精餾塔的控制

精餾塔的控制第12章精餾塔的控制12.1 概述?精餾是石油、化工等眾多生產過程中廣泛應用的一種傳質過程，通過精餾過程，使混合物料中的各組分分離，分別達到規(guī)定的純度。?分離的機理是利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點不同），使液相中的輕組分（低沸點）和汽相中的重組分（高沸點）相互轉移，從而實現(xiàn)分離。?精餾裝置由精餾塔、再沸器、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。D精餾塔的特點精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量過程，內在機理較復雜，動態(tài)響應遲緩、變量之間相互關聯(lián)，不同的塔工藝結構差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題。而且從能耗的角度，精餾塔是三傳一反典型單元操作中能耗最大的設備。 一、精餾塔的基本關系（1）物料平衡關系總物料平衡： F=D+B(12-1)輕組分平衡：Fzf=DxD+BxB(12-2)聯(lián)立（12-1）、（12-2）可得：FxD (zf xB) xBD(12-3)DzD xfFxD xB（2）能量平衡關系在建立能量平衡關系時，首先要了解分離度的概念。所謂分離度 s可用下式表示：x(1 xB)s D(12-5)xB(1 xD)可見，隨著s的增大，xD也增大，xB而減小，說明塔系統(tǒng)的分離效果增大。影響分離度s的因素很多，如平均相對揮發(fā)度、理論塔板數(shù)、塔板效率、進料組分、進料板位置，以及塔內上升蒸汽量V和進料F的比值等。對于一個既定的塔來說：V(12-6)sF

f()式（12-6）的函數(shù)關系也可用一近似式表示：FVx(1

xB)或可表示為：lnD(12-8)FxB(1

xD)式中β為塔的特性因子由上式可以看到，隨著 V/F的增加，s值提高，也就是 xD增加，xB下降，分離效果提高了。由于 V是由再沸器施加熱量來提高的，所以該式實際是表示塔的能量對產品成分的影響，故稱為能量平衡關系式。由上分析可見， V/F的增加，塔的分離效果提高，能耗也將增加。對于一個既定的塔，包括進料組分一定，只要

D/F

和

V/F

一定，這個塔的分離結果，即xD和xB將被完全確定。也就是說，由一個塔的物料平衡關系與能量平衡關系兩個方程式，可以確定塔頂與塔底組分待定因素。上述結論與一般工藝書中所說保持回流比一定，就確定了分離結果是一致的。二、精餾塔的控制要求精餾塔的控制目標是，在保證產品質量合格的前提下，使塔的總收益（利潤）最大或總成本最小。具體對一個精餾塔來說，需從四個方面考慮，設置必要的控制系統(tǒng)。（1）產品質量控制；（2）物料平衡控制；（3）能量平衡控制；++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++--------------------------

（4）約束條件控制（液泛限、漏液限、壓力限、臨界溫差限等）。防止液泛和漏液，可以塔壓降或壓差來監(jiān)視氣相速度。三、精餾塔的主要干擾因素精此外，冷劑與熱劑的壓力和溫度及環(huán)境溫度等因素，也會影響精餾塔的平衡操作。在精餾塔的整體方案確定時，如果工藝允許，能把精餾塔進料量、進料溫度或熱焓加以定值控制，對精餾塔的操作平穩(wěn)是極為有利的。

所以，12.3 精餾塔被控變量的選擇通常，精餾塔的質量指標選取有兩類：直接的產品成分信號和間接的溫度信號。采用產品成分作為直接質量指標

一、成分分析儀表的制約因素：

①分析儀表的可靠性差；②分析測量過程滯后大，反應緩慢；③成分分析針對不同的產品組分，品種上較難一一滿足。量指標

二、采用溫度作為間接質溫度作為間接質量指標，是精餾塔質量控制中應用最早也是目前最常見的一種。于一個二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點和產品的成分有單值的對應關系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應了成分。

對對于多元精餾過程來說，情況較復雜。然而在煉油和石化生產中，許多產品都是由一系列的碳氫化合物的同系物所組成，此時，在一定的壓力下，溫度與成分之間也有近似的對應關系，即壓力一定時，保持一定的溫度，成分的誤差可忽略不計。在其余情況下，溫度參數(shù)也有可能在一定程度上反映成分的變化。（1）溫度點的位置若希望保持塔頂產品質量符合要求時，即頂部餾出液為主要產品，應把間接反映質量的溫度檢測點放在塔頂，構成所謂的精餾段溫控系統(tǒng)；同樣，為了保證塔底產品符合質量要求，溫度檢測點則應放在塔底，實施提餾段溫控系統(tǒng)。具有粗餾作用的切割塔，此時溫度檢測點的位置應視要求產品的純度的嚴格程度而定。中溫控制：把溫度檢測點放在進料板附近的塔板上。目的是及時發(fā)現(xiàn)操作線的移動情況，兼提餾段溫度控制提餾段溫度控制（2）靈敏板問題采用塔頂（或塔底）溫度作為間接質量指標時，實際上把溫度檢測放置在塔頂（或塔底）是極為少數(shù)的。而是把溫度檢測點放在進料板與塔頂（底）之間的靈敏板上。所謂靈敏板，是當塔受到干擾或控制作用時，塔內各板的組分都將發(fā)生變化，隨之各塔板的溫度也將發(fā)生變化，當達到新的穩(wěn)態(tài)時，溫度變化最大的那塊塔板即為靈敏板。靈敏板的位置先根據(jù)測算，確定大致位置，然后在它的附近設置多個檢測點，從中選擇最佳的測量點作為靈敏板。三、用壓力補償?shù)臏囟葏?shù)作為間接指標用溫度作為間接質量指標有一個前提—塔內壓力恒定。雖然精餾塔的塔壓一般有控制，但對精密精餾等控制要求較高的場合，微小的壓力變化，將影響溫度與組分間的關系，造成質量控制難以滿足工藝的要求，為此需對壓力的波動加以補償。 （1）直接壓力補償壓力的變化 p引起沸點變化為 T，在小范圍內，此關系近似為線性關系：TK(12-12) pT校正 K p K(p p0)(12-11)校正后的溫度值應為 (12-13)z T T校正 T K(p p0)T Kp Kp0)這種直接壓力補償只適用于壓力 p在小范圍內波動（2）溫差控制在精密精餾等對產品純度要求較高的場合，考慮壓力波動對間接指標的影響，可采用溫差控制。塔頂產品純度不變64Mpa℃塔1.1262.8板1.1552.8序1.1902.8號52ⅠⅡⅢ6065758070℃壓力變化與各板溫度分布選擇溫差作為被控變量時，需要注意溫差給定值合理（不能過大），以及操作工況穩(wěn)定。溫差與產品純度并非是單值對應關系曲線有最高點 M1，在M1點的兩側，溫差與濃度之間的關系是反向的，所以溫差選得過大，或操作不平穩(wěn)，均能引起溫差失控的現(xiàn)象。溫度檢測點的位置，對于塔頂餾出液為主要產品時，一個測溫點應放在塔頂（或稍下一些），即溫3）雙溫差控制為了克服溫差控制中的不足，提出了雙溫差控制，即分別在精餾段和提餾段上選取溫差信號。然后把兩個溫差信號相減，以這個溫差的差作為間接質量指標進行控制。T T22M1x溫差控制受兩個因素的影響：一是進料組分的波動，另一個是因負荷變化而引起塔板的壓降變化。前者若使溫差減少，則后者當壓降增大時，溫差反而增加，所以是有矛盾的，在這種情況下就難以控制。采用雙溫差控制后，若由于進料流量波動引起塔壓變化對溫差的影響，在塔的上、下段同時出現(xiàn)，因而上段溫差減去下段溫差的差值就消除了壓降變化的影響。從國內外應用雙溫差控制的許多裝置來看，在進料流量波動影響下，仍能得到較好的控制效果。12.4 精餾塔的整體控制方案精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量、分布參數(shù)、非線性的被控過程，可供選擇的被控變量和操縱變量眾多，所以精餾塔的控制方案有很多，而且很難簡單判斷哪個方案是最佳。欣斯基(Shinskey) 做了大量的研究，提出了精餾塔控制中變量配對的三條準則： (1)當僅需要控制塔的一端產品時，應當選用物料平衡方式來控制該產品的質量(2)塔兩端產品流量較小者，應作為操縱變量去控制塔的質量。(3)當塔的兩端產品均需按質量控制時，一般對含純產品較少，雜質較多的一端的質量控制選用物料平衡控制，而含純產品較多，雜質較少的一端的質量控制選用能量平衡控制。當選用塔頂部產品餾出物流量

D或塔底采出液量

B來作為操縱變量控制產品質量時，稱為物料平衡控制；而當選用塔頂部回流L或再沸器加熱量Q（V）來作為操縱變量控制產品質量時，稱為能量平衡控制。一、傳統(tǒng)的物料平衡控制圖12-10固定回流量L和加熱蒸汽量Q（V）圖12-10固定餾出液流量D和加熱蒸汽量Q（V）控制方案的主要特點是無質量反饋控制，它們屬于產品質量開環(huán)控制，只要保持 D/F（或B/F）和V/F（或回流比）一定，完全按物料及能量平衡關系進行控制。 它適用于產品質量要求不高以及擾動不多的場合。 該方案結構簡單，但適應性不高，目前應用不多。二、質量指標反饋控制一般說來，精餾塔的質量指標只設定一個，分別稱為精餾段控制和提餾段控制。能量平衡控制的操縱變量為L或Q（V）；物料平衡控制的操縱變量為D或B。被控變量除了質量指標外，尚有回流罐液位LD、塔釜液位LB。四個操縱變量與三個被控變量進行配對，將富裕出一個操縱變量，這個操縱變量往往采用本身流量恒定。表12-1中的方案1——精餾段溫度控制固定加熱蒸汽量表12-1中的方案2——精餾段溫度控制表12-1中的方案3——提餾段溫度控制固定回流量表12-1中的方案4——提餾段溫度控制固定回流量串級控制系統(tǒng)提餾段溫度串級控制2）均勻控制系統(tǒng)（3）比值控制系統(tǒng)（4）前饋控制系統(tǒng)精餾段溫度串級控制精餾塔中的前饋控制在精餾操作中，除了上述控制系統(tǒng)外，選擇性控制也常用于約束條件的控制，以及完成自動開停車。此外還有其它一些的復雜控制系統(tǒng)，諸如內回流控制、熱焓控制等。五、精餾塔塔壓的控制（1）常壓塔（2）加壓塔①氣相采出②液相出料液相出料餾出物中含有微量不凝物減壓塔精餾塔真空度控制 控制旁路吸入氣量 抽氣管路上節(jié)流控制12.5 精餾塔的新型控制方案隨著控制技術的不斷發(fā)展，新型控制方案、控制算法不斷出現(xiàn)，自動化控制技術工具也有了飛速的發(fā)展，尤其是計算機在工業(yè)過程中的應用愈益廣泛，使得在靜餾過程的控制中新的控制方案層出不窮，控制系統(tǒng)的品質指標越來越高，保證塔的平穩(wěn)操作，以及滿足工藝提出的各種新要求。二、解耦控制R1(S)Y1(S)R2(S)Y2(S)R1R2三、推斷控制四、精餾塔的節(jié)能控制精餾塔的節(jié)能控制，首要的是把過于保守的過分離操作，轉變?yōu)閲栏窨刂飘a品質量的“卡邊”生產，但這必須有合適的自控方案來保證塔的抗干擾能力，穩(wěn)定塔的正常操作。同時，也可對工藝進行必要的改進，配置相應的控制系統(tǒng)，充分利用精餾操作中的能量，降低能耗。1）浮動塔壓控制方案①塔壓浮動的目的所謂塔壓浮動，即在可能的條件下，把塔壓盡量降低，有利于能量節(jié)