即单次事件发生时长为10 min及单次事件发生时长为90 min对塔冲击的影响。

观察塔顶、塔釜的组分浓度、出料量。发现间歇料注入方式的改变对冲击的影响不明显。

图12 塔顶组成及采出量走势图Fig.12 Concentration and flow rate on top of tower

图13 塔釜采出量走势图Fig.13 Flow rate on bottom of tower

图14 塔釜组成走势图Fig.14 Flow rate on bottom of tower

4 结论

本文使用ASPEN HYSYS动态模拟为工具，建模分析连续减压精馏塔正常操作期间接受规律的间歇流股进料时，不同的精馏塔进料控制方案、入口缓冲罐尺寸、间歇来料注入方案对精馏塔操作的稳定性影响，并总结出以下结论：

（1）在间歇来料规律的前提下，选择合适的进料阀CV及小比例调节参数Kc，在控制液位的同时缓和进料流量调整的速度，可以在兼顾液位调节功能的同时，实现精馏塔操作稳定。

（2）缓冲罐越大越有利于塔的稳定操作，但边际递减效应较为明显，在实际工程实施中，应结合分离要求、开停车缓存要求、投资费用及安装空间等各方面因素选择合适的缓冲罐尺寸。

（3）在间歇来料总量相同的前提下，间歇料注入方式的改变对塔稳定性影响的差别不明显。