低浓度醋酸甲酯制醋酸工艺过程自动控制模拟系统毕业论文
2022-07-23 02:07
论文总字数：31261字
摘 要
在精对苯二甲酸（PTA）的生产中会生成副产物醋酸甲酯，造成醋酸的损耗。虽然醋酸甲酯可以通过精馏设备得以回收，但是由于其用途有限，且纯度不高，所以不能获得高附加值的利用。本文将对醋酸甲酯水解工艺进行模拟，并在稳态模拟的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，建立合理的醋酸甲酯水解装置的稳态模拟系统。
然后，认真分析催化反应精馏塔3D-665、甲醇吸收塔3D-669的机理特性，在对系统的特性和控制目标分析基础上，结合精馏塔的常用控制方案，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的调整，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：醋酸甲酯水解；制醋酸；流程模拟；Aspen Plus；Aspen Dynamics
The automatic control simulation system of low concentrated methyl acetate to acetic acid process
ABSTRACT
Methyl acetate byproduct is generated in production of purified terephthalic acid (PTA), causing loss of acetic acid. Although methyl acetate can be recovered by distillation equipment, because of its limited use and the not high purity, it can not be obtained using a high added value. This article is focused on the simulation of methyl acetate hydrolysis process and the implementation of dynamic system with automatic control scheme based on the steady state simulation. The article reads as follows:
First, according to the actual production unit structure and process parameters, the steady state simulation system of the methyl acetate hydrolysis device is established by the chemical simulation process software Aspen Plus. A correct steady state simulation system is based on reasonable choices of unit operation models and property methods with actual production data.
Then, Analyzing carefully mechanism features of the catalytic reaction distillation column 3D-665 and methanol absorber tower 3D-669, combining common control scheme of distillation column based on analysis of the system characteristics and control objectives, determining controlled variables and manipulated variables of the automatic control loop, choosing appropriate control methods, such as setting control, feedforward control, uniformity control, ratio control and cascade control.
Finally, Steady state simulation is converted to dynamic simulation by dynamic settings based on steady state simulation. Adding control scheme by using Aspen Dynamics after system is running smoothly. By tuning the PID parameters and adjusting control strategies, the system is able to overcome the disturbances of feed rate and feed components quickly, which ensures the interference immunity of the system.
Key words: Methyl acetate hydrolysis; Acetic acid generation; Process simulation; Aspen Plus; Aspen Dynamics
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 稳态模拟技术 2
1.3 动态模拟技术 4
1.4 常见的化工过程流程模拟软件 6
1.4.1 ChemCAD的特点及应用 6
1.4.2 PRO/Ⅱ的特点及应用 6
1.4.3 Aspen Plus的特点及应用 7
1.4.4 Hysys的特点及应用 7
1.5 模拟软件在本文中的应用 8
1.6 本文结构 8
第二章 醋酸甲酯水解工艺稳态模拟 10
2.1 醋酸甲酯水解工艺简介 10
2.1.1 工艺流程简图 10
2.1.2 原料规格 11
2.1.3 分离要求 11
2.2 设置全局特性 11
2.3 定义模拟流程 12
2.3.1 Aspen Plus单元操作模型的选择 12
2.3.2 定义化学组分 14
2.3.3 物性方法的选择 15
2.3.4 进料参数的设定 15
2.4 建立稳态模拟系统 16
2.4.1 反应器REACTOR稳态模型建立 16
2.4.2 反应精馏塔3D-665稳态模型建立 17
2.4.3 甲醇吸收塔3D-669稳态模型建立 18
2.4.4 其他设备稳态模型建立 19
2.4.5 醋酸甲酯水解工艺的稳态模型 19
2.5 稳态模拟结果分析 20
2.6 本章小结 21
第三章 醋酸甲酯水解工艺自动控制方案设计 22
3.1 醋酸甲酯水解工艺动态扰动分析 22
3.1.1 进料流量与进料成分 22
3.1.2 进料温度 22
3.1.3 再沸器加热蒸汽压力 22
3.1.4 冷却水压力和温度 23
3.1.5 环境温度 23
3.2 控制目标分析 23
3.3 常用控制方案分析 23
3.3.1 产品质量的开环控制 24
3.3.2 采用温度作为间接质量指标 24
3.3.3 精馏塔塔压控制 24
3.3.4 复杂控制 25
3.4 控制系统设计 25
3.4.1 催化反应精馏塔3D-665控制系统设计 25
3.4.2 甲醇吸收塔3D-669控制系统设计 29
3.4.3 醋酸甲酯水解工艺控制系统 32
3.5 本章小结 33
第四章 醋酸甲酯水解工艺动态模拟 34
4.1 由稳态模拟转到动态模拟 34
4.1.1 添加压力设备以及压力设备的设计规定 34
4.1.2 设备定径 35
4.1.3 稳态转到动态 37
4.2 带控制方案的动态模拟 39
4.2.1 塔3D-665动态模拟控制 40
4.2.2 塔 3D-669动态模拟控制 41
4.3 动态模拟结果分析 42
4.3.1 动态无扰动模拟结果分析 42
4.3.2 进料流量扰动模拟结果分析 43
4.3.3 进料成分扰动模拟结果分析 46
4.4 本章小结 48
第五章 总结与展望 49
参考文献 50
致谢 51
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
在精对苯二甲酸（PTA）的生产中副产醋酸甲酯，造成醋酸的损耗[1]。目前采用的大都是液相高温氧化法生产PTA，该工艺以对二甲苯（PX）为原料，醋酸为溶剂，其中醋酸不完全燃烧生成醋酸甲酯是主要的副反应之一，这是醋酸消耗和PTA生产成本较高的一个主要原因。PX氧化的同时，会发生醋酸与氧气的燃烧反应。醋酸氧化损失有两种途径，一是醋酸完全氧化分解，氧化成CO、CO2和H2O；其次是醋酸的不完全氧化，氧化成甲醇、甲醛、甲酸、醋酸甲酯等。在醋酸的燃烧中，大约75%的醋酸生成CO、CO2和水，25%生成醋酸甲酯等其它副产物[2]。
目前，一般的PTA生产厂家都将回收的醋酸甲酯循环到反应系统中以抑制醋酸甲酯的生成，以减少醋酸的消耗。但是，反应系统中的醋酸甲酯会不断的积累，影响生产操作，最终致使一部分醋酸甲酯随PTA生产系统中的尾气排入大气中，造成环境污染；而其余的醋酸甲酯虽然可以通过精馏设备得以回收，但由于其用途有限，且纯度不高，故未能获得高的附加值的利用。
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