МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ СХЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ БЕНЗОЛ-ЦИКЛОГЕКСАН-ТОЛУОЛ

DESIGN AND CONTROL OF HEAT-INTEGRATED EXTRACTIVE DISTILLATION FOR SEPARATING BENZENE-CYCLOHEXANE-TOLUENE 

Anton Burachuk

Graduate student, Institute of Fine Chemical Technologies named after M.V. Lomonosov, MIREA — Russian Technological University,

Russia, Moscow

Elena Anokhina

Candidate of Science, Associate Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, Associate Professor, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Andrey Timoshenko

Doctor of Science, Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, Professor, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Работа выполнена в рамках государственного задания РФ № 0706-2020-0020

АННОТАЦИЯ

Цель работы — расчет и оптимизация схем экстрактивной ректификации, разработка методов управления данными комплексами.

Методы исследования: вычислительный эксперимент, графометрия, математическое моделирование.

В результате выполнения работы получены 4 схемы экстрактивной ректификации, в т.ч. со связанными тепловыми и материальными потоками; проведена оптимизация схем по критерию суммарных энергозатрат в кипятильниках колонн. Разработаны автоматические системы управления для каждой из исследуемых схем.

Показано, что схема экстрактивной ректификации, состоящая из основной колонны и двух боковых секций на 31,98% энергоэффективнее трехколонной схемы, состоящей из двухотборных колонн; схема с боковой исчерпывающей секцией показала наибольшую динамическую устойчивость среди всех исследуемых схем.

ABSTRACT

The purpose of this work is simulation and optimization of the distillation schemes, control structures development.

Research methods: computational experiment, graphometry, mathematical modeling.

As a result of the work 4 schemes of extractive distillation were obtained: 1 traditional sequence and 3 complexes with partially thermally coupled flows; optimization of the schemes obtained was carried out. The design parameters of columns for each scheme are defined, the simplified calculation of the additional equipment necessary for modeling of dynamic modes in the program Aspen Dynamics is made. Extractive distillation control strategies for each of studied schemes were developed.

It was demonstrated that heat-integrated extractive distillation process with two side sections has 31,98% energy consumption decrease. The results also show that extractive distillation complex with stripping section has the best controllability among studied schemes.

Ключевые слова: экстрактивная ректификация; энергосбережение, автоматизация систем управления.

Keywords: extractive distillation; energy-saving, control structure development.

Бензол является ценным полупродуктом для промышленности основного органического и нефтехимического синтеза. Он используется для получения алкилбензолов, фенола, циклогексана и других органических соединений. В промышленности бензол получают в процессах коксования каменного угля, пиролиза и риформинга нефтяного сырья, гидродеалкилирования ароматических фракций. В результате предварительного разделения смесей компонентов, образующихся в этих процессах, выделяют фракцию сырого бензола, которая содержит большое число как ароматических, так и неароматических соединений. Для извлечения товарного бензола из этой фракции применяют методы экстракции и экстрактивной ректификации (ЭР) [1].

Вследствие больших объемов производства бензола снижение энергетических затрат на его выделение является актуальной задачей. Один из возможных способов ее решения - проведение ЭР в комплексах с частично связанными тепловыми и материальными потоками (ЧСТМП) [2].

Исследователи отмечают [3], что широкому внедрению комплексов с ЧСТМП в промышленность препятствует более сложная система управления по сравнению с обычными ректификационными колоннами. Однако в последнее время предложено несколько эффективных схем регулирования комплексов ЭР с ЧСТМП [4], и исследования в этом направлении продолжаются.

Цель работы – определение оптимальных рабочих параметров комплексов экстрактивной ректификации (ЭР) смеси бензол (Б) – циклогексан (ЦГ) – толуол (Т) различной структуры, оценка устойчивости динамических режимов работы, вызванных внешними возмущающими воздействиями.

Определение оптимальных статических параметров схем

Основываясь на литературных данных [1], для разделения смеси Б-ЦГ-Т в качестве экстрактивного агента выбран N-метилпирролидон (NMP).

Исследуемые комплексы представлены на рис. 1.

Схема П на рис. 1а состоит из двухотборных колонн, а схемы О.1, О.2 и О.3 на рис 1б-г включают комплексы с ЧСТМП, которые были получены из схемы П с помощью алгоритма, предложенного в работе [5]. В основе данного алгоритма лежит структурное представление технологических схем ректификационного разделения посредством графов. Схемы, на основе которых синтезируют новые технологические решения, называют прообразами, а схемы, полученные в результате операций над графом-прообразом, – образами.

Рисунок 1. Принципиальные схемы экстрактивной ректификации:

а) – традиционная схема П; б-г) – схемы с частично связанными тепловыми и материальными потоками: О.1, О.2 и О.3, соответственно

В рассматриваемом случае схемой-прообразом выступает схема, представленная на рис 1а, а схемы, представленные на рис. 1б-г, являются её образами.

Были определены оптимальные параметры исследуемых схем в статическом режиме работы по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн Q_∑. Оптимизация схем ЭР осуществлялась в соответствии с алгоритмом, описанным в работе [6], в программном комплексе Aspen Plus V9 с помощью встроенных модулей: Sensitivity Analysis и Optmization.

Расчёты проводились на 15000 кг/ч исходной смеси, содержащей 78, 12 и 10 % масс. Б, ЦГ и Т, соответственно. Качество продуктовых потоков Б и ЦГ было задано 99,9 % масс. (ГОСТ 9572-93 и ГОСТ 14198-78), для Т – 99,75 % масс. (ГОСТ 14710-78). Концентрация NMP в потоке регенерированного ЭА составляла 99,99 масс. %.

Оптимальные параметры схем ЭР представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Оптимальные статические параметры исследуемых схем

Традиционная схема экстрактивной ректификации П, как и ожидалось, обладает наибольшими энергетическими затратами в кипятильниках колонн. Минимальное значение Q_∑ среди всех исследуемых схем достигнуто в схеме О.3 с боковой колонной ЭР и боковой исчерпывающей секцией. Данная схема обеспечивает снижение энергозатрат по сравнению со схемой П на 31,98%.

Моделирование динамических режимов работы исследуемых схем

Для достижения поставленной цели – разработки автоматических систем управления (АСУ) для каждой из исследуемых схем предварительно выполнена обвязка колонн дополнительными аппаратами (насосами, вентилями, емкостями), наличие которых необходимо для перемещения и регулирования материальных потоков. Схемы АСУ представлены на рис. 2-5.

Была исследована устойчивость динамических режимов работы исследуемых схем к возмущающему воздействию (ВВ) в виде ступенчатого изменения массового потока исходной смеси величиной ±10% от заданного значения. ВВ задается автоматической системой регулирования (АСР) расхода, таким образом моделируя выход схем на новый режим по потоку питания.

Настройки базовых АСР занесены в таблицу 2.

Регуляторы уровней LC подчиняются пропорциональному закону регулирования с параметром настройки K_P – коэффициентом усиления. Все остальные регуляторы базовой АСУ подчиняются пропорционально-интегральному закону с дополнительным параметром Т_И – временем интегрирования.

За качество продуктовых потоков Б, Т и регенерированного NMP в АСУ схемы П отвечают каскадные АСР (рис. 2). Регуляторы состава вырабатывают управляющее воздействие (УВ) в виде задания регуляторам температур на контрольных тарелках. УВ – изменение тепловой нагрузки кипятильников. Задержки измерения параметров для температурных контуров составляют 1 минуту, для контуров по составу – 3 минуты.

Особенностью схемы О.1 (рис. 3) является наличие укрепляющей БС, поток пара в которую генерируется кипятильником основной колонны. Регулирование расхода пара в БС реализовано по принципу каскадного управления блоком FC_VAPOR.

Таблица 2.

Настройки базовых регуляторов

Рисунок 2. АСУ схемы П

Управление по возмущающему воздействию реализуется АСР температуры на контрольной тарелке, расположенной выше уровня отбора в БС. Такой контур отвечает за поддержание температурного профиля путём изменения заданного значения FC_VAPOR. Регулированием тепловой нагрузки кипятильника колонны регенерации решается задача стабилизации состава NMP.

Среди известных способов стабилизации состава дистиллята боковой укрепляющей секции [7] сделан выбор в пользу регулирования расхода флегмы по температуре контрольной тарелки.

АСР на колонне 3, как и сама колонна, полностью идентичны тем, что разработаны для схемы П, а все базовые регуляторы схемы имеют те же настройки, что представлены в таблице 2.

Рисунок 3. АСУ схемы О.1

В основу регулирования колонны ЭР схемы О.2 (рис. 4) легла АСУ колонны ЭР схемы П. Особая роль в комплексе с боковой исчерпывающей секцией отведена контролю расхода жидкости в БС. Задача регулирования – обеспечить отбор толуола из колонны во избежание его попадания в продуктовый поток бензола.

Блок FLIQUID/R (рис. 4) осуществляет расчёт количества бокового отбора на основе его отношения к массовому потоку флегмы колонны. Реализуется следующая логика регулирования: отклонение состава Б в дистилляте колонны в меньшую сторону возможно только в случае попадания в верх колонны значительного количества Т. Тогда АСР QCxD2 отдаст управляющее воздействие, направленное на увеличение расхода флегмы в колонну, что повлечёт за собой увеличение отбора потока жидкости в БС и обеспечит отвод необходимого количества Т. Значение блока FLIQUID/R служит заданием регулятору расхода FCLIQUID и поступает через сглаживающий фильтр lag2.

Давление в боковой секции регулируется вентилем на потоке пара, направляемого в колонну (STRIPPER_S1PC).

Рисунок 4. АСУ схемы О.2

АСУ процессом ЭР схемы О.3 (рис. 5) состоит из локальных АСР потоков боковых отборов, разработанных для схем О.1 и О.2.

Рисунок 5. АСУ схемы О.3

Результаты динамического моделирования исследуемых схем представлены в табл. 3.

В ходе анализа динамической стабильности исследуемых схем выявлено, что схема О.1 не способна выдержать принятые ВВ. АСУ схемы О.3 способна обеспечивать адекватное качество переходных процессов при изменении потока питания в пределах ±5%.

Таблица 3.

Результаты динамического моделирования исследуемых схем

Заключение

В ходе выполнения работы:

1. Выполнены моделирование и оптимизация по критерию суммарных энергетических затрат всех исследуемых схем ЭР в статическом режиме. Установлено, что схема О.3, состоящая из основной колонны и термически связанных с ней боковой колонны ЭР и боковой исчерпывающей секции, на 31,98% энергоэффективнее традиционной схемы П.
2. Разработаны автоматические системы управления для каждой из исследуемых схем.
3. Установлено, что схема разделения О.2, представляющая собой комплекс с боковой исчерпывающей секцией, обеспечивает снижение энергозатрат на разделение на 28,37 % относительно трехколонной схемы П и является наиболее устойчивой схемой ЭР с ЧСТМП к возмущающему воздействию в виде изменения массового потока исходной смеси величиной ±10% от заданного значения.

Список литературы:

1. Анохина, Е.А.; Тимошенко, А.В.; Ребровская А.Е. Энергосберегающие схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-толуол N-метилпирролидоном. Часть 1. Схемы из двухотборных колонн // Хим. пром. сегодня. 2015. № 2. С. 47–56.
2. Анохина, Е.А.; Тимошенко, А.В.; Ребровская А.Е. Энергосберегающие схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-толуол с N-метилпирролидоном. Часть 2. Схемы, включающие комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками. // Хим. пром. сегодня. 2015. № 3. С. 47–56.
3. Luyben W.L. Control comparison of conventional and thermally coupled ternary extractive distillation processes // Chem. Eng. Res. Des. 2016. Vol. 106. P. 253–262.
4. Ma K. et al. Control of an energy-saving side-stream extractive distillation process with different disturbance conditions // Sep. Purif. Technol. Elsevier, 2019. Vol. 210. P. 195–208.
5. Timoshenko A. V., Morgunov A. V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic mixtures in systems consisting of columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2007. Vol. 41, № 6. P. 845–850.
6. Anokhina E.A., Berdibekova S.A., Timoshenko A. V. Energy saving schemes for separation of benzene-cyclohexane-toluene mixture with different initial compositions by extractive distillation // Chem. Eng. Trans. 2018. Vol. 69. P. 871–876.
7. Luyben W.L., Chien I. Design and Control of Distillation Systems for Separating Azeotropes // Design and Control of Distillation Systems for Separating Azeotropes. Wiley, 2010.