精馏塔控制系统
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114 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 BDF （6.2-1）
轻组分平衡 BDfxBxDzF （6.2-2）
由式（6.2-1）和（6.2-2）联立可得：
BBfDxxzDFx)(
或
BDfDxxzxFD （6.2-3）
式中 F、D、B——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；
fz、Dx、Bx——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：
BDfDxxzxFB （6.2-4）
从上述关系可看出：当FD增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即Dx、Bx下降。而当FB增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即Dx、Bx上升。
然而，在FD（或FB）一定，且fz一定的条件下并不能完全确定Dx、Bx的数值，只能确定Dx与Bx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Dx与Bx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(DBBDxxxxs （6.2-5）
从式（6.2-5）可见：随着分离度s的增大，而Bx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：
)(FVfs （6.2-6）
式（6.2-6）的函数关系也可用一近似式表示：
FVIns （6.2-7）
或可表示为：
FVIn)1()1(DBBDxxxx （6.2-8）
式中为塔的特性因子。
由式（6.2-7）、（6.2-8）可以看出，随着FV增加，s值提高。也就是Dx增加，Bx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：FV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FD/和FV一定，这个它的分离结果，即Dx与Bx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。 117 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比DLR一定，就确定了分离结果是一致的。
精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。
6.2.2 精馏塔的动态特性
1．动态方程的建立
精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。以图6.2-1所示二元精馏塔第j块塔板为例说明如何建立单板动态方程。
总物料平衡：
dtdMVVLLjjjjj11 （6.2-9）
轻组分平衡：
dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj][1111（6.2-10）
式中:L表示回流量，下标指回流液来自哪块板；V表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；M指液相的蓄存量；yx、分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。
由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。
2. 动态影响分析
通过上面的讨论，可知精馏塔动态方程的建立是复杂的，尤其建立一个精确而又实用的动态方程更是具有一定的难度。因此从定性的角度来分析精馏塔的动态影响，对合理设计控制方案有积极的指导意义。
1） 上升蒸汽和回流的影响
在精馏塔内，由于上升蒸汽只需克服塔板上极薄覆盖的液相阻力，因此上升蒸汽量的变化几秒钟内就可影响到塔顶，也就是说上升蒸汽流量变化的影响是相当快的。
然而由塔板下流的液相有相当大的滞后。当回流量增加时，必须先使积存在塔板上的液相蓄存量增加，然后在这增加的液体静压柱的作用下，才使离开塔板的液相速度增加，所以对回流量变化的响应存在着滞后。
由此可得出这样的结论：要使塔上的任何一处（除塔顶塔板外）的气液比发生变化，用再沸器的加热量作为控制手段，要比回流量的响应快。
2） 组分滞后的影响
V和L的变化，引起Dx和Bx的变化，都是通过每块塔板上组分之间的平衡施加影响的结果。由于组分要达到静态平衡需要一定的时间，所以尽管V的变化可较快影响到塔顶，但要使塔顶组分浓度Dx变化达到一个新的平衡仍要经过不少的时间。同样D的变化也是一样。且需花费更多的时间。 118 组分滞后的影响是由于塔板上的组分要等到影响组分的液相或气相流量稳定较长时间后才能建立平衡。随着塔板上液相蓄存量的增加，组分滞后增加。因此塔板数的增加及回流比的增加，均会造成塔板上液相蓄存量的增加，从而导致组分的滞后也增加。当再沸器加热量Q的增加而引起V的增加，通过改善气、液接触，可以减少组分的滞后。
3） 回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响
由物料平衡关系可知：在F一定的情况下，改变D和B均能引起Dx和Bx的变化。实际上D的变化是通过L的变化（在回流罐液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量Dx和Bx。然而，回流罐有一定的蓄液量，从D变化到L的变化会产生滞后。同样B的变化也是通过V的变化（在塔釜液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量Dx和Bx。塔釜的蓄液量也会使B的变化到V的变化产生滞后，通常塔釜截面积要比回流罐小得多，所以，由于塔釜蓄液量引起的滞后要比回流罐的蓄液量引起的滞后小。
