论文总字数：19735字

摘 要

本文在介绍异丙醇脱水常规工艺的基础上，着重介绍了共沸精馏工艺，并展望了异丙醇一水分离工艺的前景。本文将对共沸精馏异丙醇脱水工艺进行模拟，并在稳态模拟基础上对自动控制方案进行动态实现。本课题主要研究内容如下：

首先，根据实际生产装置和工艺过程，采用Aspen Plus稳态模拟软件，在单元操作模型和物性方法选择合理的基础上，对各设备参数进行分析和设置，建立合理的共沸精馏装置的稳态模拟系统。

然后，认真分析共沸精馏塔和汽提塔的机理特性，在对系统的特性和控制目标分析基础上，结合常用的精馏塔控制方案，确定自动控制回路的被控变量与操纵变量，分别选用合适的控制方法，如定值控制、前馈控制、均匀控制、比值控制和串级控制等。

最后，在稳态模拟的基础上进行动态设置后，将稳态模拟转化为动态模拟。采用Aspen Dynamics在系统运行平稳后添加控制方案，通过对PID参数的整定和控制方案调整，使系统能够迅速克服进料量扰动以及进料组分扰动的影响，确保系统具备一定的抗干扰能力。

关键词：共沸精馏；异丙醇脱水；流程模拟；Aspen Plus；Aspen Dynamics

Azeotropic distillation of isopropanol dehydration control system design

ABSTRACT

Isopropanol dehydration of the conventional process described in this article on the basis of, focusing on azeotropic distillation process and looks forward to the prospect of isopropyl alcohol and water separation process. This article on azeotropic distillation of isopropyl alcohol dehydration process simulation and simulation based on dynamic implementation of control programmes. The main research contents are as follows: first of all, based on actual production apparatus and process using steady-state simulation software Aspen Plus, models and methods in unit operation on a reasonable basis, to analyze the device parameters and settings, establish reasonable steady state simulation of the azeotropic distillation system. Then, a careful analysis of azeotropic distillation and stripper mechanism, characteristics and control analysis of the system based on the combination commonly used in distillation column control, automatic control circuit of controlled variables and manipulated variables are determined, appropriate control methods, respectively, as fixed value control, feedforward control, differential control, ratio and cascade control. Finally, in steady-state simulation based on dynamic setting, steady state simulation to dynamic simulation. Aspen Dynamics added after the system running smooth control scheme, through the adjustment of PID parameter tuning and control programmes, enabling the system to rapidly overcome feeding disturbances and disturbance of feeding components, make sure your system has a certain anti-interference capability.

Key words: Azeotropic distillation; isopropanol dehydration; simulation; Aspen Plus; Aspen Dynamic

目 录

目录

共沸精馏异丙醇脱水控制系统设计 I

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 稳态模拟技术 1

1.3 动态模拟技术 4

1.4 常见的化工过程流程模拟软件 5

1.5本文结构 5

第二章 共沸精馏异丙醇脱水工艺稳态模拟 1

2.1 共沸精馏异丙醇脱水工艺简介 1

2.1.1 工艺流程简图 1

2.1.2 原料规格 1

2.1.3 分离要求 2

2.3.4 进料参数的设定 2

2.2 设置全局特性 2

2.3 定义模拟流程 3

2.3.1 Aspen Plus单元操作模型的选择 3

2.3.2 定义化学组分 5

2.3.3 物性方法的选择 7

2.4 建立稳态模拟系统 7

2.4.1 共沸精馏塔AZEOCOL稳态模型建立 7

2.4.2 汽提塔STRIPPER稳态模型建立 9

2.4.3 分相器DECANTER稳态模型建立 10

2.4.4 其他设备稳态模型建立 11

2.4.5 共沸精馏异丙醇脱水工艺的稳态模型 11

2.4.6 物流IPAPROD 11

2.4.7 定义计算器模块 13

2.5 稳态模拟结果分析 17

2.5.1 运行结果 17

2.5.2绘制稳态曲线 19

2.6 本章小结 22

第三章 共沸精馏异丙醇脱水工艺自动控制方案设计 23

3.1 共沸精馏异丙醇脱水工艺动态扰动分析 23

3.1.1 进料流量与进料成分 23

3.1.2 进料温度 23

3.1.3 再沸器加热蒸汽压力 23

3.1.4 冷却水压力和温度 24

3.1.5 环境温度 24

3.2 控制目标分析 24

3.3 常用控制方案分析 24

3.3.1 产品质量的开环控制 25

3.3.2 采用温度作为间接质量指标 25

3.3.3 精馏塔塔压控制 25

3.3.4 成分直接控制 26

3.4 灵敏板位置选取 26

3.5 整体控制系统设计 27

3.6 本章小结 27

第四章 共沸精馏异丙醇脱水工艺动态模拟 28

4.1 由稳态模拟转到动态模拟 28

4.1.1 添加压力设备以及压力设备的设计规定 28

4.1.2 设备定径 29

4.1.3 稳态转到动态 30

4.2 动态模拟 31

4.2.1只带物料、能量平衡回路（液位、压力控制回路） 31

4.2.2控制器初始 32

4.2.3动态扰动模拟 33

4.2.4增加AZEOCOL塔采出异丙醇纯度控制、STRIPPER塔灵敏板温度控制 34

4.3 本章小结 39

第五章 总结与展望 40

致谢 42

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

异丙醇是一种重要的有机化工原料，同时也是一种重要的有机溶剂^[1]。异丙醇被广泛应用于精细化工、电子、医药等领域。醇一水分离一直是化工领域的一个研究热点，高效的醇一水分离技术能够使得醇的产量大大提高，以满足日益增长的工业生产需求^[2]。异丙醇一般通过丙烯水合法得到，常压下异丙醇与水形成共沸物，共沸点温度80. 31℃，共沸组成异丙醇质量百分含量为87.4%，因此，采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的异丙醇，需要选用特殊的提纯工艺。本文在介绍常规异丙醇脱水工艺的基础上，重点阐述隔壁萃取精馏、共沸精馏等新工艺，并展望了异丙醇一水分离工艺的前景。

在化学工业中，当待分离的组分间的相对挥发度接近于1或者形成共沸物时，使用一般的精馏方法将无法得到预期效果。这时，可以使用萃取精馏或者考虑用共沸精馏。共沸精馏和萃取精馏的基本原理一样，不同的是共沸剂在改变原溶液组分相对挥发度的同时，还会与它们中的一个或多个组分形成共沸物。

共沸精馏所处理的物料的非理想性很强，对于形成非均相共沸物的共沸精馏塔，还需要同时计算它的液液平衡。如果在塔板上出现两个液相，则需要用到三相精馏的模拟算法，计算比较困难。一般通过改变塔板数、进料位置、共沸剂用量、回流比，进行多方案模拟计算^[3]。

本文运用Aspen Plus流程模拟软件对异丙醇一水一苯体系共沸精馏塔和汽提塔进行模拟计算，优化出最佳工艺参数。

1.2 稳态模拟技术

稳态模拟又称静态模拟或离线模拟，它是最早出现的化工过程仿真技术，是根据化工过程中的稳态模拟数据，采用适当仿真软件，用计算机来对实际的稳态生产过程实施模拟，得出详细的热量平衡和物料平衡。其中最为人关心的包括产品和副产品的产量和质量、原材料消耗和公用工程消耗等重要数据。

我国化工过程模拟起始时间从20世纪60年代末期开始发展，齐鲁石化公司烯烃厂与青岛化工学院联合开发了乙烯的分离系统仿真分析软件EPSS（Ethylene Plant Separetion System Simulation Software）。作为目前广泛使用的系统，该仿真软件使用Windows为操作平台，具有人机友好、便于维护、收敛速度快、使用方式灵活的特点，其采用的数学模型合理而且具有良好的稳定性。对烯烃厂的乙烯分离系统装置中主要精馏塔的仿真分析结果显示，该软件通过计算得出的分析数据与现场实际值基本一致，能够真实地反映出各个分离设备的操作情况，可以作为乙烯装置设计和工程技术人员进行辅助操作的有力工具^[10]。

根据软件集成的思路，华南理工大学的吴志辉，以ActiveX 技术为桥梁，对VB环境的Aspen Plus中神经网络模块的集成和通用操作单元模块进行了初步研究，一方面，可以对现有的化工过程仿真软件进行充分利用；另一方面，可以灵活地结合实际生产，运用建模的方法对流程中的特定装置进行仿真，并与通用的流程模拟软件的常用设备模块集成，从而实现了资源的有效共享，有利于解决化工流程模拟问题，并对其起到一定的指导作用^[11]。

1.3 动态模拟技术

动态模拟的出现与稳态模拟相比晚将近10年左右。关于动态模拟的研究成果的报道出现在70年代。80年代后，动态模拟软件的发展终于走向了成熟。得益于计算机应用技术的突破，各大公司和机构开发了大量动态模拟软件。如BOSS（如美国普度大学）、QUASLIN（英国剑桥大学）、POLYRED（美国威士康星大学）、CHEMSIM（德国BASF公司）、OPISIM（Linde公司）等。

90年代是化工动态模拟的繁荣发展时期，由“离线”到“在线”，从稳态仿真到动态仿真与实时优化，从简单的离线稳态运算发展到与工业装置密切相关联的动态仿真。例如Custom Modeler和Aspen Dynamics（美国Aspen Tech公司），HYSIS（加拿大HYPROTECH公司）等。应该说Aspen Dynamics和HYSIS是目前为止两个功能最强大的、通用的、用户界面友好的、使用方便的，并将稳态和动态模拟合二为一的著名商业化软件^[5~6]。

动态过程模拟软件有两种用途，即培训型动态模拟系统和设计型通用动态模拟系统。

序贯模块法以及连续系统模拟语言CSSL一般被用来设计型通用动态模拟系统。他有如下用途：（1）了解设备在动态负荷下的变化能力及其可操作性；（2）在外部干扰作用下的开停车动态性能分析，为设计装置的控制系统提供数学依据；（3）通过模拟仿真运算，在大量控制方案中择优选择。采用CSSL语言的动态模拟仿真系统只提供数值解法，控制其输入、输出，并要求用户提供模型的数学方程。

1.4 常见的化工过程流程模拟软件

目前，在石油、化工、油气加工、炼油、等领域中广泛应用的化工流程模拟软件有：美国SimSci-Esscor公司的PRO/Ⅱ、美国Chemstations公司的ChemCAD和美国Aspen Tech公司的Aspen Plus和Hysys。这几种软件侧重于不同的领域，各有千秋。

1.5本文结构

本文分为五章。第一章是绪论，主要说明课题背景和意义，并介绍稳态模拟技术和动态模拟技术的历史；第二章是共沸精馏异丙醇脱水工艺稳态模拟，介绍了共沸精馏异丙醇脱水工艺流程，并详细说明了该工艺稳态模型的搭建过程；第三章是工艺自动控制方案设计，介绍了精馏塔常见的控制方案，分析了该工艺的控制目标，并详细讨论了该工艺的控制方案设计过程；第四章是工艺动态模拟，介绍了由稳态模拟转到动态模拟所做的准备工作以及常遇见的错误，详细讨论了进料流量和进料成分扰动对控制目标的影响；对本文设计工作成果和不足之处进行一个简要的总结，同时，立足当下，展望未来。

第二章 共沸精馏异丙醇脱水工艺稳态模拟

2.1 共沸精馏异丙醇脱水工艺简介

2.1.1 工艺流程简图

共沸精馏异丙醇脱水工艺流程图如图2-1所示。

图2-1 共沸精馏异丙醇脱水工艺流程

工艺介绍：FEED为AZEOCOL进料物流，进料为异丙醇和水，共沸剂为苯，塔顶三元共沸物冷凝后得到两互不相容的溶液，进入分相器，在分相器中分离苯和水两股液相，水从汽提塔塔釜流出，苯作为循环共沸剂使用。因为有部分苯会从共沸精馏塔塔釜和汽提塔塔釜流出，需要添加补充共沸剂物流MAKEUP。

2.1.2 原料规格

异丙醇原料规格见表2-1所示。

表2-1 塔中主要物质规格

2.1.3 分离要求

要求共沸精馏塔（AZEOCOL）塔底物流（IPAPROD）中异丙醇的质量分数为99.5%，操纵变量为共沸精馏塔（AZEOCOL）塔底产品流率，其变化范围为10~70kmol/h。

2.3.4 进料参数的设定

请支付后下载全文，论文总字数：19735字