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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。 冷剂 冷凝器

L LD 气液分离器 回流泵 馏出液 V 热剂 LB 再沸器 釜液 B,xB D,xD



进料 F,zF

馏 塔

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: 、

xD ?

D ? F xD ? xB

F ( z f ? xB ) ? xB D zD ? x f

(12-3)

(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:

s?

xD (1 ? xB ) xB (1 ? xD )
104

(12-5)

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:

V s? f( ) F
式(12-6)的函数关系也可用一近似式表示:

(12-6) (12-7) (12-8)

或可表示为:

V ? ? ln s F V x (1 ? xB ) ? ? ln D F 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

105

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。

TC L

LC D

FC F

V LC

FC Q

B 精馏段温度控制

FC L

LC D

FC F

V LC

TC Q

B

提馏段温度控制

106

LC L D FC F TC V LC

FC Q

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Δ p 引起沸点变化为Δ T,在小范围内,此关系近似为线性关系:

?T ?K ?p

(12-12) (12-11) (12-13)

?T校正 ? K?p ? K ( p ? p0 )
校正后的温度值应为

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

Σ

z

107

这种直接压力补偿只适用于压力Δ p 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。 塔顶产品纯度不变 64 Mpa 塔 板 序 号 52 ⅠⅡⅢ 60 65 70 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 M1,在 M1 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。 ΔT M1 75 80℃ Ⅰ Ⅱ Ⅲ ℃ 1.126 2.8 1.155 2.8 1.1902.8

x (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。

108

T1dT
精 馏 塔

ΔT ΔT

2

M2 M1

TddT

T2dT x

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 FC L D FC F FC Q LC
109

LC

V

B

图 12-10

固定回流量 L 和加热蒸汽量 Q(V)

LC L FC F FC D

V LC

FC Q

B 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 LD、塔釜液位 LB。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。

LC L FC TC F D

V LC

FC Q

B

110

表 12-1 中的方案 1——精馏段温度控制 固定加热蒸汽量

TC L

LC D

FC F

V LC

FC Q

B 表 12-1 中的方案 2——精馏段温度控制 固定加热蒸汽量

FC L

LC D

FC F

V LC

TC Q

B

表 12-1 中的方案 3——提馏段温度控制 固定回流量

111

FC L

LC D

FC F

V TC Q

B LC 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 TC FC

LC

TC

FC

LC

精馏段温度串级控制 提馏段温度串级控制
(2)均匀控制系统 (3)比值控制系统 (4)前馈控制系统

112

FY

FC

LC

精馏塔中的前馈控制 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。此外还有其它一些的复杂控制系统,诸如内回流控制、热焓控制等。 五、精馏塔塔压的控制 (1)常压塔 (2)加压塔 ①气相采出 PC

精馏段气相出料压力控制

②液相出料 a) 液相出料馏出物中含有微量不凝物 PC

PC

PC

113

b)液相出料馏出物中含有大量不凝物 PC

PC

PC

c)液相出料馏出物中含有微量不凝物 (3) 减压塔 PC PC

抽真空

精馏塔真空度控制 抽气管路上节流控制

精馏塔真空度控制 控制旁路吸入气量

12.5 精馏塔的新型控制方案 随着控制技术的不断发展,新型控制方案、控制算法不断出现,自动化控制技术工具 也有了飞速的发展, 尤其是计算机在工业过程中的应用愈益广泛, 使得在静馏过程的控制中 新的控制方案层出不穷,控制系统的品质指标越来越高,保证塔的平稳操作,以及满足工艺 提出的各种新要求。 一、内回流、热焓控制 TC1 二、解耦控制

TC2

114

R1(S)

GC1(S)

P1(S)

G11(S) G12(S)

Y1(S)

R2(S)

GC2(S)

P2(S) G22(S)

G21(S) Y2(S)

R1(S)

GC1(S)

P1(S) F21(S) F12(S)

G11(S) G21(S) G12(S) G22(S) Y1(S)

Y2(S)

R2(S)

GC2(S)

P2(S)

三、推断控制四、精馏塔的节能控制 精馏塔的节能控制, 首要的是把过于保守的过分离操作, 转变为严格控制产品质量的“卡边” 生产,但这必须有合适的自控方案来保证塔的抗干扰能力,稳定塔的正常操作。同时,也可 对工艺进行必要的改进,配置相应的控制系统,充分利用精馏操作中的能量,降低能耗。 (1) 浮动塔压控制方案 ①塔压浮动的目的 所谓塔压浮动,即在可能的条件下,把塔压尽量降低,有利于能量节省。具体地说,塔 压下降,从两个方面分析可以降低能耗。 a)降低操作压力,将增加组分间的相对挥发度,这样组分分离容易,使再沸器的加热量下 降,节省能量。 b)降低操作压力,使整个精馏系统的汽液平衡温度下降,提高了再沸器两侧传热温差,再 沸器在消耗同样热剂的情况下,加热能力增大了。 ②塔压浮动的条件 a.质量指标的选取必须适应塔压浮动的需要。 b.塔压降低的限度受冷凝器最大冷却能力的制约。 c.塔压浮动而不能出现突变。 ③塔压浮动控制的实施

阀位极限值 PC VPC
115

PC

恒压塔的控制方案 浮动塔压的控制方案 (3) 从化学热力学观点选取节能方案

T1C

VPC

T2C 燃料油

LC

节能的提馏段温度控制

116


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