第12章精餾塔的控制的知識

第12章精餾塔的控制12.1概述12.3精餾塔被控變量的選擇12.4精餾塔的整體控制方案12.5精餾塔的新型控制方案12.1概述精餾是石油、化工等眾多生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的一種傳質(zhì)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(zhuǎn)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?；亓鞅美淠鳉庖悍蛛x器精餾塔進料再沸器釜液餾出液冷劑熱劑B,xBD,xDF,zFLLBLDV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(nèi)在機理較復雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩、變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)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(shè)備。一、精餾塔的基本關(guān)系（1）物料平衡關(guān)系總物料平衡：F=D+B輕組分平衡：Fzf=DxD+BxB(12-1)(12-2)聯(lián)立（12-1）、（12-2）可得：(12-3)（2）能量平衡關(guān)系在建立能量平衡關(guān)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：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(nèi)上升蒸汽量V和進料F的比值等。(12-5)對于一個既定的塔來說：(12-6)式（12-6）的函數(shù)關(guān)系也可用一近似式表示：或可表示為：(12-8)(12-7)式中β為塔的特性因子(12-8)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(chǎn)品成分的影響，故稱為能量平衡關(guān)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(jié)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(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個方程式，可以確定塔頂與塔底組分待定因素。上述結(jié)論與一般工藝書中所說保持回流比一定，就確定了分離結(jié)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(chǎn)品質(zhì)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(shè)置必要的控制系統(tǒng)。（1）產(chǎn)品質(zhì)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餾塔的主要干擾因素為進料狀態(tài)，即進料流量F、進料組分zf、進料溫度Tf或熱焓FE。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。所以，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。12.3精餾塔被控變量的選擇通常，精餾塔的質(zhì)量指標選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號和間接的溫度信號。一、采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標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(yīng)緩慢；③成分分析針對不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿足。二、采用溫度作為間接質(zhì)量指標溫度作為間接質(zhì)量指標，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見的一種。對于一個二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點和產(chǎn)品的成分有單值的對應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。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(chǎn)中，許多產(chǎn)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(yīng)關(guān)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(chǎn)品質(zhì)量符合要求時，即頂部餾出液為主要產(chǎn)品，應(yīng)把間接反映質(zhì)量的溫度檢測點放在塔頂，構(gòu)成所謂的精餾段溫控系統(tǒng)；同樣，為了保證塔底產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，溫度檢測點則應(yīng)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(yīng)視要求產(chǎn)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，兼顧塔頂和塔底組分變化。TCLCFCLCFCFBDVQL精餾段溫度控制提餾段溫度控制TCLCLCFCFCFBDVQLTCLCFCLCFCFBDVQL切割塔的溫度控制（2）靈敏板問題采用塔頂（或塔底）溫度作為間接質(zhì)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(nèi)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(shè)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(zhì)量指標有一個前提—塔內(nèi)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(guān)系，造成質(zhì)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Δp引起沸點變化為ΔT，在小范圍內(nèi)，此關(guān)系近似為線性關(guān)系：(12-11)(12-12)校正后的溫度值應(yīng)為：(12-13)PTTTΣ

pTTKpKpoz這種直接壓力補償只適用于壓力Δp在小范圍內(nèi)波動。（2）溫差控制在精密精餾等對產(chǎn)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。ⅠⅡⅢ

Ⅰ1.1262.8Ⅱ1.1552.8Ⅲ1.1902.8Mpa℃

52646560707580℃塔板序號塔頂產(chǎn)品純度不變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(chǎn)品純度并非是單值對應(yīng)關(guān)系曲線有最高點M1，在M1點的兩側(cè)，溫差與濃度之間的關(guān)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。ΔTxM1溫度檢測點的位置，對于塔頂餾出液為主要產(chǎn)品時，一個測溫點應(yīng)放在塔頂（或稍下一些），即溫度變化較小的位置；而另一點放在靈敏板附近，即成分和溫度變化較大、較靈敏的位置上。（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(zhì)量指標進行控制。精餾塔TddTT1dTT2dTΔ2T

ΔTxM1M2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(nèi)外應(yīng)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。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。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(chǎn)品時，應(yīng)當選用物料平衡方式來控制該產(chǎn)品的質(zhì)量(2)塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)作為操縱變量去控制塔的質(zhì)量。(3)當塔的兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時，一般對含純產(chǎn)品較少，雜質(zhì)較多的一端的質(zhì)量控制選用物料平衡控制，而含純產(chǎn)品較多，雜質(zhì)較少的一端的質(zhì)量控制選用能量平衡控制。當選用塔頂部產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量時，稱為能量平衡控制。

欣斯基提出的三條準則對于精餾塔控制方案設(shè)計有很好的指導作用。3一、傳統(tǒng)的物料平衡控制FCLCFCLCFCFBDVQL圖12-10固定回流量L和加熱蒸汽量Q（V）LCFCLCFCFCFBDVQL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(zhì)量反饋控制，它們屬于產(chǎn)品質(zhì)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(guān)系進行控制。它適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求不高以及擾動不多的場合。該方案結(jié)構(gòu)簡單，但適應(yīng)性不高，目前應(yīng)用不多。二、質(zhì)量指標反饋控制一般說來，精餾塔的質(zhì)量指標只設(shè)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(zhì)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。它們經(jīng)配對后，較為常用的基本方案有四種。表12-1中的方案1——精餾段溫度控制固定加熱蒸汽量LCFCLCTCFCFBDVQL表12-1中的方案2——精餾段溫度控制固定加熱蒸汽量TCLCFCLCFCFBDVQL表12-1中的方案3——提餾段溫度控制固定回流量TCLCLCFCFCFBDVQL表12-1中的方案4——提餾段溫度控制固定回流量LCTCLCFCFCFBDVQL三、串級、均勻、比值、前饋等控制系統(tǒng)在精餾塔中的應(yīng)用1.串級控制系統(tǒng)TCLCFC提餾段溫度串級控制精餾段溫度串級控制LCFCTC（2）均勻控制系統(tǒng)（3）比值控制系統(tǒng)FYLCFC精餾塔中的前饋控制（4）前饋控制系統(tǒng)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(nèi)回流控制、熱焓控制等。四、精餾塔塔壓的控制（1）常壓塔（2）加壓塔①氣相采出PC精餾段氣相出料壓力控制②液相出料PCPCPC(a)(b)(c)a)液相出料餾出物中含有微量不凝物b)液相出料餾出物中含有大量不凝物PCPCc)液相出料餾出物中含有微量不凝物PC(3)減壓塔PC抽真空PC抽真空精餾塔真空度控制抽氣管路上節(jié)流控制精餾塔真空度控制控制旁路吸入氣量空氣惰性氣體12.5精餾塔的新型控制方案隨著控制技術(shù)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(shù)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(yīng)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(zhì)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。一、內(nèi)回流、熱焓控制二、解耦控制TC1TC2GC1(S)GC2(S)P2(S)P1(S)G22(S)G11(S)G21(S)G12(S)Y2(S)Y1(S)R1(S)R2(S)GC1(S)GC2(S)P2(S)P1(S)Y2(S)Y1(S)R1(S)R2(S)G22(S)G11(S)G12(S)G21(S)F12(S)F21(S)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(zhuǎn)變?yōu)閲栏窨刂飘a(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”生產(chǎn)，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(yīng)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)省。具體地說，塔壓下降，從兩個方面分析可以降低能耗。a）降低操作壓力，將增加組分間的相對揮發(fā)度，這樣組分分離容易，使再沸器的加熱量下降，