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
【技术领域】
[0001] 本发明设及化学工程与过程控制交叉学科，属于反应精馈生产过程自动控制领 域，设及多单元反应精馈过程自动控制系统的设计方法，具体设及一种基于"自顶向下"的 多单元反应精馈装置厂级过程控制系统设计方法。
【背景技术】
[0002] 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。
【发明内容】
[0003]本发明目的是提供一种基于"自顶向下"的多单元反应精馈装置厂级过程控制系 统的设计方法。本发明给出的多单元反应精馈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 精馈装置长期稳定运行，具有抑制多种扰动的能力。
[0004]本发明的目的可W通过W下技术方案实现：
[0005] -种"自顶向下"的多单元反应精馈装置厂级过程控制系统设计方法，包括W下步 骤：
[0006] (1)确定最佳的稳态工艺参数:根据多单元反应精馈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，确定多单元反应精馈装置的最佳稳态 工艺结构参数和操作参数；
[0007] (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 板溫度、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）；
[000引（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；
[0009]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 馈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；
[0010] 所述平衡控制回路的设计:选择与生产过程密切相关的溫度、压力、液位过程变量 W及经济控制回路剩余的控制自由度进行控制；
[0011] (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。
[0012] 所述多单元反应精馈的过程为双进料双产物的可逆反应精馈的过程。
[0013] 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。
[0014] 该厂级过程控制系统设计方法适用于各类多单元反应精馈工艺，如醋酸甲醋水解 工艺、异丙烷生产工艺、乙苯生产工艺W及正下烧异构化反应工艺等。本发明【具体实施方式】 中W醋酸甲醋水解工艺为例，详细说明了 "自顶向下"的多单元反应精馈装置厂级过程控制 系统的设计方法。
[0015] 上述的多单元反应精馈装置为PTA副产物醋酸甲醋水解装置。上述的双进料双产 物的可逆反应为醋酸甲醋水解可逆反应。
[0016] 本发明针对多单元反应精馈装置，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。
[0017] 本发明的有益效果：
[0018] 本发明针对"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。本发明在多单元反应精馈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馈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。本发明给出的一套多单元反应 精馈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馈装置长期稳定运行，具有抑制多种扰动 的能力。
【附图说明】
[0019]图r自顶向下"的控制系统设计方法示意图
[0020]图2醋酸甲醋水解工艺流程图
[0021 ]图3醋酸甲醋水解工艺稳态优化设计参数
[0022] (1)反应精馈塔优化参数；（2)甲醇回收塔优化参数
[0023] 图4反应精馈塔灵敏度响应曲线
[0024] 图5甲醇回收塔灵敏度响应曲线
[0025] 图6醋酸甲醋水解控制方案
[0026] 图7进料流量扰动下控制系统动态响应
[0027] (1)进料流量扰动下甲醇含量;（2)进料流量扰动下醋酸含量 [00%]图8进料成分扰动下控制系统动态响应
[0029] (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】
[0030] 实施案例:PTA醋酸甲醋水解过程厂级控制方案设计案例
[0031] PTA醋酸甲醋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、反应精馈塔反应精馈过程、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醋混合物(醋酸甲醋W及少量水、苯、甲醇、异丙苯），C3为进 料混合罐、Rl为固定床预反应器、Cl为反应精馈塔、C2为甲醇回收塔。醋酸甲醋和水进入醋 酸甲醋混合罐Cl混合后由原料输送累输送，经原料预热器加热后进入固定床预反应器Rl， 在固体酸催化剂的催化作用下，醋酸甲醋水解生成醋酸和甲醇。Rl出料送至催化精馈塔Cl, 进一步反应Rl中未反应完全的醋酸甲醋。醋酸甲醋、水、苯等的共沸物经Cl塔顶冷凝器冷凝 后，部分回流，部分循环至混合罐C3，C1塔蓋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，塔蓋为含水醋酸产品，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。
[0032] 步骤1:确定最佳的稳态工艺参数
[0033] 根据反应精馈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 确定多单元反应精馈装置的最佳的稳态工艺结构参数和操作参数，如图3所示。集成结构包 括反应精馈塔的精馈段、反应段、提馈段和进料位置、回收塔的进料位置、出料位置和塔板 数。其中反应精馈塔提馈段塔板数NS为9，反应段塔板数NRX为10，混合物最佳进料位置为第 13块塔板；甲醇回收塔中第13块塔板为进料塔板，塔板数为18,最佳采出塔板为第6块塔板。 回收塔塔顶馈出醋酸组分为0.1545,侧线采出甲醇组分为0.9764,满足了控制系统要求。
[0034]步骤2:确定控制系统的控制目标和控制自由度
[0035]在稳态优化设计基础上，针对塔内塔板溫度、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）；
[0036]在生产指标上，对醋酸甲醋水解装置进行控制系统设计时，主要有两个方面的要 求：（1)甲醇回收塔侧线采出甲醇含量(MoleFraction)稳定在97.4%附近；（2)甲醇回收塔 塔底采出醋酸含量(MoleRraction)〉10%。
[0037]在醋酸甲醋水解工艺流程中，有15个被控变量用来对整个工艺流程进行控制，如 表1所示。运15个被