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。

LB 再沸器 釜液 B,xB 进料 F,zF 精馏塔 冷剂 冷凝器 L LD 气液分离器 回流泵 馏出液 D,xD

V 热剂

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 zf=D xD+B xB(12-2) 联立（12-1）、（12-2）可得：

F xD?(zf?xB)?xBD

zD?xfD ?FxD?xB

（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：

x(1?xB)s?D(12-5) xB(1?xD)104

(12-3)

可见，随着s的增大，xD也增大，xB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：

s?f(VF)(12-6) (12-7) (12-8)

式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示： V??lns F或可表示为：

VF??lnxD(1?xB)xB(1?xD)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xD增加，xB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

xD和xB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zf、进料温度Tf或热焓FE。 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

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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。

B V LC F TC Q FC L D FC LC B 精馏段温度控制 F TC L FC LC D V LC FC Q 提馏段温度控制 106

B 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：

?T

?K(12-12) ?p

?T校正?K?p?K(p?p0)LC L D FC F TC V LC FC Q (12-11) (12-13)

Kpo 校正后的温度值应为

z?T??T校正?T?K(p?p0)?T?Kp?Kp0)p T PT TT Kp T Σ z 107