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％
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）
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：
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
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
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
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。
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。

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


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
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
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
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
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
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
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）
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
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：
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







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