氯苯生产中带有侧反应器的精馏塔设计与控制
薄翠梅、汤吉海、柏杨进、乔旭、丁良辉、张湜
1. 南京工业大学自动化与电气工程学院，南京210009，中国
2. 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，南京210009，中国
摘要：带有侧反应器的精馏塔(SRC)能够克服传统反应精馏中的温度/压力不匹配问题，塔的操作温度/压力有利于汽液分离，而反应器的操作温度/压力则有利于反应动力学。根据带有侧反应器的精馏塔(SRC)的平滑操作和自动控制问题，本文讨论了氯苯生产过程中SRC工艺的设计、模拟计算以及动态控制。分别建立了机理模型、综合结构优化设计和过程模拟系统。然后，设计了多变量控制方案，探索了基于最优稳态综合结构的SRC工艺的可控性。讨论了闭环系统对多种干扰的动态响应性能，以验证SRC工艺控制方案的有效性。模拟结果显示，使用常规控制策略的控制结构能够在特定范围内有效克服进料干扰。
关键词：带有侧反应器的精馏塔(SRC)、机理模型、多变量控制方案、模拟系统、氯苯生产
1. 引言
经济和环保的考量迫使工业界专注于基于工艺强化的技术。反应精馏在过去十年中在工业界和学术界受到了大量关注。它在某些化学系统中具有优势，可以有效地降低投资和运营成本，提高转化率和选择性，与传统相比。
文章中提到的“带有侧反应器的精馏塔”指的是精馏塔配合侧边安装的化学反应器，这样的设计结构能够利用精馏塔来分离反应产物，同时反应器则专门用于化学反应。这种方法可以解决一些化学反应中温度和压力不匹配的问题，因为精馏塔和反应器可以独立地工作在各自最适宜的操作条件下，从而提高整个反应精馏过程的效率和选择性。
文章中讨论了氯苯生产过程的设计、模拟计算和动态控制三个关键方面。首先是建立机理模型，即通过化学工程原理建立对系统反应和精馏过程的数学描述。这一步是整个设计和控制过程的基础，因为它能够准确地反映出整个系统的工作原理和特性。
接下来，文章提到了综合结构的优化设计，这涉及到将化学反应器和精馏塔进行合理布局和参数设置，以使得整个系统的性能达到最优。在此基础上，建立过程模拟系统是为了验证设计方案的可行性和探索可能的操作条件，为后续的控制策略设计打下基础。
多变量控制方案的设计是本研究的重点之一。由于精馏塔系统具有多个输入和多个输出的特点，即是一个典型的多变量控制系统，所以设计有效的控制策略对于确保整个系统稳定运行和提高产品质量至关重要。
文章指出，闭环系统的动态响应性能分析是验证控制策略有效性的关键环节。通过模拟研究，考察了在受到各种干扰时系统的动态行为，以此来确保所设计的控制结构能够在实际操作中应对可能出现的不稳定因素，比如进料的波动等。
文章中提到了使用传统控制策略在特定范围内能够有效克服进料干扰，说明了控制结构的实用性和可靠性。这表明即使在复杂的工业生产环境中，通过精心设计的控制策略，系统仍能够保持稳定和高效率的运行。
在工业化学过程中，类似氯苯生产这样的精细化工产品，对产品的纯度和收率的要求非常高，因此对反应精馏过程的控制提出了更高标准。随着控制技术的不断进步，采用更为精确和灵活的控制策略，如模型预测控制(MPC)等先进控制方法，有望进一步提升反应精馏过程的性能和操作的稳定性。此外，随着数字化和智能化技术的发展，自动化控制系统在化工过程中的应用将更加广泛和深入，未来的研究与应用将使工业生产更加高效、安全和环保。
