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1、第四部分 精馏塔的控制,4.1 概述4.2 精馏塔被控变量的选择4.3 精馏塔的整体控制方案4.4 精馏塔的新型控制方案,4.1 概述,精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。,精馏塔的特点,精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高
2、，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。,一、精馏塔的基本关系,（1）物料平衡关系,总物料平衡：F=D+B 轻组分平衡：F zf=D xD+B xB,(4-1)(4-2),联立（4-1）、（4-2）可得：,(4-3),（2）能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分离度的概念。所谓分离度s可用下式表示：,可见，随着s的增大，xD也增大，xB而减小，说明塔系统的分离效果增大。,影响分离度s的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量V和进料F的比值等。,(4-5),对于一
3、个既定的塔来说：,(4-6),式（4-6）的函数关系也可用一近似式表示：,或可表示为：,(4-8),(4-7),式中为塔的特性因子,(4-8),由上式可以看到，随着V/F的增加，s值提高，也就是xD增加，xB下降，分离效果提高了。,由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。由上分析可见，V/F的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。,对于一个既定的塔，进料组分一定，只要D/F和V/F一定，这个塔的分离结果，即xD和xB将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶与塔底组分待定因素。上述结论与一般工
4、艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的。,二、精馏塔的控制要求,精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。（1）产品质量控制；（2）物料平衡控制；（3）能量平衡控制；（4）约束条件控制（液泛限、漏液限、压力限、临界温差限等）。防止液泛和漏液，可以用塔压降或压差来监视气相速度。,三、精馏塔的主要干扰因素,精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F、进料组分zf、进料温度Tf或热焓FE。此外，冷剂与热剂的压力和温度及环境温度等因素，也会影响精馏塔的平衡操作。所以，在精馏塔的整体方案
5、确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，对精馏塔的操作平稳是极为有利的。,4.2 精馏塔被控变量的选择,通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。一、采用产品成分作为直接质量指标,成分分析仪表的制约因素：分析仪表的可靠性差；分析测量过程滞后大，反应缓慢；成分分析针对不同的产品组分，品种上较难一一满足。,二、采用温度作为间接质量指标,温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种。对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的温度就反应了成分。对于多元精馏过程来
6、说，情况较复杂。然而在炼油和石化生产中，许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成，此时，在一定的压力下，温度与成分之间也有近似的对应关系，即压力一定时，保持一定的温度，成分的误差可忽略不计。在其余情况下，温度参数也有可能在一定程度上反映成分的变化。,（1）温度点的位置 若希望保持塔顶产品质量符合要求时，即顶部馏出液为主要产品，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓的精馏段温控系统；同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温控系统。具有粗馏作用的切割塔，此时温度检测点的位置应视要求产品的纯度的严格程度而定。中温控制：把温度检测点放在进料板附近的塔板上。
7、目的是及时发现操作线的移动情况，兼顾塔顶和塔底组分变化。,精馏段温度控制,提馏段温度控制,切割塔的温度控制,（2）灵敏板问题 采用塔顶（或塔底）温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测放置在塔顶（或塔底）是极为少数的。而是把温度检测点放在进料板与塔顶（底）之间的灵敏板上。所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即为灵敏板。灵敏板的位置先根据测算，确定大致位置，然后在它的附近设置多个检测点，从中选择最佳的测量点作为灵敏板。,三、用压力补偿的温度参数作为间接指标,用温度作为间接质量指标有一个前提塔内压
8、力恒定。虽然精馏塔的塔压一般有控制，但对精密精馏等控制要求较高的场合，微小的压力变化，将影响温度与组分间的关系，造成质量控制难以满足工艺的要求，为此需对压力的波动加以补偿。（1）直接压力补偿 压力的变化p引起沸点变化为T，在小范围内，此关系近似为线性关系：,(4-11),(4-12),校正后的温度值应为：,(4-13),这种直接压力补偿只适用于压力p在小范围内波动。,（2）温差控制,在精密精馏等对产品纯度要求较高的场合，考虑压力波动对间接指标的影响，可采用温差控制。,压力变化与各板温度分布,选择温差作为被控变量时，需要注意温差给定值合理（不能过大），以及操作工况稳定。温差与产品纯度并非是单值对
9、应关系曲线有最高点M1，在M1点的两侧，温差与浓度之间的关系是反向的，所以温差选得过大，或操作不平稳，均能引起温差失控的现象。,温度检测点的位置，对于塔顶馏出液为主要产品时，一个测温点应放在塔顶（或稍下一些），即温度变化较小的位置；而另一点放在灵敏板附近，即成分和温度变化较大、较灵敏的位置上。,（3）双温差控制,为了克服温差控制中的不足，提出了双温差控制，即分别在精馏段和提馏段上选取温差信号。然后把两个温差信号相减，以这个温差的差作为间接质量指标进行控制。,采用双温差控制后，若由于进料流量波动引起塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段同时出现，因而上段温差减去下段温差的差值就消除了压降变化的影响
10、。从国内外应用双温差控制的许多装置来看，在进料流量波动影响下，仍能得到较好的控制效果。,温差控制受两个因素的影响：一是进料组分的波动，另一个是因负荷变化而引起塔板的压降变化。前者若使温差减少，则后者当压降增大时，温差反而增加，所以是有矛盾的，在这种情况下就难以控制。,4.3 精馏塔的整体控制方案,精馏塔是一个多输入多输出的多变量、分布参数、非线性的被控过程，可供选择的被控变量和操纵变量众多，所以精馏塔的控制方案有很多，而且很难简单判断哪个方案是最佳。欣斯基(Shinskey)做了大量的研究，提出了精馏塔控制中变量配对的三条准则：(1)当仅需要控制塔的一端产品时，应当选用物料平衡方式来控制该产品
11、的质量(2)塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的质量。,(3)当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制。当选用塔顶部产品馏出物流量D或塔底采出液量B来作为操纵变量控制产品质量时，称为物料平衡控制；而当选用塔顶部回流L或再沸器加热量Q（V）来作为操纵变量控制产品质量时，称为能量平衡控制。欣斯基提出的三条准则对于精馏塔控制方案设计有很好的指导作用。,一、传统的物料平衡控制,固定回流量L和加热蒸汽量Q（V）,固定馏出液流量D和加热蒸汽量Q（V）,控制方案的主要特点是无质量反馈控制，
12、它们属于产品质量开环控制，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关系进行控制。它适用于产品质量要求不高以及扰动不多的场合。该方案结构简单，但适应性不高，目前应用不多。,二、质量指标反馈控制,一般说来，精馏塔的质量指标只设定一个，分别称为精馏段控制和提馏段控制。能量平衡控制的操纵变量为L或Q（V）；物料平衡控制的操纵变量为D或B。被控变量除了质量指标外，尚有回流罐液位LD、塔釜液位LB。四个操纵变量与三个被控变量进行配对，将富裕出一个操纵变量，这个操纵变量往往采用本身流量恒定。它们经配对后，较为常用的基本方案有四种。,方案1精馏段温度控制固定加热蒸汽量,方案2精
13、馏段温度控制固定加热蒸汽量,方案3提馏段温度控制固定回流量,方案4 提馏段温度控制固定回流量,三、串级、前馈等控制系统在精馏塔中的应用,1.串级控制系统,2.前馈控制系统,在精馏操作中，除了上述控制系统外，选择性控制也常用于约束条件的控制，以及完成自动开停车。此外还有其它一些的复杂控制系统，诸如内回流控制、热焓控制等。,四、精馏塔塔压的控制,（1）常压塔（2）加压塔气相采出,精馏段气相出料压力控制,液相出料,(a),(b),(c),a)液相出料 馏出物中含有微量不凝物,b)液相出料 馏出物中含有大量不凝物,c)液相出料 馏出物中含有微量不凝物,(3)减压塔,抽真空,精馏塔真空度控制抽气管路上节
14、流控制,精馏塔真空度控制控制旁路吸入气量,空气惰性气体,4.4 精馏塔的新型控制方案,随着控制技术的不断发展，新型控制方案、控制算法不断出现，自动化控制技术工具也有了飞速的发展，尤其是计算机在工业过程中的应用愈益广泛，使得在静馏过程的控制中新的控制方案层出不穷，控制系统的品质指标越来越高，保证塔的平稳操作，以及满足工艺提出的各种新要求。,一、内回流、热焓控制,二、解耦控制,三、推断控制,四、精馏塔的节能控制 精馏塔的节能控制，首要的是把过于保守的过分离操作，转变为严格控制产品质量的“卡边”生产，但这必须有合适的自控方案来保证塔的抗干扰能力，稳定塔的正常操作。同时，也可对工艺进行必要的改进，配置
15、相应的控制系统，充分利用精馏操作中的能量，降低能耗。,（1）浮动塔压控制方案,塔压浮动的目的所谓塔压浮动，即在可能的条件下，把塔压尽量降低，有利于能量节省。具体地说，塔压下降，从两个方面分析可以降低能耗。a）降低操作压力，将增加组分间的相对挥发度，这样组分分离容易，使再沸器的加热量下降，节省能量。b）降低操作压力，使整个精馏系统的汽液平衡温度下降，提高了再沸器两侧传热温差，再沸器在消耗同样热剂的情况下，加热能力增大了。,塔压浮动的条件a.质量指标的选取必须适应塔压浮动的需要。b.塔压降低的限度受冷凝器最大冷却能力的制约。c.塔压浮动而不能出现突变。塔压浮动控制的实施,恒压塔的控制方案,浮动塔压的控制方案,（2）从化学热力学观点选取节能方案,节能的提馏段温度控制,
