13精馏过程的控制详解

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精馏塔质量指标的选取
• 想象上，产品从塔顶和塔底产出，因此塔顶或塔底的温 度最能代表产品质量。 • 其实，当分离的产品较纯时，在邻近塔顶或塔底的塔板 之间温度差已经很小。这时，塔顶或塔底温度变化 0.5℃，都可能已超出产品质量的允许范围。 • 这样选择测温点，对温度检测仪表的灵敏度和控制系统 的精度都提出了很高的要求。 • 解决这一问题的方法是选择灵敏塔板的温度作为间接质 量指标。 • 用精馏段与提馏段的灵敏板温度TR与TS近似反映塔顶、 塔底产品质量xD、xB的变化。 • 对于精密精馏塔，可用精馏段与提馏段的温差来反映塔 顶与塔底产品纯度的变化。 17
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灵敏塔板的温度控制
• 当塔的操作受到扰动（或改变工况）时，塔内 各板的浓度都将发生变化，各塔板的温度、压 力也将同时变化。当保持压力恒定，浓度成为 温度的单值函数。 • 精馏塔从一个稳态达到新的稳态后，温度变化 最大的塔板称为灵敏塔板。 • 灵敏塔板位置的可以通过逐板计算或通过静态 模型仿真计算，依据不同操作工况下各塔板温 度分布曲线比较得出。但是，塔板效率不易估 准，所以最后还须根据实际情况，予以确定。 23
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精馏过程与精馏塔的构造
精馏过程由精馏塔、再 沸器、冷凝器、塔顶产 品储罐（回流罐）等组 成。 精馏塔中有一系列的带 溢流孔的平板，称为塔 板。 精馏塔以进料口为分界， 分成两个塔段，进料口 以上称精馏段，进料口 以下称提馏段。
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精馏塔的构造
• 精馏过程是根据不同物质（组分）有不同的汽化点 （冷凝点）温度，通过在每一塔板上（组分间）的不 断汽化和冷凝的热交换过程，从而将物质提纯的过程。 • 原料从进料口进入塔内，在塔内温度的作用下，一部 分液态物料被汽化上升，同时有另一部分汽态物料凝 聚而下降。 • 所有塔板都是汽液两相的传热传质过程，因此每一层 塔板的温度都可用集中参数模型描述。 • 每一层塔板成为精馏塔的一个段。尽管过程性质相同 （方程结构相同），但每层塔板模型的参数不同。
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精馏塔的控制目标
• 精馏过程有二元和多元之分，多元是指精馏过程要分离 出三种或以上组分。二元精馏过程只需分离两种组分。 因此是最简单的精馏过程。 • 精馏塔的控制目标，在满足产品质量合格的前提下，使 总的收益最大或总的成本最小。 • 因此，精馏塔的控制要求，应该从质量指标(产品纯度 )、 产品产量和能量消耗三个方面进行综合考虑。 • 为了使塔正常操作，必须满足一些约束条件。例如，塔 内汽液两相流速既不能过高，引起液泛；又不能过低， 引起塔板漏液。 • 精馏塔的控制作用应平稳与缓慢。
P Ri Fzi
式中，P为产品产量；F为进料流量；zi为进 料中组分i的浓度。
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回收率的定义
• 产品回收率、产品纯度及能 量消耗三者之间的定量关系 可以用图中的曲线来说明。 • 图为分离50％的两组分混合 液的曲线图。纵坐标是回收 率，横坐标是产品纯度，图 中曲线表示每单位进料所消 耗能量的等值线。(用塔内 上升蒸汽量V与进料量F之比 V/F来表示)。 • 在一定的能耗V/F情况下， 随着产品纯度的提高，产品 产品纯度、回收率与能耗之间的 的回收率迅速下降。
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物料平衡控制方案二
固定塔顶采出 量，塔顶回流 R不稳定。 假定某种原因 使得塔内温度 上升，从而塔 顶储罐液位升 高。 回流R将自动 增加，冷却量 增加，使塔内 温度下降。 28
物料平衡控制方案三
保持塔定回流量恒 定。 将塔底两控制变量 交换，塔底采出量 恒定。
当塔底液位变高时， 加大加热量，使塔 内蒸汽量上升，导 致塔顶产出量增加。
精馏过程的控制
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精馏过程
• 精馏过程是炼油、化工生产过程中的一种十 分重要的生产环节。精馏塔的控制方案影响 到产品质量、产量和能量的消耗。 • 根据美国的统计数据，在石油和化学工业的 总能耗中，大约有40~50％消耗在精馏过程上。 因此，可以说精馏装置是耗能最大的操作单 元之一。 • 精馏过程是将各种组分的混合溶液，通过精 馏装置进行提纯分离的过程。
精馏塔的控制
• 精馏过程中，底部的再沸器对塔底物料加热， 以提供精馏过程的热量； • 塔顶部采用将冷凝后的部分产品回送到塔顶， 保持塔上部（顶）温度稳定。 • 精馏塔内部为一温度分布过程，从塔底开始， 温度先上升，后下降。 • 塔内精馏段和提馏段各存在一温度最高的塔板 （塔段）。此外，还存在一对温度变化最灵敏 的塔板（塔段）。
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精馏过程
• 精馏过程是一物理过程，因此相对化学过程而言， 又相对简单。 • 在精馏塔的每一层塔板上都在进行汽化和冷凝的过 程，在塔顶与塔底得到预期的产品。 • 精馏过程对产品质量、产量和能耗三者都有要求， 是一个多输入、多输出对象。 • 精馏塔由很多级塔段组成，是一典型的分布参数系 统。精馏塔时间常数大，对控制作用的响应缓慢， 是一典型的大时延系统。这些都给自动控制的实施 带来一定困难。
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精馏塔的控制手段
• 在第五章中已知，每层塔板有一汽相组成和液相组 成方程，一下溢液体流量和塔板滞流液体量方程。 • 各层塔段上液相和汽相组成，各塔板下溢液体流量， 各塔板上液体滞留量等都在精馏塔内部，难于测量 和控制。 • 从外部能影响精馏过程的变量只有进料流量F和组分 xF ，塔顶产品回流量R（或塔顶产品采出量D），和 塔釜产品经换热器后的汽化量V（或塔釜产品采出量 B）。其中，进料流量F和进料组分xF无法控制。
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物料平衡控制
将精馏塔分解成塔顶、塔底两个子系统。由此可考虑 的控制方案共有4种，如下表
其中方案4无法采用，因为 种
D F
和
B F
不独立。其它三
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方案均是可采用的。
物料平衡控制方案一
假定进料稳定,加 热量稳定,则塔内 上升蒸汽V也恒定， 即V/F恒定。 若塔顶回流R也保 持恒定（温度和流 量均不变），则塔 内部流向下层塔板 的液体R’也恒定， R’/F恒定。
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精馏塔的控制目标
——质量指标
• 精馏操作的目的是将混合物料中各种组分分离、提纯。 提纯过程中，各种组分相互之间有影响。 • 质量指标是保证主产品达到规定的纯度，同时尽可能 提高分离度。即其它产品中主产品的剩余量尽量少。 • 以二元精馏过程为例，质量指标是使塔顶产品中轻组 分纯度符合技术要求，同时塔底产品中轻组分含量尽 量少。 • 此外，产品质量应该控制到刚好满足规格要求，即处 于“卡边”生产。超过规格的产品是一种浪费，因为 它的售价不会更高，只会增大能耗、降低产量。
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精馏过程控制目标和手段
• 若塔压p恒定时， xD、xB只与温度有关。因此，如果压 力恒定，则塔板温度就间接反映了产品的纯度。 • 对于多元精馏塔来说，情况比较复杂，但如果压力恒定， 塔板温度仍能反映各组分浓度的变化。 • 因此，精馏塔最常用的间接质量指标是温度。 • 精馏塔是一分布参数系统。用温度作为被控质量指标时， 由于精馏塔内部有许多塔板（塔段），对所有塔板温度 均保持稳定难以做到，也无必要。 • 选择塔内哪一点的温度或哪几点温度作为质量指标 ？
第四种组合为什么不可取？
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控制一端产品质量
• 对于两个液相产品的精馏塔，可采用严格控制一 端产品质量，而让另一端产品质量浮动（即不加 以控制）的办法。 • 当扰动不很大时，若固定塔顶产品的纯度xD，塔 底产品纯度xB的变动也不会太大；反之也然。未 加以严格控制的一端的产品质量变化范围可用静 态特性关系来加以估计。 • 当塔压稳定时，温度与产品纯度有单值函数关系。 通过控制一端温度，来控制产品质量。
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精馏塔的基本控制问题
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影响精馏过程的主要因素
1）进料流量； 2）进料浓度或成分； 3）进料 温度和进料状态 ； 4）再沸器的加热量； 5）冷凝器的冷却量；6）回流量； 7）塔顶采出量；8）塔底采出量； 9）塔内压力。 上述各个因素中，有些是可控制的，有些是不 可控制的。 20
可采用的控制手段
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精馏塔的控制手段
• 这样能用于控制的两个变量是回流量R和再沸 器的汽化量V(实际是再沸器的加热量)，目的 是控制塔顶产品组成和塔釜产品组成保持常 数不变。
R f1 ( x D ) V f 2 ( xB )
• 并且塔顶回流量R与采出量D，和塔釜汽化量V 与采出量B强相关。并且通过精馏塔内部汽化 和凝结过程，塔顶与塔釜也相互影响，形成 了多种精馏塔自动控制的基本方案。 7
为了稳定塔的精馏过程，可采用的控制手段有： 1）塔顶采出量； 4）回流量； 2）塔底采出量； 5）再沸器加热量； 3）回流罐排气量； 6）冷凝器冷却量。 前三个量是通过影响全塔的物料平衡和塔的内部 平衡，起到控制作用，后三个量改变塔的能 量平衡关系和改变塔内汽液比。
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塔压控制
• 精馏过程是一气液两相过程，压力的影响非常大； • 在所有的控制变量中，只有再沸器加热量QH、冷凝 器冷却量QC与回流罐排气量DG对塔压p影响迅速，控 制作用强。 • 塔压控制系统方案如下图。
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按精馏段指标控制
• 当塔顶采出为主要产品时，往往按精馏段指标进行控 制。这时，可取精馏段某灵敏板温度作为被控变量， 而以回流量R、塔顶采出量D或再沸器上升蒸汽量V 作为操纵变量。 • 可以组成单回路控制方式，也可以组成温度-流量串 级控制方式。串级控制可迅速有效地克服进入副环的 扰动，并可降低对控制阀特性的要求，宜在需作精密 控制时采用。 • 采用这类控制方案时，在R，D，V(或QH)和B四者之 中选择一个作为控制产品质量的手段，选择另一个保 持流量恒定，其余两个变量则按回流罐和塔底的物料 平衡关系由液位控制器加以控制
关系
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精馏塔的控制目标
• 由图上可以看出，在98％的纯度下，当V/F从.2增 至.4时，产品回收率从14％增到88％，增加了74％； 当V/F再从.4增加到.6时，产品的回收率仅从88％增 加到96.5％，只增加了8.5％。
• 精馏塔的控制目标为： 1. 主要产品的质量指标刚好达到质量规格。 2. 在规定的纯度要求下，提高产品的收率。 3. 能量消耗尽可能低一些。 在质量指标一定的前提下，使单位产品产量的 能量消耗最低，或使单位产品量的成本最低， 以及使综合经济效益最大等，均是属于不同 13 目标函数的最优控制问题。
精馏过程控制目标和手段
• 精馏塔的控制目标是使塔顶和（或）塔底的产 品满足规定的质量要求，以及分离度尽量高。 为使问题简化，这里仅讨论塔顶和塔底产品均 为液相时的基本控制问题。 • 对下图所示的简单精馏生产过程，目的是保证 塔顶、塔底产品质量xD、xB。（xD、xB难以直接 在线测量）。 • 精馏过程是一汽液两相的传热、传质过程。在 体积一定时， xD、xB与压力和温度两者有关。 • 为了稳定精馏过程，需要保持塔内压的控制目标
——产品产量和能量消耗
• 精馏塔的另外两个重要控制目标是产品的产量和能量消耗指 标。 • 混合液分离是根据混合液中各组分的汽化/冷凝点不同，是一 个传热传质过程。在这个过程中需要消耗一定的能量。主要 是塔底再沸器的加热量和塔顶冷凝器的冷却量消耗。 • 分离所得的产品纯度越高，则所消耗的能量越多。同样，产 品产量越大，所需能量越多。 • 产品的产量通常用该产品的回收率来表示。 • 回收率的定义是：进料中每单位产品组分所能得到的可售产 品的数量。数学上，组分i的回收率定义为
精馏塔的基本控制方案
• 因此，精馏塔的基本控制问题可用下图描述。整个精 馏塔可看成是一个具有5个输出变量与6个输入变量的 复杂多变量关联系统。 • 输出变量为塔顶压力p、回流罐液位LD、塔底液位LB、 以及塔顶塔底产品质量xD、xB。 • 输入变量为塔顶产出量D、塔底产出量B、回流量L、再 沸器加热量QH、冷凝器冷却量QC以及回流罐排气量DG； • 系统所受的扰动主要为进料量、进料浓度、进料温度 或热焓的变化。值得注意的是，再沸器上升蒸汽量V本 不是一个操纵变量，而是一个反映整个精馏塔能量平 衡关系的状态变量。
精馏塔控制简化
将塔压控制问题分离 后，精馏塔的基本控制 问题可进一步描述成左 图所示的简化控制问题。 四个控制变量，四个 被控量。
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物料平衡控制
物料平衡控制方案不是对塔 顶或塔底产品质量进行直接 的控制，而依据精馏塔的物 料平衡及能量平衡关系进行 间接控制。其基本原理是， 当进料成分不变和进料温度 （单相进料时）或热焓（两 相进料）一定时，在维持全 塔物料平衡的前提下，保持 进料量 F 、再沸器加热量 QH （或塔底上升蒸汽量 V ）、 塔顶产品量 D 一定；或者说 保持D/F和V/F一定，就可保 证塔顶、塔底产品的质量指 标一定。