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(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用的一種傳質(zhì)過(guò)程，通過(guò)精餾過(guò)程，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度。?分離的機(jī)理是利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同），使液相中的輕組分（低沸點(diǎn)）和汽相中的重組分（高沸點(diǎn)）相互轉(zhuǎn)移，從而實(shí)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(diǎn)精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過(guò)程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動(dòng)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(duì)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(gè)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(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(guān)系在建立能量平衡關(guān)系時(shí)，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(jiàn)，隨著s的增大，xD也增大，xB而減小，說(shuō)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(duì)揮發(fā)度、理論塔板數(shù)、塔板效率、進(jìn)料組分、進(jìn)料板位置，以及塔內(nèi)上升蒸汽量V和進(jìn)料F的比值等。對(duì)于一個(gè)既定的塔來(lái)說(shuō)：V(12-6)sF

f()式（12-6）的函數(shù)關(guān)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(lái)提高的，所以該式實(shí)際是表示塔的能量對(duì)產(chǎn)品成分的影響，故稱(chēng)為能量平衡關(guān)系式。由上分析可見(jiàn)， V/F的增加，塔的分離效果提高，能耗也將增加。對(duì)于一個(gè)既定的塔，包括進(jìn)料組分一定，只要

D/F

和

V/F

一定，這個(gè)塔的分離結(jié)果，即xD和xB將被完全確定。也就是說(shuō)，由一個(gè)塔的物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個(gè)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(shū)中所說(shuō)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(biāo)是，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤(rùn)）最大或總成本最小。具體對(duì)一個(gè)精餾塔來(lái)說(shuō)，需從四個(gè)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(lái)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(huì)影響精餾塔的平衡操作。在精餾塔的整體方案確定時(shí)，如果工藝允許，能把精餾塔進(jìn)料量、進(jìn)料溫度或熱焓加以定值控制，對(duì)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(zhì)量指標(biāo)選取有兩類(lèi)：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標(biāo)

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(cè)量過(guò)程滯后大，反應(yīng)緩慢；③成分分析針對(duì)不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿(mǎn)足。量指標(biāo)

二、采用溫度作為間接質(zhì)溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見(jiàn)的一種。于一個(gè)二元組分精餾塔來(lái)說(shuō)，在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成分有單值的對(duì)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(duì)對(duì)于多元精餾過(guò)程來(lái)說(shuō)，情況較復(fù)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?xì)浠衔锏耐滴锼M成，此時(shí)，在一定的壓力下，溫度與成分之間也有近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即壓力一定時(shí)，保持一定的溫度，成分的誤差可忽略不計(jì)。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(diǎn)的位置若希望保持塔頂產(chǎn)品質(zhì)量符合要求時(shí)，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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)則應(yīng)放在塔底，實(shí)施提餾段溫控系統(tǒng)。具有粗餾作用的切割塔，此時(shí)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)視要求產(chǎn)品的純度的嚴(yán)格程度而定。中溫控制：把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板附近的塔板上。目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作線(xiàn)的移動(dòng)情況，兼提餾段溫度控制提餾段溫度控制（2）靈敏板問(wèn)題采用塔頂（或塔底）溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，實(shí)際上把溫度檢測(cè)放置在塔頂（或塔底）是極為少數(shù)的。而是把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板與塔頂（底）之間的靈敏板上。所謂靈敏板，是當(dāng)塔受到干擾或控制作用時(shí)，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(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(cè)算，確定大致位置，然后在它的附近設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從中選擇最佳的測(cè)量點(diǎn)作為靈敏板。三、用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟葏?shù)作為間接指標(biāo)用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)有一個(gè)前提—塔內(nèi)壓力恒定。雖然精餾塔的塔壓一般有控制，但對(duì)精密精餾等控制要求較高的場(chǎng)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(mǎn)足工藝的要求，為此需對(duì)壓力的波動(dòng)加以補(bǔ)償。 （1）直接壓力補(bǔ)償壓力的變化 p引起沸點(diǎn)變化為 T，在小范圍內(nèi)，此關(guān)系近似為線(xiàn)性關(guān)系：TK(12-12) pT校正 K p K(p p0)(12-11)校正后的溫度值應(yīng)為 (12-13)z T T校正 T K(p p0)T Kp Kp0)這種直接壓力補(bǔ)償只適用于壓力 p在小范圍內(nèi)波動(dòng)（2）溫差控制在精密精餾等對(duì)產(chǎn)品純度要求較高的場(chǎng)合，考慮壓力波動(dòng)對(duì)間接指標(biāo)的影響，可采用溫差控制。塔頂產(chǎn)品純度不變64Mpa℃塔1.1262.8板1.1552.8序1.1902.8號(hào)52ⅠⅡⅢ6065758070℃壓力變化與各板溫度分布選擇溫差作為被控變量時(shí)，需要注意溫差給定值合理（不能過(guò)大），以及操作工況穩(wěn)定。溫差與產(chǎn)品純度并非是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)有最高點(diǎn) M1，在M1點(diǎn)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(guò)大，或操作不平穩(wěn)，均能引起溫差失控的現(xiàn)象。溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置，對(duì)于塔頂餾出液為主要產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)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(hào)。然后把兩個(gè)溫差信號(hào)相減，以這個(gè)溫差的差作為間接質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制。T T22M1x溫差控制受兩個(gè)因素的影響：一是進(jìn)料組分的波動(dòng)，另一個(gè)是因負(fù)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(dāng)壓降增大時(shí)，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(jìn)料流量波動(dòng)引起塔壓變化對(duì)溫差的影響，在塔的上、下段同時(shí)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(guó)內(nèi)外應(yīng)用雙溫差控制的許多裝置來(lái)看，在進(jìn)料流量波動(dòng)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(gè)多輸入多輸出的多變量、分布參數(shù)、非線(xiàn)性的被控過(guò)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(jiǎn)單判斷哪個(gè)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(duì)的三條準(zhǔn)則： (1)當(dāng)僅需要控制塔的一端產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用物料平衡方式來(lái)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(dāng)塔的兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時(shí)，一般對(duì)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(dāng)選用塔頂部產(chǎn)品餾出物流量

D或塔底采出液量

B來(lái)作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱(chēng)為物料平衡控制；而當(dāng)選用塔頂部回流L或再沸器加熱量Q（V）來(lái)作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱(chēng)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(diǎn)是無(wú)質(zhì)量反饋控制，它們屬于產(chǎn)品質(zhì)量開(kāi)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(jìn)行控制。 它適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求不高以及擾動(dòng)不多的場(chǎng)合。 該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但適應(yīng)性不高，目前應(yīng)用不多。二、質(zhì)量指標(biāo)反饋控制一般說(shuō)來(lái)，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)只設(shè)定一個(gè)，分別稱(chēng)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(zhǎng)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(biāo)外，尚有回流罐液位LD、塔釜液位LB。四個(gè)操縱變量與三個(gè)被控變量進(jìn)行配對(duì)，將富裕出一個(gè)操縱變量，這個(gè)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(jí)控制系統(tǒng)提餾段溫度串級(jí)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(jí)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(dòng)開(kāi)停車(chē)。此外還有其它一些的復(fù)雜控制系統(tǒng)，諸如內(nèi)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(shù)的不斷發(fā)展，新型控制方案、控制算法不斷出現(xiàn)，自動(dòng)化控制技術(shù)工具也有了飛速的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用愈益廣泛，使得在靜餾過(guò)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(biāo)越來(lái)越高，保證塔的平穩(wěn)操作，以及滿(mǎn)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(guò)于保守的過(guò)分離操作，轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”生產(chǎn)，但這必須有合適的自控方案來(lái)保證塔的抗干擾能力，穩(wěn)定塔的正常操作。同時(shí)，也可對(duì)工藝進(jìn)行必要的改進(jìn)，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(dòng)塔壓控制方案①塔壓浮動(dòng)的目的所謂塔壓浮動(dòng)，即在可能的條件下，把塔壓盡量降低，有利于能量節(jié)