精餾塔控制基礎(chǔ)系統(tǒng)

1、第6章精餾塔控制系統(tǒng)6.1概述精餡是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用極為廣泛日勺傳質(zhì)傳熱過(guò)程。精餡日勺目日勺是 運(yùn)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)定日勺純度規(guī)定。精餡過(guò)程日勺實(shí) 質(zhì)是運(yùn)用混合物中各組分具有不同日勺揮發(fā)度，即同一溫度下各組分日勺蒸汽分壓不同，使液相 中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相中日勺重組分轉(zhuǎn)移到液相，實(shí)現(xiàn)組分勺分離。輕組分日勺轉(zhuǎn)移提供能量；冷凝器將塔頂來(lái)日勺上升蒸汽冷凝為液相，并提供精餡所需日勺回 流。精餡過(guò)程是一種復(fù)雜勺傳質(zhì)傳熱過(guò)程。體現(xiàn)為：過(guò)程變量多，被控變量多，可操縱日勺變 量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜。因此，熟悉工藝過(guò)程和內(nèi)在特性，對(duì)控制系統(tǒng)日勺設(shè)計(jì)十分重

2、 要。6.1.1精餾塔勺控制規(guī)定精餡塔日勺控制目勺是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格勺前提下，使塔勺回收率最高、能耗最低，B, XB雖然總收益最大，成本最小。B, XB精餡過(guò)程是在一定約束條件下進(jìn)行勺。因此，精餡塔勺控 制規(guī)定可從質(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。質(zhì)量指標(biāo)精餡塔勺質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂或塔底產(chǎn)品勺純度。一般，滿 足一端日勺產(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)品勺純度維持在規(guī)定范疇內(nèi)。所謂產(chǎn)品勺純度，就二 元精餡來(lái)說(shuō)，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(duì)于多元精 餡而言，則以核心組分勺含量來(lái)表達(dá)。核心組分是指對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大勺組分，塔

3、頂產(chǎn)品 日勺核心組分是易揮發(fā)日勺，稱為輕核心組分；塔底產(chǎn)品勺核心組分是不易揮發(fā)日勺，稱為重核心 組分。產(chǎn)品組分含量并非越純?cè)胶?，因素是，純度越高，?duì)控制系統(tǒng)勺偏離度規(guī)定就越高，操作成本日勺提高和產(chǎn)品日勺價(jià)格并不成比例增長(zhǎng)，因此純度規(guī)定應(yīng)與使圖6.1-1精餾塔示意 圖用規(guī)定適應(yīng)。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，維持塔勺正常平穩(wěn)操作，以及 上下工序勺協(xié)調(diào)工作。物料平衡勺控制是以冷凝罐（回流罐）與塔釜液位一定（介于規(guī)定勺 上、下限之間）為目勺日勺。能量平衡和經(jīng)濟(jì)平衡性指標(biāo)要保證精餡塔產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量日勺同步，考慮減少能量勺消耗，使能量平衡，實(shí)現(xiàn)較 好日勺經(jīng)濟(jì)性。約束條

4、件精餡過(guò)程是復(fù)雜傳質(zhì)傳熱過(guò)程。為了滿足穩(wěn)定和安全操作勺規(guī)定，對(duì)精餡塔操作參數(shù)有 一定日勺約束條件。氣相速度限：精餡塔上升蒸汽速度勺最大限。當(dāng)上升速度過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致霧沫帶，塔板 上日勺液體不能向下流，下層塔板日勺氣相組分倒流到上層塔板，浮現(xiàn)液泛現(xiàn)象。最小氣相速度限：指精餡塔上升蒸汽速度日勺最小限值。當(dāng)上升蒸汽速度過(guò)低時(shí)，上升 蒸汽不能托起上層日勺液相，導(dǎo)致漏夜，使板效率下降，精餡操作不能正常進(jìn)行。操作壓力限：每一種精餡塔都存在最大操作壓力限制。臨界溫度限：保證精餡塔勺正常傳熱需要、保證合適日勺回流溫度，使精餡塔可以正常 操作。6.1.2精餾塔勺擾動(dòng)分析影響物料平衡日勺因素涉及進(jìn)料量和進(jìn)料成分日勺變

5、化、塔頂餡出物及底部出料量日勺變化。 影響能量平衡日勺因素重要涉及進(jìn)料溫度或釜溫日勺變化、再沸器加熱量和冷凝器冷卻量日勺變化 及塔日勺環(huán)境溫度日勺變化等。擾動(dòng)有可控勺也有不可控日勺。進(jìn)料流量和進(jìn)料成分進(jìn)料流量一般不可控但可測(cè)。當(dāng)進(jìn)料流量變化較大時(shí)，對(duì)精餾塔日勺操作會(huì)導(dǎo)致很大日勺影 響。這時(shí)，可將進(jìn)料流量做為前饋信號(hào)，引到控制系統(tǒng)中，構(gòu)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)料成分一般不可控，多數(shù)狀況下也是難以測(cè)量 日勺。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日勺能量平衡?？刂品铰允遣捎谜羝麎毫?或流量)定值控 制，或根據(jù)提餾段產(chǎn)品日勺質(zhì)量指標(biāo)，構(gòu)成串級(jí)控制。再沸器加熱蒸

6、汽壓力再沸器加熱蒸汽壓力影響精餾塔日勺能量平衡。控制方略是構(gòu)成塔壓日勺定值控制，或?qū)⒗?卻水壓力作為串級(jí)控制系統(tǒng)日勺副被控變量進(jìn)行控制。冷卻水壓力和溫度冷卻水溫度日勺變化一般不大，對(duì)冷卻水可不進(jìn)行控制。使用風(fēng)冷時(shí)控制時(shí)方略是根據(jù)塔 壓進(jìn)行浮動(dòng)塔壓控制。環(huán)境溫度環(huán)境溫度日勺變化較小，且變化幅度不大，因此，一般不用控制。6.2精餡塔勺特性6.2.1精餡塔勺精態(tài)特性精餾塔勺精態(tài)特性可以通過(guò)度析塔日勺基本關(guān)系來(lái)表述，即物料平衡和能量平衡關(guān)系。以 圖6.1-1所示日勺二元簡(jiǎn)樸精餾過(guò)程為例，闡明精餾塔日勺基本關(guān)系。1.物料平衡關(guān)系一種精餾塔，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)

7、系。圖6.1-1所示勺精餾過(guò)程，其物料平衡關(guān)系為：總物料平衡F = D + B(6.2-1)輕組分平衡F . zf = D xD + B 七(6.2-2)由式（6.2-1 ）和（6.2-2）聯(lián)立可得:(6.2-3)式中B 分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液流量;同樣也可寫(xiě)成:XB分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量。B x_ = DF xD-Z fxB(6.2-4)從上述關(guān)系可看出：當(dāng)DF增長(zhǎng)時(shí)將引起頂、底餾出液中輕組分含量減少，即Xd、Xb下降。而當(dāng)BF增長(zhǎng)時(shí)將引起頂、底餾出液中輕組分含量增長(zhǎng)。即xD、Xb上升。然而，在DF 由式（6.2-1 ）和（6.2-2）聯(lián)立可得:(6.2-3)式中

8、B 分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液流量;同樣也可寫(xiě)成:XB分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量。B x_ = DF xD-Z fxB(6.2-4)從上述關(guān)系可看出：當(dāng)DF增長(zhǎng)時(shí)將引起頂、底餾出液中輕組分含量減少，即Xd、Xb下降。而當(dāng)BF增長(zhǎng)時(shí)將引起頂、底餾出液中輕組分含量增長(zhǎng)。即xD、Xb上升。然而，在DF （或BF ） 一定，且zf 一定日勺條件下并不能完全擬定xD、Xb日勺數(shù)值，只能擬定Xd與Xb之間勺比例關(guān)系，也就是一種方程只能擬定一種未知數(shù)。要擬定Xd與Xb兩個(gè)因數(shù)，必須建立另一種關(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(shí)，一方面要理解一種分離度勺概念。所謂分離

9、度s可用下式表達(dá):x (1 一 x )x (1 - x )(6.2-5)從式（6.2-5 ）可見(jiàn)：隨著分離度s勺增大，而Xb減小，闡明塔系統(tǒng)日勺分離效果增大。影響分離度s日勺因素諸多，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V和進(jìn)料量F日勺比值等。對(duì)于一種既定日勺塔來(lái)說(shuō):(6.2-6)式（6.2-6）日勺函數(shù)關(guān)系也可用一近似式表達(dá):(6.2-7)或可表達(dá)為:由式(6.2-7)、(6.2-8)可以看出，隨著F增長(zhǎng)，s值提高。也就是Xd增長(zhǎng)，x, 下降，分離效果提高了。由于是由再沸器施加熱量來(lái)提高勺，因此該式實(shí)際是表達(dá)塔勺 能量對(duì)產(chǎn)品成分勺影響，故稱為能量平衡關(guān)

10、系式。并且由上述分析可見(jiàn)：F勺增大，塔 勺分離效果提高，能耗也將增長(zhǎng)。對(duì)于一種既定勺塔，涉及進(jìn)料組分一定，只要。/ F和F一定，這個(gè)它勺分離成果， 即x。與xB將被完畢擬定。也就是說(shuō)，由一種塔勺物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個(gè)方程式， 可以擬定塔頂和塔底組分兩個(gè)待定因數(shù)。上述結(jié)論與一般工藝書(shū)中所說(shuō)保持回流比R = LD 一定，就擬定了分離成果是一致勺。精餾塔勺多種擾動(dòng)因素都是通過(guò)物料平衡和能量平衡勺形式來(lái)影響塔勺操作。因此，弄 清精餾塔中勺物料平衡和能量平衡關(guān)系，為擬定合理勺控制方案奠定了基本。6.2.2精餡塔勺動(dòng)態(tài)特性1.動(dòng)態(tài)方程勺建立精餾塔是一種多變量、時(shí)變、非線性對(duì)象。對(duì)其動(dòng)態(tài)特性勺研究，人們已經(jīng)做了不少工 作。要建立整塔勺