精馏塔控制新版系统

第6章 精馏塔控制系统 6.1 概述 精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛传质传热过程。精馏目是运用混合液中各组分具备不同挥发度，将各组分分离并达到规定纯度规定。精馏过程实质是运用混合物中各组分具备不同挥发度，即同一温度下各组分蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中重组分转移到液相，实现组分分离。 轻组分转移提供能量；冷凝器将塔顶来上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需回流。 精馏过程是一种复杂传质传热过程。体现为过程变量多，被控变量多，可操纵变量也多；过程动态和机理复杂。因而，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统设计十分重要。 6.1.1 精馏塔控制规定 精馏塔控制目的是在保证产品质量合格前提下，使塔回收率最高、能耗最低，虽然总收益最大，成本最小。 精馏过程是在一定约束条件下进行。因而，精馏塔控制规定可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑。 1． 质量指标 精馏塔质量指标是指塔顶或塔底产品纯度。普通，满足一端产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品纯度维持在规定范畴内。所谓产品纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。对于多元精馏而言，则以核心组分含量来表达。核心组分是指对产品质量影响较大组分，塔顶产品核心组分是易挥发，称为轻核心组分；塔底产品核心组分是不易挥发，称为重核心组分。产品组分含量并非越纯越好，因素是，纯度越高，对控制系统偏离度规定就越高，操作成本提高和产品价格并不成比例增长，因而纯度规定应与使 图6.1-1 精馏塔示意图 用规定适应。 2．物料平衡控制 进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔正常平稳操作，以及上下工序协调工作。物料平衡控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定上、下限之间）为目的。 3．能量平衡和经济平衡性指标 要保证精馏塔产品质量、产品产量同步，考虑减少能量消耗，使能量平衡，实现较好经济性。 4．约束条件 精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作规定，对精馏塔操作参数有一定约束条件。 气相速度限精馏塔上升蒸汽速度最大限。当上升速度过高时，导致雾沫带，塔板上液体不能向下流，下层塔板气相组分倒流到上层塔板，浮现液泛现象。 最小气相速度限指精馏塔上升蒸汽速度最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层液相，导致漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。 操作压力限每一种精馏塔都存在最大操作压力限制。 临界温度限保证精馏塔正常传热需要、保证适当回流温度，使精馏塔可以正常操作。 6.1.2 精馏塔扰动分析 影响物料平衡因素涉及进料量和进料成分变化、塔顶馏出物及底部出料量变化。 影响能量平衡因素重要涉及进料温度或釜温变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量变化及塔环境温度变化等。 扰动有可控也有不可控。 1． 进料流量和进料成分 进料流量普通不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏塔操作会导致很大影响。这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中，构成前馈-反馈控制系统。 进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分普通不可控，多数状况下也是难以测量。 2． 进料温度和进料热焓值 进料温度和热焓值影响精馏塔能量平衡。控制方略是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或依照提馏段产品质量指标，构成串级控制。 3． 再沸器加热蒸汽压力 再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔能量平衡。控制方略是构成塔压定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统副被控变量进行控制。 4．冷却水压力和温度 冷却水温度变化普通不大，对冷却水可不进行控制。使用风冷时控制时方略是依照塔压进行浮动塔压控制。 5．环境温度 环境温度变化较小，且变化幅度不大，因而，普通不用控制。 6.2 精馏塔特性 6.2.1 精馏塔精态特性 精馏塔精态特性可以通过度析塔基本关系来表述，即物料平衡和能量平衡关系。以图6.1-1所示二元简朴精馏过程为例，阐明精馏塔基本关系。 1．物料平衡关系 一种精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。图6.1-1所示精馏过程，其物料平衡关系为 总物料平衡 （6.2-1） 轻组分平衡 （6.2-2） 由式（6.2-1）和（6.2-2）联立可得 或 （6.2-3） 式中 、、分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量； 、、分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 同样也可写成 （6.2-4） 从上述关系可看出当增长时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即、下降。而当增长时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增长。即、上升。 然而，在（或）一定，且一定条件下并不能完全拟定、数值，只能拟定与之间比例关系，也就是一种方程只能拟定一种未知数。要拟定与两个因数，必要建立另一种关系式能量平衡关系。 2．能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，一方面要理解一种分离度概念。所谓分离度可用下式表达 （6.2-5） 从式（6.2-5）可见随着分离度增大，而减小，阐明塔系统分离效果增大。影响分离度因素诸多，诸如平均挥发度、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和进料量比值等。对于一种既定塔来说 （6.2-6） 式（6.2-6）函数关系也可用一近似式表达 （6.2-7） 或可表达为 （6.2-8） 式中为塔特性因子。 由式（6.2-7）、（6.2-8）可以看出，随着增长，值提高。也就是增长，下降，分离效果提高了。由于是由再沸器施加热量来提高，因此该式实际是表达塔能量对产品成分影响，故称为能量平衡关系式。并且由上述分析可见增大，塔分离效果提高，能耗也将增长。 对于一种既定塔，涉及进料组分一定，只要和一定，这个它分离成果，即与将被完毕拟定。也就是说，由一种塔物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以拟定塔顶和塔底组分两个待定因数。 上述结论与普通工