精馏塔控制系统

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的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。

轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。

精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。

6.1.1 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，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。

精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控

制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面

考虑。

1．质量指标

精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满

足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而

另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，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，则以关键组分的含量来

表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的

关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分

是不易挥发的，称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好，

原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求就越高，操作成

本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使图6.1-1 精馏塔示意图

用要求适应。

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，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。

3．能量平衡和经济平衡性指标

要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。

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的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件。

气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。

最小气相速度限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。

操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。

临界温度限：保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常操作。

6.1.2 精馏塔的扰动分析

影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及底部出料量的变化。 影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度的变化等。

扰动有可控的也有不可控的。

1． 进料流量和进料成分

进料流量通常不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中，组成前馈-反馈控制系统。

进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也是难以测量的。

2． 进料温度和进料热焓值

进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。控制策略是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成串级控制。

3． 再沸器加热蒸汽压力

再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。控制策略是组成塔压的定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制。

4．冷却水压力和温度

冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制。使用风冷时控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。

5．环境温度

环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。

6.2 精馏塔的特性

6.2.1 精馏塔的精态特性

精馏塔的精态特性可以通过分析塔的基本关系来表述，即物料平衡和能量平衡关系。以图6.1-1所示的二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。

1．物料平衡关系

一个精馏塔，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所示的精馏过程，其物料平衡关系为：

总物料平衡 B D F += （6.2-1） 轻组分平衡 B D f x B x D z F ⋅+⋅=⋅ （6.2-2） 由式（6.2-1）和（6.2-2）联立可得： B B f D x x z D

F x +-=)( 或 B

D f D x x z x F D --= （6.2-3） 式中 F 、D 、B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；

f z 、D x 、B x ——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： B

D f D x x z x F B --= （6.2-4） 从上述关系可看出：当F D 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即D x 、B x 下降。而当F B 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即D x 、B x 上升。 然而，在F D （或F B ）一定，且f z 一定的条件下并不能完全确定D x 、B x 的数值，只能确定D x 与B x 之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定D x 与B x 两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。

2．能量平衡关系

在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s 可用下式表示：

)

1()1(D B B D x x x x s --= （6.2-5） 从式（6.2-5）可见：随着分离度s 的增大，而B x 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，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V 和进料量F 的比值等。对于一个既定的塔来说： )(F

V f s ≈ （6.2-6） 式（6.2-6）的函数关系也可用一近似式表示：

β=F V In s （6.2-7） 或可表示为： β=F V In )1()1(D

B B D

x x x x -- （6.2-8） 式中β为塔的特性因子。

由式（6.2-7）、（6.2-8）可以看出，随着F V 增加，s 值提高。也就是D x 增加，B x 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。而且由上述分析可见：F V 的增大，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F D /和F V 一定，这个它的分离结果，即D x 与B x 将被完成确定。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，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。