《精餾塔的控制 》PPT課件.ppt

第四部分 精餾塔的控制,4.1 概述 4.2 精餾塔被控變量的選擇 4.3 精餾塔的整體控制方案 4.4 精餾塔的新型控制方案,4.1 概述,精餾是石油、化工等眾多生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用的一種傳質(zhì)過(guò)程，通過(guò)精餾過(guò)程，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度。 分離的機(jī)理是利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同），使液相中的輕組分（低沸點(diǎn)）和汽相中的重組分（高沸點(diǎn)）相互轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。 精餾裝置由精餾塔、再沸器、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。,精餾塔的特點(diǎn),精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過(guò)程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩、變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對(duì)控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題。而且從能耗的角度，精餾塔是三傳一反典型單元操作中能耗最大的設(shè)備。,一、精餾塔的基本關(guān)系,（1）物料平衡關(guān)系,總物料平衡：F=D+B 輕組分平衡：F zf=D xD+B xB,(4-1) (4-2),聯(lián)立（4-1）、（4-2）可得：,(4-3),（2）能量平衡關(guān)系 在建立能量平衡關(guān)系時(shí)，首先要了解分離度的概念。所謂分離度s可用下式表示：,可見(jiàn)，隨著s的增大，xD也增大，xB而減小，說(shuō)明塔系統(tǒng)的分離效果增大。,影響分離度s的因素很多，如平均相對(duì)揮發(fā)度、理論塔板數(shù)、塔板效率、進(jìn)料組分、進(jìn)料板位置，以及塔內(nèi)上升蒸汽量V和進(jìn)料F的比值等。,(4-5),對(duì)于一個(gè)既定的塔來(lái)說(shuō)：,(4-6),式（4-6）的函數(shù)關(guān)系也可用一近似式表示：,或可表示為：,(4-8),(4-7),式中為塔的特性因子,(4-8),由上式可以看到，隨著V/F的增加，s值提高，也就是xD增加， xB下降，分離效果提高了。,由于V是由再沸器施加熱量來(lái)提高的，所以該式實(shí)際是表示塔的能量對(duì)產(chǎn)品成分的影響，故稱為能量平衡關(guān)系式。由上分析可見(jiàn)， V/F的增加，塔的分離效果提高，能耗也將增加。,對(duì)于一個(gè)既定的塔，進(jìn)料組分一定，只要D/F和V/F一定，這個(gè)塔的分離結(jié)果，即xD和xB將被完全確定。也就是說(shuō)，由一個(gè)塔的物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個(gè)方程式，可以確定塔頂與塔底組分待定因素。 上述結(jié)論與一般工藝書(shū)中所說(shuō)保持回流比一定，就確定了分離結(jié)果是一致的。,二、精餾塔的控制要求,精餾塔的控制目標(biāo)是，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤(rùn)）最大或總成本最小。具體對(duì)一個(gè)精餾塔來(lái)說(shuō)，需從四個(gè)方面考慮，設(shè)置必要的控制系統(tǒng)。 （1）產(chǎn)品質(zhì)量控制； （2）物料平衡控制； （3）能量平衡控制； （4）約束條件控制（液泛限、漏液限、壓力限、臨界溫差限等）。 防止液泛和漏液，可以用塔壓降或壓差來(lái)監(jiān)視氣相速度。,三、精餾塔的主要干擾因素,精餾塔的主要干擾因素為進(jìn)料狀態(tài)，即進(jìn)料流量F、進(jìn)料組分zf、進(jìn)料溫度Tf或熱焓FE。 此外，冷劑與熱劑的壓力和溫度及環(huán)境溫度等因素，也會(huì)影響精餾塔的平衡操作。 所以，在精餾塔的整體方案確定時(shí)，如果工藝允許，能把精餾塔進(jìn)料量、進(jìn)料溫度或熱焓加以定值控制，對(duì)精餾塔的操作平穩(wěn)是極為有利的。,4.2 精餾塔被控變量的選擇,通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。 一、采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標(biāo),成分分析儀表的制約因素： 分析儀表的可靠性差； 分析測(cè)量過(guò)程滯后大，反應(yīng)緩慢； 成分分析針對(duì)不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿足。,二、采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo),溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見(jiàn)的一種。 對(duì)于一個(gè)二元組分精餾塔來(lái)說(shuō)，在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成分有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。 對(duì)于多元精餾過(guò)程來(lái)說(shuō)，情況較復(fù)雜。然而在煉油和石化生產(chǎn)中，許多產(chǎn)品都是由一系列的碳?xì)浠衔锏耐滴锼M成，此時(shí)，在一定的壓力下，溫度與成分之間也有近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即壓力一定時(shí)，保持一定的溫度，成分的誤差可忽略不計(jì)。在其余情況下，溫度參數(shù)也有可能在一定程度上反映成分的變化。,（1）溫度點(diǎn)的位置 若希望保持塔頂產(chǎn)品質(zhì)量符合要求時(shí)，即頂部餾出液為主要產(chǎn)品，應(yīng)把間接反映質(zhì)量的溫度檢測(cè)點(diǎn)放在塔頂，構(gòu)成所謂的精餾段溫控系統(tǒng)； 同樣，為了保證塔底產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，溫度檢測(cè)點(diǎn)則應(yīng)放在塔底，實(shí)施提餾段溫控系統(tǒng)。 具有粗餾作用的切割塔，此時(shí)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)視要求產(chǎn)品的純度的嚴(yán)格程度而定。 中溫控制：把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板附近的塔板上。目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作線的移動(dòng)情況，兼顧塔頂和塔底組分變化。,精餾段溫度控制,提餾段溫度控制,切割塔的溫度控制,（2）靈敏板問(wèn)題 采用塔頂（或塔底）溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，實(shí)際上把溫度檢測(cè)放置在塔頂（或塔底）是極為少數(shù)的。而是把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板與塔頂（底）之間的靈敏板上。 所謂靈敏板，是當(dāng)塔受到干擾或控制作用時(shí)，塔內(nèi)各板的組分都將發(fā)生變化，隨之各塔板的溫度也將發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度變化最大的那塊塔板即為靈敏板。 靈敏板的位置先根據(jù)測(cè)算，確定大致位置，然后在它的附近設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從中選擇最佳的測(cè)量點(diǎn)作為靈敏板。,三、用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟葏?shù)作為間接指標(biāo),用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)有一個(gè)前提塔內(nèi)壓力恒定。雖然精餾塔的塔壓一般有控制，但對(duì)精密精餾等控制要求較高的場(chǎng)合，微小的壓力變化，將影響溫度與組分間的關(guān)系，造成質(zhì)量控制難以滿足工藝的要求，為此需對(duì)壓力的波動(dòng)加以補(bǔ)償。 （1）直接壓力補(bǔ)償 壓力的變化p引起沸點(diǎn)變化為T(mén)，在小范圍內(nèi)，此關(guān)系近似為線性關(guān)系：,(4-11),(4-12),校正后的溫度值應(yīng)為：,(4-13),這種直接壓力補(bǔ)償只適用于壓力p在小范圍內(nèi)波動(dòng)。,（2）溫差控制,在精密精餾等對(duì)產(chǎn)品純度要求較高的場(chǎng)合，考慮壓力波動(dòng)對(duì)間接指標(biāo)的影響，可采用溫差控制。,壓力變化與各板溫度分布,選擇溫差作為被控變量時(shí)，需要注意溫差給定值合理（不能過(guò)大），以及操作工況穩(wěn)定。 溫差與產(chǎn)品純度并非是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線有最高點(diǎn)M1，在M1點(diǎn)的兩側(cè)，溫差與濃度之間的關(guān)系是反向的，所以溫差選得過(guò)大，或操作不平穩(wěn)，均能引起溫差失控的現(xiàn)象。,溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置，對(duì)于塔頂餾出液為主要產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)放在塔頂（或稍下一些），即溫度變化較小的位置；而另一點(diǎn)放在靈敏板附近，即成分和溫度變化較大、較靈敏的位置上。,（3）雙溫差控制,為了克服溫差控制中的不足，提出了雙溫差控制，即分別在精餾段和提餾段上選取溫差信號(hào)。然后把兩個(gè)溫差信號(hào)相減，以這個(gè)溫差的差作為間接質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制。,采用雙溫差控制后，若由于進(jìn)料流量波動(dòng)引起塔壓變化對(duì)溫差的影響，在塔的上、下段同時(shí)出現(xiàn)，因而上段溫差減去下段溫差的差值就消除了壓降變化的影響。從國(guó)內(nèi)外應(yīng)用雙溫差控制的許多裝置來(lái)看，在進(jìn)料流量波動(dòng)影響下，仍能得到較好的控制效果。,溫差控制受兩個(gè)因素的影響：一是進(jìn)料組分的波動(dòng)，另一個(gè)是因負(fù)荷變化而引起塔板的壓降變化。前者若使溫差減少，則后者當(dāng)壓降增大時(shí)，溫差反而增加，所以是有矛盾的，在這種情況下就難以控制。,4.3 精餾塔的整體控制方案,精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量、分布參數(shù)、非線性的被控過(guò)程，可供選擇的被控變量和操縱變量眾多，所以精餾塔的控制方案有很多，而且很難簡(jiǎn)單判斷哪個(gè)方案是最佳。 欣斯基(Shinskey)做了大量的研究，提出了精餾塔控制中變量配對(duì)的三條準(zhǔn)則： (1)當(dāng)僅需要控制塔的一端產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用物料平衡方式來(lái)控制該產(chǎn)品的質(zhì)量 (2)塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)作為操縱變量去控制塔的質(zhì)量。,(3)當(dāng)塔的兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時(shí)，一般對(duì)含純產(chǎn)品較少，雜質(zhì)較多的一端的質(zhì)量控制選用物料平衡控制，而含純產(chǎn)品較多，雜質(zhì)較少的一端的質(zhì)量控制選用能量平衡控制。 當(dāng)選用塔頂部產(chǎn)品餾出物流量D或塔底采出液量B來(lái)作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱為物料平衡控制； 而當(dāng)選用塔頂部回流L或再沸器加熱量Q（V）來(lái)作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱為能量平衡控制。 欣斯基提出的三條準(zhǔn)則對(duì)于精餾塔控制方案設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。,一、傳統(tǒng)的物料平衡控制,固定回流量L和加熱蒸汽量Q（V）,固定餾出液流量D和加熱蒸汽量Q（V）,控制方案的主要特點(diǎn)是無(wú)質(zhì)量反饋控制，它們屬于產(chǎn)品質(zhì)量開(kāi)環(huán)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關(guān)系進(jìn)行控制。 它適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求不高以及擾動(dòng)不多的場(chǎng)合。 該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但適應(yīng)性不高，目前應(yīng)用不多。,二、質(zhì)量指標(biāo)反饋控制,一般說(shuō)來(lái)，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)只設(shè)定一個(gè)，分別稱為精餾段控制和提餾段控制。 能量平衡控制的操縱變量為L(zhǎng)或Q（V）； 物料平衡控制的操縱變量為D或B。 被控變量除了質(zhì)量指標(biāo)外，尚有回流罐液位LD、塔釜液位LB。 四個(gè)操縱變量與三個(gè)被控變量進(jìn)行配對(duì)，將富裕出一個(gè)操縱變量，這個(gè)操縱變量往往采用本身流量恒定。 它們經(jīng)配對(duì)后，較為常用的基本方案有四種。,方案1精餾段溫度控制 固定加熱蒸汽量,方案2精餾段溫度控制 固定加熱蒸汽量,方案3提餾段溫度控制 固定回流量,方案4 提餾段溫度控制 固定回流量,三、串級(jí)、前饋等控制系統(tǒng)在精餾塔中的應(yīng)用,1.串級(jí)控制系統(tǒng),2. 前饋控制系統(tǒng),在精餾操作中，除了上述控制系統(tǒng)外，選擇性控制也常用于約束條件的控制，以及完成自動(dòng)開(kāi)停車。此外還有其它一些的復(fù)雜控制系統(tǒng)，諸如內(nèi)回流控制、熱焓控制等。,四、精餾塔塔壓的控制,（1）常壓塔 （2）加壓塔 氣相采出,精餾段氣相出料壓力控制,液相出料,(a),(b),(c),a)液相出料 餾出物中含有微量不凝物,b)液相出料 餾出物中含有大量不凝物,c)液相出料 餾出物中含有微量不凝物,(3) 減壓塔,抽真空,精餾塔真空度控制 抽氣管路上節(jié)流控制,精餾塔真空度控制 控制旁路吸入氣量,空氣 惰性氣體,4.4 精餾塔的新型控制方案,隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，新型控制方案、控制算法不斷出現(xiàn)，自動(dòng)化控制技術(shù)工具也有了飛速的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用愈益廣泛，使得在靜餾過(guò)程的控制中新的控制方案層出不窮，控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)越來(lái)越高，保證塔的平穩(wěn)操作，以及滿足工藝提出的各種新要求。,一、內(nèi)回流、熱焓控制,二、解耦控制,三、推斷控制,四、精餾塔的節(jié)能控制 精餾塔的節(jié)能控制，首要的是把過(guò)于保守的過(guò)分離操作，轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”生產(chǎn)，但這必須有合適的自控方案來(lái)保證塔的抗干擾能力，穩(wěn)定塔的正常操作。同時(shí)，也可對(duì)工藝進(jìn)行必要的改進(jìn)，配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)，充分利用精餾操作中的能量，降低能耗。,（1）浮動(dòng)塔壓控制方案,塔壓浮動(dòng)的目的 所謂塔壓浮動(dòng)，即在可能的條件下，把塔壓盡量降低，有利于能量節(jié)省。具體地說(shuō)，塔壓下降，從兩個(gè)方面分析可以降低能耗。 a）降低操作壓力，