精馏塔的控制

精馏塔的控制12.1 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，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 (12-1)轻组分平衡：F z f =D x D +B x B (12-2)联立（12-1）、（12-2）可得：（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：回流泵 冷凝器气液分离器 精馏塔 进料 再沸器 釜液 馏出液冷剂 热剂 B,x BD,x D F,z FLL B L D V B D f D B B f D x x x z F D x x z D F x --=+-=)((12-3) )1()1(D B B Dx x x x s --=(12-5)可见，随着s 的增大，x D 也增大，x B 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。

对于一个既定的塔来说： 式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示： 或可表示为：式中β为塔的特性因子由上式可以看到，随着V /F 的增加，s 值提高，也就是x D 增加， x B 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，包括进料组分一定，只要D /F 和V /F 一定，这个塔的分离结果，即x D 和x B 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z f 、进料温度T f 或热焓F E 。

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。

12.3 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： ①分析仪表的可靠性差；②分析测量过程滞后大，反应缓慢；③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)(FV f s =(12-6) s FV ln β=)1()1(ln D B B Dx x x x F V --=β(12-7) (12-8)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。

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TC LC FCLC FC F B D V QL TCLCLC FC FC FBDVQL提馏段温度控制提馏段温度控制（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Δp 引起沸点变化为ΔT ，在小范围内，此关系近似为线性关系：校正后的温度值应为TC LCFCLCFC FBDVQLKp T =∆∆(12-11) )(0p p K p K T -=∆=∆校正))(00Kp Kp T p p K T T T z +-=--=∆-=校正(12-12) (12-13) PTTTΣ p T T Kp Kp o z这种直接压力补偿只适用于压力Δp 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应关系曲线有最高点M 1，在M 1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。

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ 1.126 2.8 Ⅱ 1.155 2.8Ⅲ 1.190 2.8 Mpa ℃ 52 64 65 60 70 75 80塔板塔顶产品纯度不变 ΔTx M 1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。

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。

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。

12.4 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精馏塔T dd TT 1d TT 2d TΔ2TxM 1M 2FC LCFC LCFC F D V QL图12-10 固定回流量L 和加热蒸汽量Q （V ）图12-10 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，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L D 、塔釜液位L B 。

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。

LCFCLCFCFC FBDVQLLCFC LC TCFC F D VQ L表12-1中的方案1——精馏段温度控制固定加热蒸汽量表12-1中的方案2——精馏段温度控制固定加热蒸汽量表12-1中的方案3——提馏段温度控制固定回流量TC LCFCLCFC FBDVQLTCLCLCFC FCFBDVQL表12-1中的方案4 ——提馏段温度控制固定回流量三、串级、均匀、比值、前馈等控制系统在精馏塔中的应用 1.串级控制系统（2）均匀控制系统 （3）比值控制系统 （4）前馈控制系统LCTCLCFC FCFBDVQLTC LC FC 提馏段温度串级控制 精馏段温度串级控制LCFCTC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。