精餾塔控制系統(tǒng)

1、第6章 精餾塔控制系統(tǒng)6.1 概述精餾是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過程。精餾的目的是利用混合液中各組分具有不同揮發(fā)度，將各組分分離并達(dá)到規(guī)定的純度要求。精餾過程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，即同一溫度下各組分的蒸汽分壓不同，使液相中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相，實(shí)現(xiàn)組分的分離。輕組分的轉(zhuǎn)移提供能量；冷凝器將塔頂來的上升蒸汽冷凝為液相，并提供精餾所需的回流。精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。表現(xiàn)為：過程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過程動態(tài)和機(jī)理復(fù)雜。因此，熟悉工藝過程和內(nèi)在特性，對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要。6.1.1 精餾塔的控制要求

2、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，使塔的回收率最高、能耗最低，即使總收益最大，成本最小。精餾過程是在一定約束條件下進(jìn)行的。因此，精餾塔的控制要求可從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量、能量消耗和約束條件四方面考慮。1 質(zhì)量指標(biāo)精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂或塔底產(chǎn)品的純度。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定范圍內(nèi)。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來說，其質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂產(chǎn)品中輕組分含量和塔底產(chǎn)品中重組分含量。對于多元精餾而言，則以關(guān)鍵組分的含量來表示。關(guān)鍵組分是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分，塔頂產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是易揮發(fā)的，稱為輕關(guān)鍵組分；塔底產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是

3、不易揮發(fā)的，稱為重關(guān)鍵組分。產(chǎn)品組分含量并非越純越好，原因是，純度越高，對控制系統(tǒng)的偏離度要求就越高，操作成本的提高和產(chǎn)品的價(jià)格并不成比例增加，因此純度要求應(yīng)與使 圖6.1-1 精餾塔示意圖用要求適應(yīng)。 2物料平衡控制 進(jìn)出物料平衡，即塔頂、塔底采出量應(yīng)和進(jìn)料量相平衡，維持塔的正常平穩(wěn)操作，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）與塔釜液位一定（介于規(guī)定的上、下限之間）為目標(biāo)的。3能量平衡和經(jīng)濟(jì)平衡性指標(biāo)要保證精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量的同時，考慮降低能量的消耗，使能量平衡，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性。4約束條件精餾過程是復(fù)雜傳質(zhì)傳熱過程。為了滿足穩(wěn)定和安全操作的要求，對精餾塔操作參數(shù)有

4、一定的約束條件。氣相速度限：精餾塔上升蒸汽速度的最大限。當(dāng)上升速度過高時，造成霧沫帶，塔板上的液體不能向下流，下層塔板的氣相組分倒流到上層塔板，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。最小氣相速度限：指精餾塔上升蒸汽速度的最小限值。當(dāng)上升蒸汽速度過低時，上升蒸汽不能托起上層的液相，造成漏夜，使板效率下降，精餾操作不能正常進(jìn)行。操作壓力限：每一個精餾塔都存在最大操作壓力限制。臨界溫度限：保證精餾塔的正常傳熱需要、保證合適的回流溫度，使精餾塔能夠正常操作。6.1.2 精餾塔的擾動分析影響物料平衡的因素包括進(jìn)料量和進(jìn)料成分的變化、塔頂餾出物及底部出料量的變化。影響能量平衡的因素主要包括進(jìn)料溫度或釜溫的變化、再沸器加熱量和冷凝

5、器冷卻量的變化及塔的環(huán)境溫度的變化等。擾動有可控的也有不可控的。1 進(jìn)料流量和進(jìn)料成分進(jìn)料流量通常不可控但可測。當(dāng)進(jìn)料流量變化較大時，對精餾塔的操作會造成很大的影響。這時，可將進(jìn)料流量做為前饋信號，引到控制系統(tǒng)中，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。進(jìn)料成分影響物料平衡和能量平衡，但進(jìn)料成分通常不可控，多數(shù)情況下也是難以測量的。2 進(jìn)料溫度和進(jìn)料熱焓值進(jìn)料溫度和熱焓值影響精餾塔的能量平衡?？刂撇呗允遣捎谜羝麎毫Γɑ蛄髁浚┒ㄖ悼刂疲蚋鶕?jù)提餾段產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，組成串級控制。3 再沸器加熱蒸汽壓力再沸器加熱蒸汽壓力影響精餾塔的能量平衡。控制策略是組成塔壓的定值控制，或?qū)⒗鋮s水壓力作為串級控制系統(tǒng)的副被控變量進(jìn)

6、行控制。4冷卻水壓力和溫度冷卻水溫度的變化通常不大，對冷卻水可不進(jìn)行控制。使用風(fēng)冷時控制時策略是根據(jù)塔壓進(jìn)行浮動塔壓控制。5環(huán)境溫度環(huán)境溫度的變化較小，且變化幅度不大，因此，一般不用控制。6.2 精餾塔的特性 精餾塔的精態(tài)特性精餾塔的精態(tài)特性可以通過分析塔的基本關(guān)系來表述，即物料平衡和能量平衡關(guān)系。以圖6.1-1所示的二元簡單精餾過程為例，說明精餾塔的基本關(guān)系。1物料平衡關(guān)系一個精餾塔，進(jìn)料與出料應(yīng)保持物料平衡，即總物料量以及任一組分都符合物料平衡關(guān)系。圖6.1-1所示的精餾過程，其物料平衡關(guān)系為：總物料平衡 （6.2-1）輕組分平衡 （6.2-2）由式（6.2-1）和（6.2-2）聯(lián)立可得：

7、 或 （6.2-3）式中 、分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液流量； 、分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量。同樣也可寫成： （6.2-4）從上述關(guān)系可看出：當(dāng)增加時將引起頂、底餾出液中輕組分含量減少，即、下降。而當(dāng)增加時將引起頂、底餾出液中輕組分含量增加。即、上升。然而，在（或）一定，且一定的條件下并不能完全確定、的數(shù)值，只能確定與之間的比例關(guān)系，也就是一個方程只能確定一個未知數(shù)。要確定與兩個因數(shù)，必須建立另一個關(guān)系式：能量平衡關(guān)系。2能量平衡關(guān)系 在建立能量平衡關(guān)系時，首先要了解一個分離度的概念。所謂分離度可用下式表示： （6.2-5） 從式（6.2-5）可見：隨著分離度的增大，而減小，

8、說明塔系統(tǒng)的分離效果增大。影響分離度的因素很多，諸如平均揮發(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)上升蒸汽量和進(jìn)料量的比值等。對于一個既定的塔來說： （6.2-6）式（6.2-6）的函數(shù)關(guān)系也可用一近似式表示： （6.2-7）或可表示為： （6.2-8）式中為塔的特性因子。 由式（6.2-7）、（6.2-8）可以看出，隨著增加，值提高。也就是增加，下降，分離效果提高了。由于是由再沸器施加熱量來提高的，所以該式實(shí)際是表示塔的能量對產(chǎn)品成分的影響，故稱為能量平衡關(guān)系式。而且由上述分析可見：的增大，塔的分離效果提高，能耗也將增加。對于一個既定的塔，包括進(jìn)料組分一定，只要和一定，這個它

9、的分離結(jié)果，即與將被完成確定。也就是說，由一個塔的物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個方程式，可以確定塔頂和塔底組分兩個待定因數(shù)。上述結(jié)論與一般工藝書中所說保持回流比一定，就確定了分離結(jié)果是一致的。精餾塔的各種擾動因素都是通過物料平衡和能量平衡的形式來影響塔的操作。因此，弄清精餾塔中的物料平衡和能量平衡關(guān)系，為確定合理的控制方案奠定了基礎(chǔ)。 精餾塔的動態(tài)特性1動態(tài)方程的建立精餾塔是一個多變量、時變、非線性對象。對其動態(tài)特性的研究，人們已經(jīng)做了不少工作。要建立整塔的動態(tài)方程，首先要對精餾塔的各部分：精餾段、提留段各塔板，進(jìn)料板，塔頂冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分別建立各自得動態(tài)方程。以圖6.2-1所

10、示二元精餾塔第塊塔板為例說明如何建立單板動態(tài)方程?？偽锪掀胶猓?（6.2-9）輕組分平衡： （6.2-10）式中:表示回流量，下標(biāo)指回流液來自哪塊板；表示上升蒸汽量，下標(biāo)指來自哪一塊板的上升蒸汽；指液相的蓄存量；分別指液相和氣相中輕組分的含量，同樣下標(biāo)指回流液及上升蒸汽來自哪塊塔板。由于各部分的動態(tài)方程?？烧淼玫秸膭討B(tài)方程組。對于整個精餾塔來說是一個多容量的，相互交叉連接的復(fù)雜過程，要整理出整塔的傳遞函數(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的。2. 動態(tài)影響分析通過上面的討論，可知精餾塔動態(tài)方程的建立是復(fù)雜的，尤其建立一個精確而又實(shí)用的動態(tài)方程更是具有一定的難度。因此從定性的角度來分析精餾塔的動態(tài)影響，對合理設(shè)計(jì)

11、控制方案有積極的指導(dǎo)意義。1） 上升蒸汽和回流的影響在精餾塔內(nèi)，由于上升蒸汽只需克服塔板上極薄覆蓋的液相阻力，因此上升蒸汽量的變化幾秒鐘內(nèi)就可影響到塔頂，也就是說上升蒸汽流量變化的影響是相當(dāng)快的。然而由塔板下流的液相有相當(dāng)大的滯后。當(dāng)回流量增加時，必須先使積存在塔板上的液相蓄存量增加，然后在這增加的液體靜壓柱的作用下，才使離開塔板的液相速度增加，所以對回流量變化的響應(yīng)存在著滯后。由此可得出這樣的結(jié)論：要使塔上的任何一處（除塔頂塔板外）的氣液比發(fā)生變化，用再沸器的加熱量作為控制手段，要比回流量的響應(yīng)快。2） 組分滯后的影響和的變化，引起和的變化，都是通過每塊塔板上組分之間的平衡施加影響的結(jié)果。由

12、于組分要達(dá)到靜態(tài)平衡需要一定的時間，所以盡管的變化可較快影響到塔頂，但要使塔頂組分濃度變化達(dá)到一個新的平衡仍要經(jīng)過不少的時間。同樣的變化也是一樣。且需花費(fèi)更多的時間。組分滯后的影響是由于塔板上的組分要等到影響組分的液相或氣相流量穩(wěn)定較長時間后才能建立平衡。隨著塔板上液相蓄存量的增加，組分滯后增加。因此塔板數(shù)的增加及回流比的增加，均會造成塔板上液相蓄存量的增加，從而導(dǎo)致組分的滯后也增加。當(dāng)再沸器加熱量的增加而引起的增加，通過改善氣、液接觸，可以減少組分的滯后。3） 回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滯后影響 由物料平衡關(guān)系可知：在一定的情況下，改變和均能引起和的變化。實(shí)際上的變化是通過的變化（在回流

13、罐液位不變時）才能影響到塔內(nèi)的氣液平衡，從而控制產(chǎn)品的質(zhì)量和。然而，回流罐有一定的蓄液量，從變化到的變化會產(chǎn)生滯后。同樣的變化也是通過的變化（在塔釜液位不變時）才能影響到塔內(nèi)的氣液平衡，從而控制產(chǎn)品的質(zhì)量和。塔釜的蓄液量也會使的變化到的變化產(chǎn)生滯后，通常塔釜截面積要比回流罐小得多，所以，由于塔釜蓄液量引起的滯后要比回流罐的蓄液量引起的滯后小。6.3 精餾塔被控變量的選擇 精餾塔被控變量的選擇，主要是討論質(zhì)量控制中的被控變量的確定，以及檢測點(diǎn)的位置等問題。通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號和間接的溫度信號。 采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)對于二元精餾塔，當(dāng)塔壓恒定時，溫度與成分之間有

14、一一對應(yīng)的關(guān)系，因此，常用溫度作為被控變量。對于多元精餾塔。由于石油化工過程中精餾產(chǎn)品大多數(shù)是碳?xì)浠衔锏耐滴铮谝欢ㄋ合?，溫度與成分之間仍有較好的對應(yīng)關(guān)系，誤差較小。因此，絕大多數(shù)精餾塔仍采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)的前提是塔壓恒定。因此，下述控制方案都認(rèn)為塔壓已經(jīng)采用了定值控制系統(tǒng)。1 精餾段的溫度控制精餾段溫度控制以精餾段產(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標(biāo)，根據(jù)溫度檢測點(diǎn)的位置不同，有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。操縱變量可選擇回流量或塔頂采出量。也可將塔釜采出量作為操縱變量，但應(yīng)用較少。采用塔頂溫度作為被控變量，能夠直接反映產(chǎn)品質(zhì)量，但因鄰近塔頂處塔板之間的

15、溫度差很小，該控制方案對溫度檢測裝置提出較高要求，例如高精確度、高靈敏度等。此外，產(chǎn)品中的雜質(zhì)影響產(chǎn)品的沸點(diǎn)，造成對溫度的擾動，因此，采用塔頂溫度控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案很少采用，主要用于石油產(chǎn)品按沸點(diǎn)的粗級切割餾分處理。采用精餾段靈敏板溫度作為被控變量，能夠快速反映產(chǎn)品成分的變化。靈敏板是在擾動影響下塔板溫度變化最大的塔板。因此，該塔板與上下塔板之間有最大的濃度梯度，具有快速的過程動態(tài)響應(yīng)。圖6.3-1顯示第11塔板是靈敏板，該塔板在擾動正反向變化時具有相接近的較大的增益。靈敏板位置可仿真計(jì)算或?qū)崪y確定，因塔板效率不易準(zhǔn)確估計(jì)，因此，實(shí)際應(yīng)用時，可在計(jì)算的靈敏板上下設(shè)置若干溫度檢測點(diǎn)，根據(jù)

16、實(shí)際運(yùn)行情況選擇。中溫通常指加料板稍上或稍下的塔板，或加料板的溫度。采用中溫作為被控變量，可以兼顧塔頂和塔底成分，及時發(fā)現(xiàn)操作線的變化。但因不能及時反映塔頂或塔底產(chǎn)品的成分，因此，不能用于分離要求較高、進(jìn)料濃度變化較大的應(yīng)用場合。采用精餾段溫度控制的場合是：對塔頂產(chǎn)品成分的要求比對塔底產(chǎn)品成分的要求嚴(yán)格；全部為氣相進(jìn)料；塔底或提餾段溫度不能很好反映組分的變化，即組分變化時，提餾段塔板溫度變化不顯著，或進(jìn)料含有比塔底產(chǎn)品更重的影響溫度和成分關(guān)系的重雜質(zhì)。2提餾段的溫度控制提餾段溫度控制以提餾段產(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標(biāo)，根據(jù)溫度檢測點(diǎn)位置可分為塔底溫度、靈敏板溫度和中溫控制等。操縱變量可選擇再沸器加熱

17、蒸汽量或塔底采出量。也可將塔頂采出量作為操縱變量，但應(yīng)用較少?？刂撇呗耘c精餾段溫度控制類似。采用提餾段溫度控制的場合是：對塔底產(chǎn)品成分的要求比對塔頂產(chǎn)品成分的要求嚴(yán)格；全部為液相進(jìn)料；塔頂或精餾段溫度不能很好反映組分的變化，即組分變化時，精餾段塔板溫度變化不顯著，或進(jìn)料含有比塔頂產(chǎn)品更輕的影響溫度和成分關(guān)系的輕雜質(zhì)；采用回流控制時，回流量較大，它的微小變化對產(chǎn)品成分影響不顯著，而較大變化又會影響精餾塔平穩(wěn)操作的場合。3采用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟茸鳛殚g接質(zhì)量指標(biāo)塔壓恒定是采用精餾塔溫度控制的前提。當(dāng)塔壓變化或精密精餾等控制要求較高時，微小的壓力變化將影響溫度和成分之間的關(guān)系，因此，需對溫度進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

18、常用的補(bǔ)償方法有溫差控制、雙溫差控制和補(bǔ)償計(jì)算控制。1）溫差控制精餾塔中，成分是溫度和塔壓的函數(shù)，當(dāng)塔壓恒定或有較小變化時，溫度與成分有一一對應(yīng)關(guān)系。但精密精餾時，產(chǎn)品純度要求較高，微小塔壓變化將引起成分波動。例如，苯-甲苯分離時，壓力變化6.67kPa，苯的沸點(diǎn)變化為2。溫差控制的原理是以保持塔頂（或塔底）產(chǎn)品純度不變?yōu)榍疤岬?，塔壓變化對兩個塔板上的溫度都有影響，且影響有幾乎相同的變化，因此，溫度差可保持不變。通常選擇一個塔板的溫度和成分保持基本不變的作為基準(zhǔn)溫度，例如，選擇塔頂（或稍下）或塔底（或稍上）溫度。另一點(diǎn)溫度選擇靈敏板溫度。溫差控制常應(yīng)用于分離要求較高的精密精餾。例如，苯-甲苯-

19、二甲苯、乙烯-乙烷、丙烯-丙烷等精密精餾。應(yīng)用時要注意選擇合適的溫度檢測點(diǎn)位置，合理設(shè)置溫差設(shè)定值，操作工況要平穩(wěn)。2）雙溫差控制精餾塔溫差控制的缺點(diǎn)是進(jìn)料流量變化時，會引起塔內(nèi)成分變化和塔壓壓降變化。他們都使溫差變化。前者使溫差減小，后者使溫差增大，使溫差與成分呈現(xiàn)非單值函數(shù)關(guān)系。雙溫差控制的設(shè)計(jì)思想是進(jìn)料對精餾段溫差的影響和對提餾段溫差的影響相同，因此，可用雙溫差控制來補(bǔ)償因進(jìn)料流量變化造成的對溫差的影響。應(yīng)用時除了要合適選擇溫度檢測點(diǎn)位置外，對雙溫差的設(shè)定值也要合理設(shè)置。3）根據(jù)壓力補(bǔ)償計(jì)算溫度設(shè)定值的控制采用計(jì)算機(jī)控制裝置或DCS進(jìn)行精餾塔控制時，由于計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，因此，對

20、塔壓變化的影響也可用塔壓補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法進(jìn)行。補(bǔ)償公式如下: (6.3-1)式中，是產(chǎn)品所需成分在塔壓時對應(yīng)的溫度設(shè)定值；是塔壓測量值；是設(shè)計(jì)的塔壓值；是在實(shí)際塔壓條件下的溫度設(shè)定值。因此，組成根據(jù)塔壓模型計(jì)算溫度設(shè)定值的控制系統(tǒng)。應(yīng)用時需合理設(shè)置補(bǔ)償公式中的系數(shù)項(xiàng)，通常，取到二次冪已經(jīng)滿足控制要求。當(dāng)精確度不能滿足產(chǎn)品純度要求時，也可增加冪次。此外，對塔壓信號需進(jìn)行濾波，溫度檢測點(diǎn)位置應(yīng)合適，補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)合適。6.4 精餾塔的基本控制精餾塔有多個被控變量和多個操縱變量，合理選擇他們的配對，有利于減小系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，并使精餾塔的操作平穩(wěn)。 欣斯基1經(jīng)研究提出了精餾塔控制中變量配對的三條準(zhǔn)則：當(dāng)僅需要控

21、制塔的一端產(chǎn)品時，應(yīng)選用物料平衡方式控制該端產(chǎn)品的質(zhì)量；塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)作為操縱變量去控制塔的產(chǎn)品質(zhì)量；當(dāng)塔兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時，一般對含純產(chǎn)品較少，雜質(zhì)較多的一端采用物料平衡方式控制其質(zhì)量，對含純產(chǎn)品較多，雜質(zhì)較少的一端采用能量平衡方式控制其質(zhì)量。當(dāng)選用塔頂產(chǎn)品餾出物流量或塔底采出量作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時，稱為物料平衡控制方式，當(dāng)選用塔頂回流量或再沸器加熱蒸汽量作為操縱變量時，稱為能量平衡控制。產(chǎn)品質(zhì)量的開環(huán)控制精餾塔產(chǎn)品的質(zhì)量開環(huán)控制是不采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量的控制。這里，質(zhì)量開環(huán)控制指沒有根據(jù)質(zhì)量指標(biāo)的控制。因此，精餾塔的質(zhì)量開環(huán)控制主要是根據(jù)物料平衡關(guān)系，從外圍控制精

22、餾塔的（或）和，使其產(chǎn)品滿足工藝要求。1.固定回流量和蒸汽量當(dāng)進(jìn)料量及其狀態(tài)恒定時，采用回流量、蒸汽量定值控制，就能使和固定，有公式可知，產(chǎn)品的成分就可確定?？刂品桨溉鐖D6.4-1所示，變量的配對見表1-2。表1-2 固定回流和蒸汽量的變量配對被控變量回流量再沸器加熱蒸汽回流罐液位塔釜液位操縱變量回流量再沸器加熱蒸汽塔頂流出液量塔底采出液量為消除進(jìn)料量的擾動，可對進(jìn)料量進(jìn)行定值控制。當(dāng)進(jìn)料量來自上一工序，變化很大時，可將進(jìn)料量作為前饋信號，與回流量和蒸汽量組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。2.固定塔頂餾出量和蒸汽量當(dāng)回流比很大時，控制餾出量比控制回流量更有利。例如， =50， =1，則控制回流量變化1%

23、，將變化50%，因此，采用控制可使操作更平穩(wěn)?？刂葡到y(tǒng)的變量配對見表1-3，控制方案如圖6.4-2所示。表1-3 固定塔頂餾出量和蒸汽變量配對 被控變量塔頂流出液量再沸器加熱蒸汽回流罐液位塔釜液位操縱變量塔頂流出液量再沸器加熱蒸汽回流量塔底采出液量3.固定塔底采出量和回流量控制塔底采出量與控制再沸器蒸汽量的控制方案與方案一相似。方案一直接控制蒸汽量，塔釜液位則改用蒸汽量控制。變量配對見表1-4，控制方案如圖6.4-3所示。表1-4 固定塔底采出量和回流量變量配對被控變量回流量再沸器加熱蒸汽回流罐液位塔釜液位操縱變量回流量再沸器加熱蒸汽塔頂流出液量塔底采出液量 圖6.4-1 開環(huán)質(zhì)量控制方案一

24、圖6.4-2 開環(huán)質(zhì)量控制方案之二 圖6.4-3 開環(huán)控制方案之三 按精餾段指標(biāo)的控制按精餾段質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制是在精餾段溫度或成分作為被控變量的控制。如果操縱變量是產(chǎn)品的出料，則稱為間接物料平衡控制。1.直接物料平衡控制該控制方案的被控變量是精餾段溫度，可以是塔頂溫度。操縱變量是塔頂餾出量，同時，控制塔釜蒸汽加熱量恒定。變量配對見表1-5，控制方案如圖6.4-4所示。表1-5 精餾塔直接物料平衡控制的變量配對被控變量精餾段溫度再沸器加熱蒸汽回流罐液位塔釜液位操縱變量塔頂餾出量再沸器加熱蒸汽回流量塔底采出液量該控制方案的優(yōu)點(diǎn)是物料和能量平衡之間的關(guān)聯(lián)最小，內(nèi)回流在環(huán)境溫度變化時基本不變，產(chǎn)品不合

25、格時不出料。該控制方案的缺點(diǎn)是控制回路的滯后大，改變后，需經(jīng)回流罐液位變化并影響回流量，再影響溫度，因此，動態(tài)響應(yīng)較差。適用于塔頂餾出量很?。ɑ亓鞅群艽螅?、回流罐容積較小的精餾操作。當(dāng)餾出量有較大波動時，還可將精餾段溫度作為被控變量，餾出量作為副被控變量組成串級控制系統(tǒng)。2.間接物料平衡控制 由于回流變化后再影響?zhàn)s出量，因此是間接物料平衡控制。精餾段的變量配對見表1-6，控制方案如圖6.4-5所示。表1-6 精餾段間接物料平衡控制的變量配對被控變量精餾段溫度再沸器加熱蒸汽回流罐液位塔釜液位操縱變量回流量再沸器加熱蒸汽塔頂餾出量塔底采出液量該控制方案的優(yōu)點(diǎn)是控制作用及時，溫度稍有變化就可通過回流

26、量進(jìn)行控制，動態(tài)響應(yīng)快，對克服擾動影響有利。該控制方案的缺點(diǎn)是內(nèi)回流受外界環(huán)境溫度影響大，能量和物料平衡直接的關(guān)聯(lián)大。主要使用于回流比小于0.8及需要動態(tài)響應(yīng)快速的精餾操作，是精餾塔最常用的控制方案。當(dāng)內(nèi)回流受環(huán)境溫度影響較大時，可采用內(nèi)回流控制；當(dāng)回流量變動較大時，可采用串級控制；當(dāng)進(jìn)料量變動較大時，可采用前饋-反饋控制等。 圖6.4-4 精餾段直接物料平衡控制 圖6.4-5 精餾段間接物料平衡控制 按提餾段指標(biāo)的控制 按提餾段質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制是將提餾段溫度或成分作為被控變量的控制?？煞譃橹苯游锪掀胶饪刂坪烷g接物料平衡控制。1.直接物料平衡控制根據(jù)提餾段溫度控制塔底采出量的控制方案是直接物料

27、平衡控制。同時，保持回流比或回流量恒定。變量配對見表1-7，控制方案如圖6.4-6所示。表1-7 提留段直接物料平衡控制的變量配對被控變量提餾段溫度回流量回流罐液位塔釜液位操縱變量塔底采出液量回流量塔頂餾出量再沸器加熱蒸汽該控制方案具有能量和物料平衡關(guān)系的關(guān)聯(lián)小，塔底采出量較小時操作較平穩(wěn)，產(chǎn)品不合格時不出料等特點(diǎn)。但與精餾段直接物料平衡控制方案相似，動態(tài)響應(yīng)較差，滯后較大，液位控制回路存在反向特性。適用于很小，且<0.2的精餾操作。2.間接物料平衡控制采用再沸器加熱量作為操縱變量，控制提餾段溫度的控制是間接物料平衡控制。采用回流量或回流比定值控制。變量配對見表1-8，控制方案如圖6.4

28、-7。表1-8 提餾段間接物料平衡控制的變量配對被控變量提餾段溫度回流量回流罐液位塔釜液位操縱變量再沸器加熱蒸汽回流量塔頂餾出量塔底采出液量 圖6.4-6 提餾段直接物料平衡控制 圖6.4-7 提留段間接物料平衡控制該控制方案具有響應(yīng)快、滯后小的特點(diǎn)，能迅速克服進(jìn)入精餾塔的擾動影響。缺點(diǎn)是物料平衡和能量平衡關(guān)系有較大關(guān)聯(lián)。適用于 2.0的精餾操作。精餾塔的塔壓控制精餾塔壓的恒定是采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)為前提。影響塔壓的因素有：進(jìn)料流量、進(jìn)料成分、進(jìn)料溫度、塔釜加熱蒸汽量、回流量、回流液溫度、冷卻劑壓力等。1.加壓精餾塔的壓力控制（1） 液相采出，流出物含大量不凝物?？刂品桨溉鐖D6.4-8。

29、當(dāng)冷凝器阻力較小，用回流罐氣相壓力能反映塔壓變化時，可取自回流罐氣相壓力，以提高動態(tài)響應(yīng)。（2） 液相采出，流出物含小量不凝物。采用分程控制，控制方案如圖6.4-9。 圖6.4-8 液相采出，流出物含大量不凝物 圖6.4-9 液相采出，流出物含少量不凝物 塔壓先通過改變冷卻劑量調(diào)節(jié)，當(dāng)冷劑全開后，塔壓仍不能下降時，說明塔內(nèi)已積存較多不凝性氣體，這時，打開氣相排氣閥，將不凝性氣體排放，降低塔壓。（3） 液相采出，流出物含微量不凝物(如圖6.4-10(a)(b)(c)所示)。方案（a）用塔壓控制冷卻水量，最節(jié)省冷卻水量。方案（b）用冷凝液面控制冷卻量，動態(tài)響應(yīng)差。方案（c）用熱旁路，改變進(jìn)入冷凝器

30、的氣體推動力，即改變冷凝器兩端的壓差，動態(tài)響應(yīng)較靈敏。 (a) (b) (c)圖6.4-10(a)(b)(c)氣相采出時塔壓控制方案（4） 氣相采出。以氣相采出量作為操縱變量組成單回路控制系統(tǒng)（如圖6.4-11所示）。 圖6.4-11氣相采出時塔壓控制方案當(dāng)氣相采出是下一工序進(jìn)料時，可采用塔壓為主被控變量、氣相出料流量為副被控變量的串級均勻控制系統(tǒng)。2 減壓精餾塔的壓力控制當(dāng)減壓塔的壓力控制采用蒸汽噴射泵抽真空時，可采用如圖6.4-12所示的控制方案。由于蒸汽噴射壓力與真空度有一一對應(yīng)關(guān)系，因此，可采用蒸汽噴射壓力恒定的控制系統(tǒng)，同時，采用吸入支管的控制閥進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)減壓塔的壓力采用電動真空泵

31、時，常采用調(diào)節(jié)不凝氣體的抽出量來保證塔頂?shù)恼婵斩?，控制閥安裝在真空泵回流管。 圖6.4-12 減壓塔壓力控制3 常壓精餾塔的壓力控制對塔頂壓力的恒定要求不高時，可采用常壓精餾。它不需要壓力控制系統(tǒng)。僅需在精餾設(shè)備（冷凝罐或回流罐）上設(shè)置一個通大氣的管道，用于平衡壓力。如果空氣進(jìn)入塔內(nèi)會影響產(chǎn)品質(zhì)量或引起事故時、或?qū)λ攭毫Φ姆€(wěn)定要求較高時，應(yīng)采用類似加壓塔的壓力控制，防止空氣吸入塔內(nèi)并穩(wěn)定塔壓。有時亦采用常壓塔的塔壓力控制，塔釜的壓力恒定等效于控制塔壓力降恒定。被控變量是塔釜?dú)庀鄩毫?，操縱變量是加熱蒸汽量。分離要求不太嚴(yán)格的常壓塔常采用該方案。6.5 精餾塔的新型控制方案 隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)

32、展，新型控制方案、控制算法不斷出現(xiàn)，自動化控制技術(shù)工具也有了飛速的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)在工業(yè)過程中的應(yīng)用日益廣泛，使得精餾過程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)越來越高，保證了塔的平穩(wěn)操作，以及滿足了工藝提出的各種新的要求。本節(jié)將對精餾塔控制中新型方案的使用作一個基本介紹。6.5.1 解耦控制這里對在精餾控制中解耦控制的應(yīng)用作必要的分析。當(dāng)對精餾塔的塔頂和塔底產(chǎn)品的質(zhì)量都有要求時，有時可設(shè)立兩個產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，圖6.5-1就是一個兩端產(chǎn)品質(zhì)量均加控制的方案。但是這類方案常常是失敗的，關(guān)鍵是兩個質(zhì)量控制系統(tǒng)之間存在著相互關(guān)聯(lián)影響。這樣，當(dāng)兩套系統(tǒng)同時運(yùn)行時，互相影響，產(chǎn)生所謂“打架”

33、現(xiàn)象，導(dǎo)致兩套系統(tǒng)均無法正常運(yùn)行。解決上述矛盾的方法是：對精餾操作的被控變量與控制變量之間進(jìn)行不同的配對，選取關(guān)聯(lián)影響小的配對方案；或在控制器參數(shù)整定上尋找出路；或是把兩套質(zhì)量控制系統(tǒng)砍掉一套，而以上的這些方法有解決不了嚴(yán)重關(guān)聯(lián)的影響時，則可以采用解耦控制。 圖6.5-1 精餾塔兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制圖6.5-2給出了精餾塔解耦控制的方塊圖在兩個控制回路中引入一個解耦控制裝置并按照解耦控制理論的方法，就能實(shí)現(xiàn)解耦控制。由于精餾塔是一個非線性、多變量過程，準(zhǔn)確求取解耦裝置的動態(tài)特性是很困難的，而靜態(tài)特性的求取較為容易。因此目前精餾塔的解耦主要采取靜態(tài)解耦。如果尚不能滿足需要，可在靜態(tài)解耦的基礎(chǔ)上作適當(dāng)

34、的動態(tài)補(bǔ)償。對于有多個側(cè)線采出的精餾塔，將有多個質(zhì)量指標(biāo)需要加以控制。此時，為克服它們之間的相互關(guān)聯(lián)，需要采用多變量解耦控制系統(tǒng)。圖6.5-2精餾塔解耦控制方框圖6.5.2 精餾塔的節(jié)能控制 石油化工行業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)能耗大戶，而精餾過程往往又占典型石油化工生產(chǎn)過程能耗的40%左右。因此精餾塔的節(jié)能控制成為人們研究的重要課題。在以往工藝生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品的合格，對精餾操作習(xí)慣采用超高質(zhì)量的過分離操作，使用加大回流比，增加再沸器上升蒸汽量等消耗過多能量的手段，換取一個在較寬的操作范圍內(nèi)均能獲得合格產(chǎn)品質(zhì)量的保障。這意味著精餾塔的節(jié)能是大有潛力的。精餾塔的節(jié)能控制，首要的是把過于保守的過分離操作，轉(zhuǎn)

35、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保證塔的抗干擾能力，穩(wěn)定塔的正常操作。同時，也可以對工藝驚醒必要的改進(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） 浮動塔壓控制方案精餾塔通常都在恒定的塔壓條件下操作，其原因：一是在穩(wěn)定壓力條件下操作，有利于保證塔的平穩(wěn)；其次當(dāng)溫度為間接質(zhì)量指標(biāo)時，能較正確反映成分的變化。然而，從節(jié)能或經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來考慮，塔壓恒定未必是合理的，尤其當(dāng)冷凝器采用風(fēng)冷或水冷情況時，更是如此。因而，有人提出把恒定塔壓控制改為浮動塔壓控制的設(shè)想。（1）塔壓浮動的目得所謂塔壓浮動，即在可能的條件下，把塔壓盡量降低，有利于能量節(jié)省。具體來說，它

36、壓下降，可以從兩方面降低能耗。降低操作壓力，將增加組分間的相對揮發(fā)度，這樣組分分離容易，使再沸器的加熱量下降，節(jié)省能量。當(dāng)然此時冷凝器的負(fù)荷增大，冷劑量消耗增多，但冷劑量一般比熱劑成本低，尤其在采用風(fēng)冷或水冷時，節(jié)能效益更大。降低操作壓力，使整個精餾系統(tǒng)的氣液平衡溫度下降，提高了再沸器兩側(cè)傳熱溫差，再沸器在消耗同樣熱劑的情況下，加熱能力增大了。與此同時，由于平衡溫度的下降，減少了在再沸器傳熱壁上的結(jié)垢現(xiàn)象，也有利于維持再沸器傳熱能力。綜上所述：盡可能地降低塔的操作壓力，能節(jié)省大量的能量，的確是精餾塔操作節(jié)能的一個舉措。然而，塔壓的降低必須滿足下列條件，才能在獲得節(jié)能的同時，使精餾塔操作符合工藝

37、的要求，正常而平穩(wěn)地進(jìn)行。（2）塔壓浮動的條件質(zhì)量指標(biāo)的選取必須適應(yīng)塔壓浮動的需要。一般情況下，以成分信號作為直接的質(zhì)量指標(biāo)是最合適的，其絲毫不受塔壓浮動的影響。如果采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，則應(yīng)根據(jù)工藝的要求，采取必要的壓力補(bǔ)償措施。塔壓降低的限度受冷凝器最大冷卻能力的制約。塔壓的降低，增大冷凝器的負(fù)荷，允許的最低操作壓力應(yīng)視冷凝器是否有能力把塔頂氣相物料冷凝下來而定。塔壓浮動但不能出現(xiàn)突變。允許塔壓浮動，但在外干擾作用下，不能出現(xiàn)突變。因?yàn)樗旱耐蛔冇锌赡芷茐臍庖浩胶猓覊毫Φ耐蝗幌陆?，會引起塔板上液體的閃蒸，從而出現(xiàn)液泛。這些都將影響精餾塔操作的正常進(jìn)行。（3）塔壓浮動控制的實(shí)施為了節(jié)

38、能，采取精餾塔的塔壓浮動操作，必須滿足上述三個條件。其中1、2兩條在方案確定時都已作了考慮，在具體方案實(shí)施時，主要側(cè)重在防止壓力的突然變動上。圖6.5-3所示為一個精餾塔的浮動塔壓控制方案。這個方案是在原塔壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個具有純積分作用的閥位控制VPC，從而起到浮動塔壓操作所要求的兩個作用。不管冷凝器的冷卻情況如何變化（如遇暴風(fēng)雨降溫），VPC的作用可使塔壓不會突變，而是緩慢地變化，一直浮動到冷劑可能提供的最低壓力點(diǎn)。為保證冷凝器總在最大負(fù)荷下操作，控制閥應(yīng)開啟到最大開度?？紤]到需有一定的控制余量，閥位極限值可設(shè)定在90%開度或更大一些數(shù)值。 圖6.5-3 浮動塔壓控制方案圖6.

39、5-3中的PC為一般的PI控制器，VPC則是純積分或大比例帶的PI控制器。PC控制系統(tǒng)應(yīng)整定成操作周期短，過程反應(yīng)快，一般積分時間取得較小，例如為2 min左右。而VPC的操作周期長，過程反應(yīng)慢，一般積分時間取得較大，如積分時間為60 min。因此在分析中可假定忽略PC系統(tǒng)和VPC系統(tǒng)之間的動態(tài)聯(lián)系。即分析PC動作時，可以認(rèn)為VPC系統(tǒng)是不動作的；而分析VPC系統(tǒng)時，又可認(rèn)為PC系統(tǒng)是瞬時跟蹤的。2） 從化學(xué)熱力學(xué)觀點(diǎn)選取節(jié)能方案在用熱油作為再沸器熱劑的精餾系統(tǒng)中，可以采用圖6.5-4所示的提餾段溫度控制系統(tǒng)。在這個溫度控制系統(tǒng)中，提餾段溫度控制器通過控制再沸器熱油閥來保持塔內(nèi)的溫度。熱油循環(huán)

40、系統(tǒng)是通過調(diào)整加熱爐的燃料油量來維持塔內(nèi)溫度。該系統(tǒng)與一般塔內(nèi)溫度控制系統(tǒng)不同的地方是：另外設(shè)置了一個閥位控制系統(tǒng)VPC和熱油溫度控制系統(tǒng)T2C。由于VPC和T2C的工作，使此塔內(nèi)溫度控制系統(tǒng)能盡量減少能量的消耗。本系統(tǒng)依靠VPC和T2C可以使熱油控制閥V2總是處于盡量打開的工作狀態(tài)，如開度處于90%開度，有一定的余量。V2的開度大，燃油量大，由一定加熱量的要求可知，熱油溫度將會盡可能降低。從化學(xué)熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，閥節(jié)流損失減少，加熱燃料量下降；燃油溫度低，煙道氣能量損失也可減少。 圖6.5-4 節(jié)能的提餾段溫度控制系統(tǒng)這樣能節(jié)省不少無謂的能量損失。 系統(tǒng)的動作過程可簡單分析如下：當(dāng)塔內(nèi)溫度升高

41、時，T1C的動作使熱油閥V2先關(guān)小。與此同時，VPC動作，其輸出變化使T2C的給定值降低。T2C動作，把燃料油閥V1關(guān)小，減少燃料油量，使加熱爐出口溫度也隨之下降，于是熱油閥V2又打開，壓降減少。循環(huán)往復(fù)，當(dāng)使塔內(nèi)溫度調(diào)到工藝設(shè)定的給定值時，VPC改變T2C的給定值，直到滿足熱油閥V290%開度時的最低熱油溫度值。3） 能量的綜合利用控制方案在通常的精餾過程中，塔釜再沸器需要用加熱劑加熱，而塔頂冷凝器又要用冷劑除熱，兩者均需消耗能量，可否從根本上改變這一狀況，從理論上來說是完全可能的，基本上可有兩種方法。1）把塔頂?shù)恼羝鳛楸舅椎臒嵩础５捎谒斦羝睦淠郎囟鹊陀谒滓后w的沸騰溫度，熱量不

42、能由低溫處直接向高溫處傳遞，解決的辦法是采用熱泵技術(shù)。2）在幾個塔串聯(lián)成塔組時，用上一塔的蒸汽作為下一塔的熱源。但必須要求上塔塔頂溫度遠(yuǎn)高于下塔塔底溫度，并設(shè)置有效的控制方案，消除這種工藝流程帶來的兩塔間的關(guān)聯(lián)影響。以上兩種方法的具體實(shí)施，限于篇幅，本書不一一列舉，可查閱有關(guān)書刊。6.5.3 精餾塔的最優(yōu)控制 所謂精餾塔的最優(yōu)控制，是指在產(chǎn)品質(zhì)量保證一定的規(guī)格前提下，綜合某些要求，規(guī)定一種明確的指標(biāo)，并使其達(dá)到最優(yōu)。對于精餾過程來說，最優(yōu)化等級可分為三級：單塔最優(yōu)化、裝置（機(jī)組）最優(yōu)化、全廠（車間）最優(yōu)化。一般來說，最優(yōu)化級別越高，包含的環(huán)節(jié)越多，問題越復(fù)雜，達(dá)到穩(wěn)定的最優(yōu)狀況可能性就越小。在干擾頻繁的情況下，甚至永遠(yuǎn)達(dá)不到最優(yōu)控制目標(biāo)。因此實(shí)現(xiàn)單塔或局部的最優(yōu)可能性大，而且也是高一級最優(yōu)控制的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的兩個關(guān)鍵是：確定目標(biāo)函數(shù)；決定最優(yōu)控制方法。1 目標(biāo)函數(shù)在多數(shù)情況下，最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)主要從經(jīng)濟(jì)上來考慮。一般選用利