精馏塔的控制

对于一个既定塔 平均相对挥发度α 理论塔板数 n 塔板效率 E 进料板位置
变化不大
z F 对S的影响比 V 小的多 进料组分 F 从而有： S f V / F
（7-19）
上式可近似为：
ln s
V F
（7-20）
即：
V F ln x D (1 x B ) x B (1 x D ) (7 21)
D F
ZF变到0.4 时

0.5 0.05 0.95 0.05
0.50
xD
F D
Z F 0 0 .8
此时必须减小D才能够达到质量要求
2、内部物料平衡
精馏塔计算中的重要假设： 同一塔段（精馏段或提馏段）的上下塔板气相、液相摩尔流量相同：
Ln 1 Ln Vn 1 Vn
4、节能与经济性
回收率：
Ri 组分 i的产品流量 进料中组分 i的流量 100％
例如：丙烯—丙烷塔，进料流量F，丙烯含量Ei，塔顶丙烯 产品流量D，则丙烯回收率 ＝D/(FEi )×100％ 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。
能耗－产品纯度－回收率的关系
能耗不变时，产品纯度↑，回收率↓ 保证产品纯度时，能耗↑，回收率↑，但回收率增加 到一定程度时，提高的就不明显了。 保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最 佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少 些。
全塔的物料、各组分 塔内部各段（进料板、精馏段、提馏段）总物料各组分——均应保持物 料平衡
1、全塔物料平衡
对于二元精馏： F D B
FZ F Dx D Bx B
F为进料流量（kmol/h）; D为塔顶馏出液采出量（kmol/h） B为塔底釡液采出量（kmol/h） ZF，xD，xB分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩尔分率。 解得： F D Z F xB （7-3） x Z x x
（7-21）
三、分析：
xD F D
Z F x B xB
（7-3）
1、从物料和能量平衡{（7-3）或（7-4）和（7-21）可知} 当zF一定时，只要保证D/F和V/F一定（或D/F和R一定）， xD 则 和 x B就确定了 2、进料组成zF的变化：通过D/F、V/F来补偿 例如：进料zF 增加，将导致 x B 、 x D 都增加，此时可 增加D/F和减少B/F补偿，也可减少LR，提高VS加以补偿。


沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分
气液平衡→气相中轻组分浓度高 液相中重组分浓度高

多层塔板连续的气液平衡→提高产品纯度 塔顶以气相形式抽出→轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出→重组分浓度高

塔顶－塔底形成下高上低的温度梯度分布
梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好

泡点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物出现第一 露点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化
2 、分离度
不是全回流的一般操作条件下，定义分离度：
S X D (1 X B ) X B (1 X D )
(7-15)
xD
xB
sx B 1 x B ( s 1)
xD
x D s (1 x D )
S f , n, V / F , z F , E , nF
个气泡时的温度称为泡点
全部变成饱和气相的温度称为露点。
精馏塔原理示意图
1、工艺流程 2、分类

板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔
穿流塔、浮喷塔、浮舌塔

填料塔
增加气液两相的接触面积 乱堆填料，规整填料
精馏塔物料流程图
3、机理复杂、控制难度大
多输入多输出，滞后大，变量之间相互关联，机理复杂，控 制要求高
二、控制要求
在保证产品质量合格的前提下，回收率最高，能耗最低 或总收益最大，或总成本最低
1、质量指标－产品的纯度：
二元组分精馏：
多元组分精馏塔：通常只能控制其中的关键组分的浓度
轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分 重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分
2、保证平稳操作
物料平衡：塔顶产品和塔底产品流量之和应等于进料量， 塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。 能量平衡：进料热量＋塔底再沸器加热量＝塔顶产品热 量＋塔底产品热量＋塔顶冷凝器冷却热量＋热量损失 进料、冷剂、加热剂的控制
气液平衡→气相中轻组分浓度高
液相中重组分浓度高
多层塔板连续的气液平衡→提高产品纯度
塔顶以气相形式抽出→轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出→重组分浓度高

塔顶－塔底形成下高上低的温度梯度分布
梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好
第一节 概 述
一、精馏
利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离。如石油裂解气 含多种成分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、 乙炔、丙炔等，耗能占40－50％
能量平衡影响因素：进料温度
再沸器加热量 冷凝器冷却器 环境温度
（4）可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷 却量，采出量。 不可控扰动：进料流量（主要扰动） ，进料组成（主 要扰动） ，环境温度
四、精馏塔控制的特点
多入多出过程
动态响应慢 变量间互相关联
第二节 精馏塔的特性
一、物料平衡和内部的物料平衡（静态）

加料板Ns,易挥发组分的物料衡算式
3、进料流量的变化 液相泡点进料，F增加，LS增加，提馏段操作线斜率 上升，xB增加 气相露点进料，F增加，VR增加，精馏段操作线斜率 下降，xD下降。 F增加，应按比例改变D,B,LR,VS,使得D/F和R不变
四、二元物系精馏塔的动态特性
1、假设







进料为泡点饱和液相 采用全冷凝器，塔顶气相全部冷凝后进入回流罐 回流罐内液体完全混合，成分为xD,回流罐液体温度恰好是它的 泡点温度 塔底再沸器上升蒸汽量V，塔底和再沸器内的液体完全混合，且 有相同的成分xB,再沸器和塔底的总蓄液量是MB 每块塔板达到充分混合－气液相均可作为集中参数系统 塔内压力恒定 每块塔板上的蓄液量是Mn 两组分的摩尔汽化潜热近似相等。 相平衡关系中，y与x满足近似线性关系
第七章 精馏塔的控制


第一节：概述 第二节：精馏塔的特性（动态和稳态） 第三节：精馏塔受控变量的选择 第四节：精馏塔的基本控制
第一节 概 述
一、精馏
利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离如石油裂解气含多种成 分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等耗 能占40－50％

沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分
过热蒸汽进料：
hF>H，q<0
q线方程:精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹的方程 精馏段操作线方程： 提馏段操作线方程：
VR y j 1 LR x j Dx D
VS y K LS x K 1 Bx B
当相交时，两式的变量相同，则
y
q q 1
x
zF q 1
q一定时，是直线，经过对角线上的 ( z F , z F ) q 斜率为
j LR x j
D，XD
Vs y k Ls x k-1 ↑ ↓ k
VS VR , LS LR F
进料为气相，且为露点，则：
Ls B,xB
V R V s F , L R LS
物料平衡示意图
其它情况下的进料较为复杂，
V R Vs 1 q F LS LR qF
n-1 n
n+1
（1）进料板物料平衡
提馏段各板：
V V s , L LS
VR
精馏段在回流液的温度为沸点的情况下 各板： V V , L L
R R
F↓ ↓LR ↑VR ↓LS ↑VS F，ZF
从而进料板物料平衡：
↑ VR y j+1
↓
F L R V s V R LS
进料为液相，且为泡点，则：
加料板物料平衡： 加料板热量平衡：
F L R V s V R LS FhF LR h Vs H VR H LS h
hF : 进料的摩尔焓， kJ/kmol h ： 液体的摩尔焓， kJ/kmol H ： 蒸汽的摩尔焓， kJ/kmol
两式联立得：
H hF H h
8
产品回收率
V/F=2 4
6
产品纯度（对比）
三、精馏塔的扰动分析
（1）分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可 以合理的设计控制方案。
（2）各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过 物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡 之间又是相互影响的。 （3）物料平衡影响因素：进料流量 进料组成 塔顶，塔底产品采出量及组成

Ls LR F
Ls LR F
令：
q
H hF H h
q
将1mol 进料变为饱和蒸汽所需 的热量 进料的摩尔汽化潜热
五种进料状态下的q值 冷液进料： hF<h, q>1
泡点液体进料：
饱和蒸汽进料：
hF=h, q=1
0<q<1 hF=H，q=0
汽液混合物进料： h<hF<H,
提馏段操作 线方程
提馏段任一塔板： V y L x Bx y LS x B x S K S K 1 B K K 1 B
VS
VS
通过改变再沸器上升蒸汽量、回流量来改变内部物料平衡， 最终改变yj+1 B ( 0, x B ) 经过点 ( xB , xB )和点 Vs
（4）进料热状态的影响和q线方程
y n K n xn C