第七章 精馏塔的控制

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％


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
xD
D
Z F xB xB
F

xD xB
或
F B xD Z F xB xD xD Z F B F xD xB
（7-4）
表明：xD与xB之间的关系受F/D（或F/B）、ZF的影响。 进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分组成关系一定。 xD↑则xB↓，反之， xB ↑， xD ↓。 例： ZF=0.5 要求xD＝0.95, xB=0.05
D 0.5 0.05 0.50 F 0.95 0.05
ZF变到0.4 时
F xD Z F 0 0.8 D
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：
Ln1 Ln Vn1 Vn
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
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
2 、分离度
不是全回流的一般操作条件下，定义分离度：
X D (1 X B ) S X B (1 X D )
(7-15)
sxB xD 1 xB ( s 1) xD xB xD s(1 xD )
S f , n,V / F , zF , E, nF
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
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
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）
3、约束条件
液泛限：气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中， 称为“雾沫夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板 倒流到上层塔板，称为液泛。气相速度的上限称为液泛限。 （另外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛） 漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相 速度的下限称为漏液限。 压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气 液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。 临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温 差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧 下降，不能保证正常传热。
VR y j 1 LR x j DxD
VS yK LS xK 1 BxB
当相交时，两式的变量相同，则
q zF y x q 1 q 1
q一定时，是直线，经过对角线上的 q 斜率为
( zF , zF )
q 1
q线方程的作用 简化了提馏段操作线的绘制 q值的不同并不改变精馏段操作线，而只改变提馏段 操作线的位置，q越小，提馏段操作线越靠近平衡线， 所需理论板数越多
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 FZF DxD BxB
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）
提馏段任一塔板： V
LS B xK 1 xB S y K LS xK 1 BxB y K 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, xB ) 经过点 ( xB , xB )和点 Vs
（4）进料热状态的影响和q线方程
加料板物料平衡： 加料板热量平衡：
n-1 n
n+1
（1）进料板物料平衡
提馏段各板：
V Vs , L LS
VR
R R
精馏段在回流液的温度为沸点的情况下 各板： V V , L L 从而进料板物料平衡：
↓LS ↑VS
F↓ ↓LR ↑VR
↑ VR y j+1
↓
F LR Vs VR LS
进料为液相，且为泡点，则：
二、能量平衡关系
1、芬斯克(Fenske)方程
全回流时，由各塔板气液平衡关系可以推导出塔顶、塔底产品组成服 从Fenske方程
X D (1 X B ) n X B (1 X D )
n — 理论塔板数 α — 平均相对挥发度，与温度、压力有关 挥发度：气相中分压与其平衡的液相中的摩尔分率之比，理想溶液中 各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压。 PA P YA YA V XA XA XA A PB P YB YB VB XB XB 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）， 则 和 xB xD 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 xB 、 xD 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。
j LR x j
D，XD
F，ZF 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
VR Vs F , LR LS
物料平衡示意图
其它情况下的进料较为复杂，
VR Vs 1 q F LS LR qF
LR 定义回流比： R D
，则：
LR LR R VR LR D R 1
可通过回流比R和再沸器蒸汽量V→内部物料平衡→yj+1 回流比R↑，y~x斜率↑ 全回流（R=∞，D=0）时， yj+1 =xj为对角线
（3）提镏段物料平衡
再沸器物料平衡：
B LS VS
提馏段操作 线方程

加料板Ns,易挥发组分的物料衡算式
M Ns

dx Ns LR x Ns 1 Ls x Ns Vy Ns 1 Vy Ns Fx F dt
yn K n xn C
2、各部分的动态物料平衡式

冷凝器及回流罐－总物料平衡
dM D V LR D dt
冷凝器及回流罐－易挥发组分物料平衡
d ( M D xD ) Vy1 ( LR D) xD dt

精馏段第n板
dxn Mn LR xn 1 LR xn Vy n 1 Vy n dt
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
变化不大
z F 对S的影响比 V 小的多 进料组分
从而有：
S f V / F
F
（7-19）
上式可近似为：
V ln s F
（7-20）
即：
xD (1 xB ) V ln (7 21) F xB (1 xD )
（7-21）
三、分析：
F D Z F xB xD Z F xB xB D F xD xB
q：进料中的液体分率
将1mol进料变为饱和蒸汽所需 的热量 q 进料的摩尔汽化潜热
（2）精馏段的物料平衡
对于冷凝器： D VR LR
任意塔板j：
VR y j 1 LR x j DxD
精馏段操 作线方程
LR D R xD y j 1 x j xD xj VR VR R 1 R 1
F LR Vs VR 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 Ls L R H h F
H hF Ls L R q H h F
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





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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
4、节能与经济性
回收率：
Ri 组分i的产品流量 100 ％ 进料中组分i的流量
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。
令：
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,
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：