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。
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 z f =D x D +B x B (12-2)
联立（12-1）、（12-2）可得：
（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：
回流泵 冷凝器
气液分离器 精馏塔 进料 再沸器 釜液 馏出液
冷剂 热剂 B,x B
D,x D F,z F
L
L B L D V B D f D B B f D x x x z F D x x z D F x --=
+-=)((12-3) )
1()1(D B B D
x x x x s --=(12-5)
可见，随着s 的增大，x D 也增大，x B 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： 式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示： 或可表示为：
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x D 增加， x B 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
x D 和x B 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z f 、进料温度T f 或热焓F E 。 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
)(F
V f s =(12-6) s F
V ln β=)
1()1(ln D B B D
x x x x F V --=β(12-7) (12-8)
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。
精馏段温度控制
TC LC FC
LC FC F B D V Q
L TC
LC
LC FC FC F
B
D
V
Q
L
提馏段温度控制
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：
校正后的温度值应为
TC LC
FC
LC
FC F
B
D
V
Q
L
K
p T =∆∆(12-11) )(0p p K p K T -=∆=∆校正))(00Kp Kp T p p K T T T z +-=--=∆-=校正(12-12) (12-13) PT
TT
Σ p T T Kp Kp o z
