精馏塔的自动控制

开的方法减少相关；或者采用解耦控制。需指出的是，此时不仅要考虑到系统的 静态特性，也需要考虑其动态影响。
（5）考虑整个工艺生产过程的平稳操作 由于精馏塔往往是生产过程中的一个环节，因此不仅前一工序的操作情况要 影响精馏塔的操作，而且它的产品产量和成分变化也要影响到后一工序的操作。 于是在设置精馏塔的控制方案时，必须协调前后工序的关系。在某些考虑前后工 序关系的整个生产过程的控制中可以采用逆流向物料平衡控制方案。这种控制方 案中，前一工序的调节是根据后一工序的需要而定的。例如在精馏塔中，可根据 后一工序对顶部产品量的需要改变产品馏出液量，而馏出液量的变化会引起回流 罐的液位变化，可通过液位调节改变塔的进料量来实现。这种逆流向方案，可使 整个生产过程稳定并可减少回流罐等中间容器的容积。 （6）塔压调节与浮动压力操作 在精馏塔的自动控制中，保持塔压恒定是稳定操作的条件。这主要是由两方 面的因素决定的，一是压力的变化将引起塔内气相流量和塔顶上汽液平衡条件的 变化，导致塔内物料平衡的变化。二是由于混合组分的沸点和压力间存在一定的 关系，而塔板的温度间接反映了物料的成分。因此，压力恒定是保证物料平衡和 产品质量的先决条件。在精馏塔的控制中，往往都设有压力调节系统，来保持塔 内压力的恒定。 而在采用成分分析用于产品质量控制的精馏塔控制方案中，则可以在可变压 力操作下用温度调节或对压力变化补偿的方法实现质量控制。其做法是让塔压浮 动于冷凝器的约束，而使冷凝器始终接近于满负荷操作。这样，当塔的处理量下 降而使热负荷降低或冷凝器冷却介质温度下降时，塔压将维持在比设计要求低的 数值。压力的降低可以使塔内被分离组分间的挥发度增加，这样使单位处理量所 需的再沸器加热量下降，节省能量，提高经济效益。同时塔压的下降使同一组分 的平衡温度下降，再沸器两侧的传热温度增加，提高了再沸器的加热能力，减轻 再沸器的结垢。浮动压力操作可以显著提高精馏生产的经济效益。但是由于塔压 的波动会产生精馏塔的不平稳扰动。因此在实际生产中，采用不多。 （7）根据热力学观点等选取节约能量的方案
要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。精馏塔
的控制目标一般从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。任何精馏塔的操
作情况同时受约束条件的制约，因此，在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因
素考虑进去。
1．质量指标
质量指标（即产品纯度）必须符合规定的要求。一般应使塔顶或塔底产品之
一达到规定的纯度，要求另一个产品也应该维持在规定的范围之内，或者塔项和
1．精馏塔中静态关系的分析
图 15 为精馏塔的物料流程图，可简单地视其于为二元精馏。则从物料平衡
和能量关系出发，可得出它的总的物料平衡关系为
F=D＋B
（9）
轻组分的物料平衡关系为
Fz＝Dy＋Bx
（10）
式中，F、D 和 B 分别为进料量、顶部馏出物量和塔底产品；z、y 和 x 分别为进
料、顶部馏出物和底部产品中轻组分的含量。由以上两式，可明显看出进料量 F
一定了。考虑到因冷凝器冷却量和环境等扰动因素而使能量平衡可能破坏，从而 使塔压变化，因此在塔顶设置压力调节系统。对于 D／F 和 V／F 的控制，由顶部 产品量 D、再沸器加热蒸汽量和进料量 F 分别组成比值控制系统。若考虑到动态 关系，可添加补偿环节，一般采用超前-滞后环节。
（2）设置质量调节系统 实际上根据精馏塔静态特性考虑的按物料和能量平衡关系控制的方案，在 具体应用时 很难保证产品的质量，仅在产品质量指标并不严格的情况下才能使 用。为了使产品符合一定的质量指标，就必须在上述控制方案的基础上设置质量 反馈系统，采用再沸器加热量及顶部产品量（或回流量）等作为调节参数，以克 服进料成分变化等扰动对产品成分的影响，使产品合格。对于一个精馏塔来讲， 塔顶产品和塔底产品的质量调节系统之间是相互关联的，当相互影响严重时，不 能达到预定的质量控制目的，此时可采用解耦控制以减少或消除它们之间的相关 影响。对于二元精馏塔可只采用顶部产品质量反馈，底部产品质量反馈可不用。 （3）静态和动态响应 满足静态特性关系的精馏塔控制方案很多、即一个被调参数在不同控制方 案中可以用不同的调节参数控制。从调节理论可知，所选择的调节参数使得被调 参数的静态增益越大，控制系统的静态灵敏度越高，克服外部扰动的效果也越好。 但如果该调节参数的调节通道的时间常数太大，则从动态上看，控制系统的响应 就不够快速，从而不能及时克服外部扰动。因此，必须从静态响应和动态响应两 方面综合考虑来确定调节参数和选择控制方案。当方案选取时，由于客观条件不 得不采用灵敏度较高但动态响应缓慢的控制回路时，则应当考虑必要的动态补 偿。 （4）考虑控制系统间的相关影响 在质量指标调节中，谈及了顶部产品和底部产品质量反馈系统之间的相关问 题。同样的问题在一个精馏塔的控制中也存在。精馏塔是一个多变量的调节对象， 往往设有多个控制系统。在这些系统之间有可能产生相互关联的影响。当相关影 响严重时，可以使精馏塔的操作系统失去稳定。解决的方案一是可选取相关影响 较小的系统，通过对各控制回路间相关影响的定量分析方法来选取；二是对于选 取的具有相关影响的控制系统，可通过整定调节器参数把控制回路的工作频率拉
精馏过程是石油和化工生产中应用极为广泛的生产过程，它是利用混合液中
各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以提取达到规定纯度要求的产品。
精馏过程是一个非常复杂的过程，其关键设备是精馏塔，。在精馏操作中，
被控变量多，可以选用的操作变量也多，它们之间又可以有多种不同组合。所以，
控制方案繁多。
一、工艺要求和约束条件
离的产品质量越高，产品产量越多，所需的能量也就越大。
3．能耗要求和经济性指标
精馏过程中消耗的能量，主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗；此
外，塔和附属设备及管线也要散失部分能量。
在一定的纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的；同 时也意味着再沸器的能量消耗要增大。且任何事物总是有一定限度的。在单位进 料量的能耗增加到一定数值后，再继续增加塔内的上升蒸汽，则产品回收率就增 长不多了。应当指出精馏塔的操作情况，必须从整个经济效益来衡量。在精馏操 作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量是必要条 件，在质量指标一定的条件下应在控制过程中使产品的产量尽可能提高一些，同 时能量消耗尽可能低一些。
4．约束条件 为保证正常操作，需规定某些参数的极限值，并作为约束条件。塔内气体的 流速过低时，对于某些筛板精馏塔会产生漏液现象，从而影响操作降低塔板效率； 而流速过高易产生液泛，将完全破坏塔的操作。由于塔板上液层增高，气相通过 液层的阻力增大，因而可用测量差压的方法检测塔的液泛现象。当压差过高时， 则通过差压控制系统减小气体流速。每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限 制，超过这个压力，塔的安全就没有保障。为精馏过程提供能量的再沸器和冷凝 器，也都存在一定限制。再沸器的加热，受塔压和再沸器中液相介质最大汽化率 的影响；同时再沸器两侧间的温差不能超过其临界温差，否则会导致给热系数下 降，传热量降低。对冷凝器冷却能力影响最大的是冷却介质的温度。而在介质条 件不变时，又与塔的操作压力有关；同时馏出产品组份的变化也将影响到冷凝器 的冷却能力限制。在确定精馏塔的控制方案时，必须考虑到上述的约束条件，以 使精馏塔工作于正常操作区内。 二、精馏塔的干扰因素 和其他化工过程一样，精馏是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行 的。一切因素均通过物料平衡和能量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的因 素包括进料量和进料成分的变化，顶部馏出物及底部出料的变化。影响能量平衡 的因素主要是进料温度或热焓的变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化，此 外还有塔的环境温度等变化。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。 要了解这些因素是如何影响精馏塔操作的，首先必须分析它的静态规律，即研究 其静态特性。从而分析上述因素对精馏塔的动态影响。
定的塔来讲，V 与 F 之比与塔的分离度 S 有关。即 V／F 一定时意味着塔分离度
也一定。
综上V／F 和
D／F 一定（或者在 F 一定时保持 D 和 V 一定），这个塔的分离结果也就是产品
成分 y 和 x 将被完全确定。而当进料成分变化时，为了保持产品成分不变，可以
2．产品产量指标
在达到一定质量指标要求的前提下，应得到尽可能高的产量，从而使产品的
回收率提高。这对于提高经济效益显然是有利的。
产品的回收率定义为产品量与进料中该产品组分的量之比。即：
Ri=P/Fzi
（8）
生产效益除了产品纯度与产品回收率之间的关系，还必须考虑能量消耗因
素。由精馏原理可知，用精馏搭进行混合物的分离是要消耗一定能量的；要使分
塔底的产品均保证一定的纯度要求。如果产品质量不合格，它的价值就将远远低
于合格产品。但决不是说质量越高越好。由于质量超过规定，产品的价值并不因
此而增加；而产品产量却可能下降，同时操作成本主要是能量消耗会增加很多。
因此，总的价值反倒下降了。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应同
时考虑产品的产量和能量消耗。
（4）再沸器加热剂热量的变化 当加热剂是蒸汽时，加入热量的变化往往是由蒸汽压力的变化引起的。可以 通过蒸汽总管设置压力控制系统来加以克服，或者在串级控制系统的副回路中予 以克服。 （5）冷却剂入口温度及阀前压力的变化 冷却剂量的变化会影响到回流量或回流温度，它的变化主要是由于冷却剂的 压力或温度变化引起的。对于这类干扰，以阀前压力波动影响较大，控制中用压 力控制系统加以克服。 （6）环境温度的变化 精馏塔操作的环境温度的变化一般不大，但在采用风冷器作冷凝器时，则天 气骤变与昼夜温差，对塔的操作影响较大，它会使回流量或回流温度变化。为此， 应采用内回流控制的方法予以克服。内回流通常是指精馏塔的精馏段内上一层塔 盘向下一层塔盘流下的液体量，一般要控制内回流为恒定量或按某一规律变化的 操作。 由上述分析可以看出，进料流量和进料成分的波动是精馏塔操作的主要干 扰，这个干扰往往不可控。 三、精馏塔的控制方案 在了解了精馏塔的操作要求和影响因素之后，余下的问题就是如何确定精馏 塔的控制方案。首先简述设置精馏塔控制方案的基本观点。为简化讨论，只谈及 顶部和底部产品均为液相的且没有侧线采出的情况。由于精馏塔的控制方案繁 多，只按这些基本观点选择具有代表性的、常见的控制方案作出介绍。 1．设置精馏塔控制方案的基本观点 （1）按物料及能量平衡关系进行控制 对于一个实际操作的二元精馏塔，在进料成分一定时，只要把 D／F 和 V／F 调节一定；且顶部回流罐液位调节以保证回流按照 L=Vr－D 的关系保持一定；底 部产品流量 B 在液位调节作用下也可以保证 B=F-D 的物料平衡关系，那么该塔的 产品质量就能得到控制。需指出，由于能量关系因素 V 主要取决于再沸器加热量， 但也取决于进料和回流的热焓。当回流温度恒定时，只须考虑进料设置温度或热 焓自动调节系统。于是可保持再沸器的蒸汽量一定，就相当于塔内上升蒸汽量 V