（化学工艺专业论文）精馏塔的浮压控制及其实现.pdf

摘要 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求 越来越大，而容易被利用的能源资源有限，加上能源的开发需要 大量资金和较长周期，因此，搞好节能工作，节约资源是保持人 类社会可持续发展的重要措施。在工业生产中节能已成为重要的 研究方向，石油化工企业是工业生产耗能大户，而精馏过程是石 油化工中耗能最大的单元过程，精馏塔则是精馏过程中的主要设 备，因此精馏塔的节能具有非常重要的意义。随着炼油厂的复杂 程度不断增加，炼油工业的综合能耗又有所提高，由此可见，炼 油 ：业节能工作任重而道远。 本文重点研究精馏过程的控制节能方法：精馏塔的浮压控 制。浮压控制是一种新型的控制方法，应用现代控制技术和新型 仪表，这一方法不难成为现实，同时由于这种方法不需要改变工 艺流程和设备，仅仅改变了少量控制回路的控制方案，投资少， 节能效果却很可观，因而在现有的精馏操作过程中更具有推广价 值。但由于浮压控制与精馏工艺机理密切相关，使专门从事过程 控制的自控人员认为太工艺化而难以掌握，而使初次接触过程控 制的工艺人员感到茫然而抓不住要领，这就影响和限制了浮压控 制的推广和普及，为了解决这一问题，本文查阅了大量的文献资 料，对国内炼油厂控制节能的现状进行了调查，从精馏过程入手， 通过对操作压力、相对挥发度与能量消耗关系的分析，阐明了浮 压控制的原理，提出了精馏塔浮压控制的方案及其实现的方法， 指出了浮压控制系统设计中应注意的一些问题，阐述了浮压控制 在国内某些炼厂的应用效果。相信本文会受到工艺和自控人员的 欢迎，有利于浮压控制方法的推广和应用，对炼油、化工企业的 节能降耗有很好的指导作用和实用价值。 关键词：节能，精馏塔，相对挥发度，浮压控制 f l o a t i n gp r e s s u r ec o n t r o lo fd i s t i l l a t i o nc o l u m na n d i t sr e a l i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc i v i le c o n o m ya n dt h ep r o m o t i o no f p e o p l e sl i v i n gl e v e l ，m o r ea n dm o r es o u r c e so fe n e r g yw i l lb en e e d e d b u ts o u r ( ：e so fe n e r g yu t i l i z e de a s i l ya r el i m i t e d ，a n dal o to ff u n da n d a l o n gp e r i o dw i l lb en e e d e df o rd e v e l o p i n gt h e m t h e r e f o r e ，e n e r g y c o n s e r v a t i o ni sa n i m p o r t a n t m e a s u r et o k e e p t h e c o n t i n u o u s l y d e v e l o p i n go fh u m a ns o c i e t y i th a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d i ni n d u s t r yp r o d u c t i o n p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s ei sab i go n eo fe n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n d d i s t i l l a t i o np r o c e s si st h eb i g g e s tu n i tp r o c e s so f e n e r g yc o n s u m p t i o ni np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，d i s t i l l a t i o nc o l u m ni s t h em a i n e q u i p m e n t i nd i s t i l l a t i o n p r o c e s s ，c o n s e q u e n t l y ，e n e r g y c o n s e r v a t i o nf o rd i s t i l l a t i o nc o l u m ni sv e r yi m p o r t a n t w i t h t h e i n c r e a s eo ft h ec o m p l e x i t yo fo i lr e f i n e r i e s ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni no i l i n d u s t r y r i s e s i ti sa v e r y d i f f i c u l tw o r kt or e d u c et h e e n e r g y c o n s u m p t i o ni n o i l i n d u s t r y e n e r g yc o n s e r v a t i o nb y c o n t r o li sn o t c a m ei n t oe n o u g hn o t i c e ，e v e nn o tp o p u l a ra n da p p l i c a t i o nn o w i tw i l lb er e s e a r c h e di n t h i st h e s i st h a tak i n do fm e a s u r eo f e n e r g y c o n s e r v a t i o n b y c o n t r o li n d i s t i l l a t i o n p r o c e s s ，w h i c h i s f l o a t i n gp r e s s u r ec o n t r o lo fd i s t i l l a t i o nc o l u m n t h ep u r p o s eo ft h i s a r t i c l ei st oo f f e ra ne f f e c t i v em e t h o do fe n e r g yc o n s e r v a t i o nf o ro i l a n dc h e m i s t r yi n d u s t r y f l o a t i n gp r e s s u r e c o n t r o li san e wc o n t r o l m e t h o d i t c a nb er e a l i z e d e a s i l yb yu t i l i z i n g m o d e mc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dn e wi n s t r u m e n t s ，a n d i td o e sn o tn e e dt oc h a n g et h e t e c h n o l o g yp r o c e s se x c e p t f o r c h a n g i n g c o n t r o ls c h e m eo fs o m e c o n t r o ll o o p s ag o o dr e s u l to fe n e r g yc o n s e r v a t i o n c a nb eg o tw i t h l i t t l ec o s t a c c o r d i n g l y ，t h i s m e t h o di sv a l u a b l e i nd i s t i l l a t i o n o p e r a t i o np r o c e s s t h a th a s b e i n g e x i s t e d b e c a u s et h e c l o s e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n f l o a t i n gp r e s s u r e c o n t r o la n dd i s t i l l a t i o n t e c h n i q u ep r i n c i p l e ，t e c h n i q u e a n dc o n t r o lt e c h n i c i a nf ee l v e r y d i f f i c u l tt ou n d e r s t a n da n d a d o p t i t t h i sa f f e c t sa n dl i m i t st h e p o p u l a r i t ya n da p p l i c a t i o no fi t i n o r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，a f t e r c o n s u l t i n gm a n y w o r k sa n di n f o r m a t i o na n di n v e s t i g a t i n gt h ea c t u a l i t y o fs o m eo i lr e f i n e r i e s ，t h ep r i n c i p l eo ff l o a t i n gp r e s s u r ec o n t r o l ，t h e c o n t r o ls c h e m ea n di t sr ea l i z a t i o nw e r ei l l u s t r a t e d ，a n ds o m ep r o b l e m s i n d e s i g nb ya n a l y z i n g t h er e l a t i o n s h i p a m o n gd i s t i l l a t i o np r o c e s s ， o p e r a t i o np r e s s u r e ，r e l a t i v ev o l a t i l i t y a n de n e r g yc o n s u m p t i o nw e r e d i s c u s s e d t h er e s u l t so fa p p l i c a t i o no ff l o a t i n gp r e s s u r ec o n t r 0 1i n s o m eo i lr e f i n e r i e sw e r eg i v e n k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，d i s t i l l a t i o n c o l u m n ，r e l a t i v e v o l a t i l i t y ，f l o a t i n gp r e s s u r ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一问工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：三凇加j 年争月f 2 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名： 团勉沙1 年月f g 日 年月曰 石油大学( 华东) 硕1 j 论文 第1 章概述 第1 章概述 1 1 论文背景及选题意义 我国国民经济正处于一个高速发展的时期，这就不丘 避免地 出现能源消耗的大幅度上升趋势。为了保证国民经济持续、快速、 健康地发展，必须合理、有效地利用能源，不断提高能源利用效 率。19 8 7 年以来，我国政府开始重视节能工作，明确提出“开发 与节能并重，近期把节能放在优先地位”的方针，节能是一项长 期的工作，其意义在于：( 1 ) 随着国民经济的发展和人民生活水平 的提高，对能源的需求越来越大，而容易被利用的能源资源有限， 加上能源的开发需要大量资金和较长周期，因此，搞好节能工作， 节约资源是保持人类社会可持续发展的重要措施；( 2 ) 在化学工业 中，煤、石油和天然气，既是能源，又是宝贵的原料，大致用作 原料的约占能源消耗总量的4 0 ，因此，节省能源，也就是节省 了宝贵的化工原料；( 3 ) 节能可以促进生产，在同样数量能源的条 件下，生产更多的产品；( 4 ) 节能可以降低成本，特别在化工企业 中，能源费用在产品成本中占的比例较高，节能可以明显降低成 本，增加利润；( 5 ) 节能能促进管理的改善和技术的进步，节能的 过程，就是一个生产现代化的过程，对管理和技术工艺，都提出 了更高的要求，因此，通过节能，有利于改变企业的落后面貌； ( 6 ) 节能有利于保护环境。节能意味着减少了能源的开采与消耗， 从而减少烟、尘、灰、硫以及其它污染物的排放。 化学工业是国民经济中的重要原材料工业。我国生产的化工 产品中，有7 0 以上直接为农业、轻纺工业提供化肥、农药、配 套原料和生活必需品，所以同农业、轻纺工业和国民经济各部门 罩i 油人学( 华东) 硕士论文 第1 章概述 的发展以及人民生活水平的提高关系极大。 化学工业的个重要特点是：煤、石油、天然气等既是化学 工业的能源，又是化学工业的原料，这两项加起来占产品成本的 2 5 - 4 0 ，在氮肥行业达到7 0 8 0 。因此化学工业是工业部门 中的第一用能大户，所以研究化学工业的节能具有极为重要的意 义。 1 2 节能的途径 个企业，一个行业乃至一个国家的能源水平是出错综复杂 的多种因素影响决定的，如自然条件、经济体制、经济因素、管 理水平、政策倾向、社会因素、技术水平等，可以将这些因素归 结为三个方面，即结构节能、管理节能、技术节能。 化学工业的技术节能包括工艺节能、化工单元设备节能、化 工过程系统节能和控制节能。 1 2 i 工艺节能 化工工艺过程节能的范围很广，方法繁多，人工生产行业甚 多，生产过程又相当复杂，这罩只概括地指出工艺节能的基本方 向。 工艺技术中首先是化学反应器，其次是分离工程。化学反应 器又取决于两方面因素：催化剂和化学反应工程。 ( 1 ) 催化剂 催化剂是化学工艺中的关键物质，现有的化学工艺约有8 0 是采用催化剂的，而在新的即将投入工业生产的工艺中，约有9 0 0 0 采用催化剂。同样地，催化剂也是工业节能中的关键物质，这是 因为，一一种新的催化剂可以形成一种新的更有效的工艺过程，使 反应转化率大幅度提高，温度和压力条件下降，单位产品能耗显 著下降：另外，通过提高催化剂的选择性，减少副产物，既节省 了原料消耗，又降低了分离过程的负荷和能耗。 ( 2 ) 化学反应工程 2 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章概述 绝大多数反应过程都伴随有流体流动、传热、传质等过程， 每种过程都有阻力，为了克服阻力推动过程进行，就需要消耗能 量。若能减少阻力，就可降低能耗。另外，一般的反应都有明显 的热效应，对吸热反应有合理供热的问题，而对放热反应有合理 利用的问题。 ( 3 ) 分离工程 化工中已经应用了的分离方法很多，如精馏、吸收、萃取、 吸附、结晶、膜分离等，每一类方法巾还包含有许多种方法，各 种方法的能耗是不同的，需要加以选择。 ( 4 ) 改进工艺方法和设备 1 2 2 化工单元操作设备节能 化工单元操作设备种类很多，包括流体输送机械( 泵、压缩 机等) 、换热设备( 锅炉、加热炉、换热器、冷却器等) 、蒸发设 备、塔设备( 精馏、吸收、萃取、结晶等) 、干燥设备等，每一类 设备有其特有的节能方式。 ( 1 ) 流体输送机械 对可变负荷的设备，采用转速控制等，回收压缩热等。 ( 2 ) 换热设备 换热设备的节能方法有：加强设备保温，防止结垢，传热温 差合理，强化传热；对锅炉和加热炉还有控制过量空气，提高燃 烧特性，预热燃烧空气，回收烟气余热；以及采用高效率设备， 如热管换热器等。 ( 3 ) 蒸发设备 节能措施有：预热原料，多效蒸发，热泵蒸发等。 ( 4 ) 塔设备 塔设备的节能途径有：减少回流比，预热进料，塔顶热的利 用，使用串联塔，采用热泵，采用中i 日- 1 再沸器和中间冷凝器等。 ( 5 ) 干燥设备 控制和减少过量空气，余热回收，排气的再循环，热泵干燥 3 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章概述 等。 i 2 3 化工过程系统节能 化工过程系统节能是指从系统合理用能的角度，对生产过程 中与能量的转换、回收、利用等有关的整个系统所进行的节能工 作。 从原料到产品的化工过程，始终伴随着能量的供应、转换、 利用、回收、排弃等环节，例如预热原料，进行反应、冷却产物、 气体的压缩和液体的泵压等，这不仅要求提供动力和不同温度下 的热量，而且又有不同温度的热量排出，根据外供的和过程本身 放出的能量的品位，匹配过程所需的动力和不同温度的热量；根 据工艺过程对能量的需求和热回收系统的优化合成，对公用事业 提出动力、加热公用工程量和冷却公用工程量。 以前的节能工作主要着眼于局部，但系统各部件之间是有着 有机的联系。随着过程系统工程和热力学分析两大理论的发展及 其相互结合与渗透，产生了过程系统节能的理论与方法，把节能 工作推上了一个新的高度。 1 24 控制节能 控制节能就是通过自动化仪表对变化频繁的生产过程进行及 时控制，利用先进的控制技术，对车问、工厂或一个区域的能源 ( 油、汽、水、电、风) 进行集中监测、管理和调度，从而达到 节能的目的。 控制节能包括两个方面：一是节能需要操作控制；另一是通 过操作控制节能。 节能需要操作控制，通过仪表加强计量工作，做好生产现场 的能量衡算和用能分析，为节能提供基本条件。特别是节能改造 之后，回收利用了各种余热，物流与物流、设备与设备之间的相 互联系和相互影晌加强了，使得生产操作的弹性缩小，更要求采 用控制系统进行操作。 为了搞好生产运行中的节能，必须加强操作控制，例如产品 4 石油大学( 华乐) 硕+ 论文 第1 章概述 纯度准确控制不够是引起过程能量损失的一个主要原因。若产品 不合格将蒙受很大的损失，所以一些设备留有颇大设计裕度，使 产品的纯度高于所需的纯度，大大增加了能耗。 在生产过程中，各种参数的波动是不可避免的，如原料的成 分、气温、产量、蒸汽需求量等等。若生产优化条件能随着这些 参数的变化相应变化，将能取得很大的节能效果。计算机使得这 种优化控制成为了可能。控制节能投资少、潜力大、效果好，目 前尚未引起足够的重视，但以后会有大的发展。 1 3 炼油厂节能技术进展概况 炼油生产过程中要消耗大量的能量，所消耗的各种形式的能量 主要来源于燃料和电力。1 9 9 7 年我国加工原油1 5 3 7 3 m r ，平均能耗 为3 5 2 g j t ，总计消耗能量折标准油为12 9 4 m r ，占原油加工量的 8 4 2 。炼油生产过程节能可以真接增加石油产品，提高商品率，降 低加工成本，关系到石油资源的合理利用和企业的经济效益”。 我国炼油工业在6 0 年代就开始研究如何使能源和资源在生产过 程中得到充分有效利用的技术，建成了常减压蒸馏、催化裂化、延 迟焦化、气体分馏等工艺组成的联合装置，采用热进料，取消中间 冷却过程和热量的充分交换和利用，有效地降低了能耗。到7 0 年代 末期，以能量利用情况调查为起点，进入了有组织地全面丌展节能 工作的新阶段。近2 0 年来，把加强能源管理和节能技术改造紧密地 结合在一起，以节能技术进步促进节能工作不断深入”。具体作法 如下： ( 1 ) 作为全面、系统、深入节能的起步措施，从加强管理入手， 消除和减少生产中各种可见的浪费能量的现象，同时以主要生产装 置( 如常减压蒸馏) 和主要耗能设备( 如加热炉) 为对象进行节能 技术改造，推动节能工作全面展开。 ( 2 ) 对合理利用能源的基础理论进行深入研究和应用，通过能量 平衡分析等手段，评价用能水平，分析节能潜力，制定节能规划， 5 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章概述 指导生产装置和工厂系统不断进行节能改造。 ( 3 ) 积极开发和应用优化用能技术，即优化生产方案和操作条件， 以及“总体优化”的技术，实现生产用能合理化，不断提高能源利 用率。特别是各种优化用能计算机软件和装备的丌发和应用，使节 能工作达到新水平。 ( 4 ) 在积极推进节能技术进步的同时，强化能源管理，逐步健全 和完善节能的综合管理体系，开展全员的节能管理，开发和应用计 算机软件，使管理工作科学化。 ( 5 ) 9 0 年代以来，针对新建装置和脱“瓶颈”改造项目较多的情 况，特别重视新装置设计的节能，作出了新装置、新炼油厂设计文 件中必须有节能要求，必须指明采取的节能措施和规定的能耗指标； 在注意工艺装置节能改造的同时，注意挖掘系统节能的潜力，即在 装置间热联合、低温热在全厂范围内统筹利用，并结合设备更新换 代，进行蒸汽动力系统的优化改造，充分利用炼油厂热电联产的潜 力。 由于科学管理和技术开发的不断深入，我国炼油工业节能取得 了显著的成果，1 9 7 8 年到1 9 8 8 年，在原油加工量不断增加，加工深度 不断提高的情况下，炼油工业的综合能耗由4 4 1 g j t 下降到 2 9 0 g j l ，下降率达3 4 2 ，t 9 8 8 年到1 9 9 7 年，由于炼油厂的复杂程 度刁i 断增加，炼油工业的综合能耗由2 9 0 g j t 提高到了3 5 2 g j t 。 由此可见，炼油工业节能工作任重而道远，从目前炼厂的节能情况来 看，控制节能还没有受到足够的重视，更没有普及应用。 在炼油工业的能耗中，生产装置所消耗的能量约占7 5 ，因 此生产装罨是节能改造的重点。在大多数化工厂和所有的炼油厂 中，精馏塔总是必不可少的，而且精馏所消耗的能量也是很大的， 约占全厂能耗的4 0 ，精馏是一个能量消耗大，能量利用率低的 过程，历来受到人们的重视，精馏塔的节能显得更加迫切和重要， 因此，研究精馏过程节能问题的论著也层出不穷。在控制节能方 面最具代表性的著作当数f g 欣斯基”“的蒸馏控制一生产 6 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章概述 率与节能，这是一部介绍通过控制节省能量和提高生产率的专 著，但在内容上介于精馏工艺机理分析和控制之间，使专门从事 过程控制的自控人员认为太工艺化而难以掌握，使初次接触过程 控制的工艺人员感到茫然，而抓不住要领。国内也有关于精馏过 程控制节能问题的文章，但都比较浅显，篇幅也很短，远远 不能满足工程技术人员的需要，影响和限制了控制节能在炼油、 化工企业中的推广和应用。 几年来，已有不少学者“”“。从不同角度对精馏过程节能问 题进行了大量的研究，并提出了许多节能的方案，归结起来，精 馏过程节能的基本途径有三个：一是设计出能耗更低的精馏塔及 相关设备；二是改进工艺流程；三是强化控制手段，运用现代控 制技术和新型仪表使精馏塔尽可能处于最佳的工作点。然而，对 一个精馏塔来说，只要一交付使用，塔板的结构和数量就不可轻 易改变，而工艺流程的改变也受到各种条件的限制，并不是随时 可以进行的，并且这两者真正实施起来投资也是很大的；而在其 运行过程中，改变控制方案却容易得多，并且投资也相对较少， 而其节能效果却很可观。浮压控制，是一种新型的控制方法，应 用现代控制技术和新型仪表，这一方法不难成为现实，同时这种 方法不需要改变工艺流程和设备，仅仅改变了少量控制回路的控 制方案，因而在现有的精馏操作过程中更具有推广价值。 本文重点研究精馏过程的节能控制方法：精馏塔的浮压控制。 目的是为石油、化工企业节能降耗提供一条行之有效的途径。 由于浮压控制与精馏过程复杂的工艺机理密切相关，使自控 和： 艺专业的工程技术人员难以掌握，这就影响和限制了浮压控 制的推广和应用，为了解决这一问题，查阅了大量的文献资料， 对国内炼油厂控制节能的现状进行了调查，从精馏过程入手，通 过对操作压力、相对挥发度与能量消耗关系的分析，阐明浮压控 制的原理，提出精馏塔浮压控制的方案及其实现的方法，指出浮 压控制系统设计中应注意的一些问题，介绍浮压控制在国内某些 7 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章概述 炼厂的应用效果。 8 石油大学( 华东) 硕十论文 第2 章精馏过程 第2 章精馏过程 精馏过程“。，就是利用混合液中各组分具有不同的挥发 度，即在同一温度下各组分的蒸汽压不同这一性质，使液相中的 轻组分转移到气相中及气相中的重组分转移到液相之中，从而实 现组分分离的目的。因此，精馏过程实质上是用来分离混合物的 一种传质过程，在石油化工工业中，许多原料、中间产品或半成 品往往是由若干组分所组成的混合物。这些都得应用精馏操作将 混合物分离成各种规格的石油化工产品。所以精馏过程是化工生 产中的一个重要环节，精馏塔则是精馏过程中的主要设备。 精馏，作为一种相平衡分离过程，其重要的理论基础是汽一液 平衡原理。但是要将这种分离过程在工业上实施，还须解决一系 列的工艺技术问题，如，怎样使汽、液两相密切接触并保持一定 的接触时间，怎样才能得到合格的产品，怎样才能达到高的生产 效率，怎样才能使精馏过程经济上合理，等等，本文将重点讨论 最后一个问题。 2 1 传质概论 精馏过程是一系列汽一液接触级的有机结合。在每一个接触级 中，不平衡的汽一液两相密切接触而趋近平衡，从而使轻、重组分 得到一定程度的分离。一系列接触分离的总和，使人们得到所需 要的分离产品。该过程中，每一个接触级提供的是汽- 液接触的场 所和时间，而分离过程所能达到的极限则由汽- 液平衡规律所限定， 同时不平衡两相与平衡状态的差距决定了分离的推动力。 不平衡两相之所以能通过接触而趋近平衡，是因为物质从一 相穿过相界面传递到另相中去，这一过程就是传质，传质的速 度取决于相间差别以及传质系数。 9 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章精馏过程 不同的组分在同一相中的传质系数差别不大，一般为几倍至 十几倍，而精馏或其它分离过程的高纯度产品中，主要组分和杂 质之间的比例常常为几百倍或几十倍，因此，为造成有效的分离， 主要靠平衡浓度差，而不是靠各组分传质系数的差别。但后者控 制着接近平衡的速度，决定了分离所需的时间，办即所需设备的 尺寸和造价，因此，不能忽视传质问题的重要性。 相接触的两相如果在温度上有显著的差别，或者在物质由一 相传递到另一相时伴随有明显的潜热效应，那么传质与传热同时 考虑。 2 1 1 相内扩散 传质的根本原因是物质扩散，物质之所以由一相传递到另一 相，是由于物质在一相中扩散移动，并穿过相界面扩散到另一相 内，也就是由相内扩散和相间扩散造成的。 物质的相内扩散通常有两种方式：分子扩散和涡流扩散。 ( 1 ) 分子扩散：系指单个分子的热运动所造成的质量的迁移。 只要在物相中有浓度差存在，即使该物相作为整体是处在静i k 状 态，组分的分子也会进行扩散，直至相内的浓度完全均匀。 纯粹的分子扩散，只在恒温恒压的静止流体或垂直于浓度梯 度方向作层流运动的流体中，才能发生。分子运动的速度虽然很 快，但是由于分子碰撞使分子的运动途径高度曲折，因而在一定 时间内在某一方向的净位移，即扩散速率却是很低的。 当一个由a 和b 组成的混合物，在没有显著的主体运动的情 况下，a 和b 两组互作等分子( 数) 反方向扩散b 寸，分子扩散速 率与浓度梯度成比例关系： d c a n a m = 一d a b i 尹 ( 2 1 ) 式中：n a 。一a 的分子扩散速率，公斤分子，j 、时米2 ； a r 、 _ u w 矿a z 方向的浓度梯度，公斤分子米3 米； u 厶 d 。b a 在混合物中的分子扩散系数，米2 时。 石油人学( 华东) 硕士论文 第2 章精馏过稗 式( 2 - 1 ) 中的负号表示扩散向浓度降低的方向进行。扩散系 数与组分的特性及其环境( 温度、压力、物相，以及其它组分的 性质) 有关。 ( 2 ) 涡流扩散：当流体流速较高，或是用机械搅拌时，流体中 会产生许多旋涡。这种湍流运动带着各种组分一起运动称为涡流 扩散或湍流扩散。为方便起见，由于包含涡流运动的流动过程的 机理尚未被透彻了解，可以用与分子扩散速率方程相似的形式来 描述涡流扩散速率： d c a n a t 2 一et 盲 ( 2 2 ) 式中：n a 。一a 的涡流扩散速率，公斤分子米2 时； e 。一涡流扩散系数，与流体流动的紊乱程度有关， t = “r e ) ，米2 时。 显然，在同时存在分子扩散和涡流扩散的流体中，总的传递 增量n 。应当是两种扩散的传递量之和，即： d c a n a 。+ n a 尸一( d a b + t ) 而f ( 2 3 ) 2 1 2 传质系数 由于在实际问题中，涡流扩散系数及流体中浓度的分布情况 是难以确定的，因此通常两个扩散系数归并在一个传质系数k 之 中，同时，式( 2 - 3 ) 是适用于一个微分单元的扩散速率微分式， 在实际应用中以积分式比较方便。所以可得到下列扩散速率的积 分式： 汽相：n a = k g ( p a l - p a 2 ) = k y ( y a l 一y a 2 ) = k c ( c a l c a 2 ) ( 2 4 ) 液相：n a = k l ( c a l - c a 2 ) = k x ( x a l 一x a 2 ) ( 2 5 ) 式中k g 、k ，k c 一汽相传质系数，公斤分子米2 时，单位推动 力分别以分压p 和汽相组成y 及克分子浓 度c 之差表示： k 。k x 一液相传质系数，公斤分子米2 时单位推动 力( 表示方法同上) ： 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章精馏过程 p a 、y a 、x a 、c a a 的汽相分压、汽相组成、液相组成以 及克分子浓度； 1 、2 一高浓度与低浓度部位。 上述公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 中的任何一个都可以写成如下形式： 阶掣 k y ( 2 6 ) 由此可见，单位面积、单位时间内a 的传递量( 即总扩散速 率) 与扩散的推动力( 浓度差或分压) 成正比，而与传质系数的 倒数k 成反比；故1 k 常被称传质阻力。 传质系数是处理尚未透彻了解的传质问题的权宜之术，应将 分予扩散和涡流扩散两个因素包含在一个系数之中。由于迄今仍 无法确切地用数学描述包括涡流运动的流动情况，所以其传质系 数尚不能由理论计算，而主要依靠实验数据。 2 1 3 相间传质 以稳定态汽一液相接触传质为例。根据“双阻力”理论，在相 间传质的情况下，扩散阻力只存在于两侧流体之内( 即双阻力) ， 而在相界面处物质的传递没有阻力，即y i 与x 一。是互呈平衡的。 这个假设在某些情况下是不合适的，不过，许多汽、液相传质的 实例证明在界面处确实近乎平衡。 对于稳定态传质过程，a 从汽流主体到达界面的速率，必须与 它从界面扩散至液流主体的速率相等，即： n a = k v ( y a g y a 。) = k 。( 。a i - x a l ) ( 2 7 ) 通常界面浓度y 。和x a i 是无法测定的，只能采样得到流体主 体浓度y a g 和x a l ，令y a 为x a l 的平衡汽相浓度，而x a 为y a g 的液相平衡浓度，则整个传质效果可以用总包传质系数表示： n a = k y ( y a g - y a7 ) = k 。( x a - x a l ) ( 2 - 8 ) 式中k v 一以汽相组成推动力为基准的总包传质系数， 其单位与k y 相同； 12 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章精馏过程 k x 一以液相组成推动力为基准的总包传质系数， 其单位与k x 相同。 按平衡关系 y = k x 代入( 2 7 ) 得：n a = k y ( y a o y a i ) = k y k ( x a 一x a i 。) = k 。( x a ，一。a l ) 上式可改写成 n a ( x 7 a x a l ) ( x a i x a l ) 1 k y k 1 k x 按等比定理，得 n a = 兰_ 等= k x ( x 。，一x l ) ( 2 - 9 ) 尹一k x 即专呼1 + i 1 同理可证： n 。：等：k y ( y 。一，。，) k y 。k x k ( 2 ，1 0 1 ( 2 1 1 ) 即i了i+i ( 2 1 2 ) 可见 k k y = k x ( 2 。13 1 式( 2 1 0 ) 、( 2 12 ) 表明了总包传质系数与单相传质系数之间 的关系。式( 2 一1 0 ) 表明：传质过程的总阻力1 k 。为汽侧阻力1 k 。k 与液侧阻力1 k 。之和。当a 的挥发度甚高，即k 值甚大，则1 k ，k ( ( 1 k 。，即传质过程的总阻力主要为液相一侧的阻力所构成，也 即a 的传质速率受液侧阻力所控制，故称为液阻控制，也叫液膜 控制。相反的情况，即为汽阻控制，或叫汽膜控制。在石油精馏 塔中，轻质油品的精馏塔板经常处于液阻控制的情形；而重质油 品的精馏塔板往往属于汽阻控制。 l3 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章精馏过程 2 2 精馏过程的实质 在精馏的过程中，每一个容器都是个汽一液平衡接触级，每 一级都有汽一液两个进料，液相回流中的轻组分浓度应该高于该级 条件下的平衡液相浓度；而汽相进料的轻组分浓度应低于该条件 下的平衡汽相浓度。这就是相间差别。因此，进入每一级的汽、 液流，都是不平衡的，于是就造成了传质推动力，使汽、液两相 经接触后趋近相平衡，汽相中轻组分和液相中的重组分都得到了 提浓，达到一定的分离效果。由此可见，相间的浓度差别是精馏 的第一个前提。 精馏过程是一系列平衡汽化和平衡冷凝的有机结合；在工艺 上，它表现为一系列接触级的有机组合。这些接触级必须自下而 上地降低温度，使平衡条件有规律地逐级变化，形成一个温度梯 度，从而使平衡浓度向高产品浓度接近。没有这一条，高纯度产 品是得不到的。因此，一个合理的温度梯度则是精馏的另一个前 提。 为了创造这两个前提，顶部的冷凝器和底部的再沸器所造成 的回流是必要的条件。顶部产品的冷凝器为精馏过程提供了轻组 分浓度很高而温度较低的顶部液相回流。有了它，就会在各个接 触级依次产生轻组分浓度较平衡液相组成为高的、温度较平衡温 度为低的液相回流。底部的再沸器则提供汽相回流，它的重组分 浓度很高、温度也比较高，这就为各接触级造成了相应的汽相回 流，其重组分浓度总是高于平衡汽相浓度，其温度也高于平衡温 度。于是在顶部液相回流和底部汽相回流的协同作用下，各接触 级才具备了相问差别和温度梯度，使精馏得以顺利地进行。 不言而喻，每一个接触级必须提供汽、液两相密切接触的设 施。由底部汽相回流携入体系中的能量，通过各种接触级在传质 的同时发生的传热作用，逐级由下而上传递，最后由顶部冷凝器 取走。这是精馏过程独特的传热方式。热量由体系中温度最高的 底部传至温度最低的顶部，并不单纯是能量的降级，它也作了一 14 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章精馏过程 部分有用功，即将混合物中各组分分离开。 精馏过程实际上可以在一个单一的设备中实现，这个设备就 是精馏塔，在塔中，由于汽体和液体的相对比重差，自然地形成 汽体向上而液体向下逆向流动，在每一个由塔板或填料构成的接 触级上密切接触。进料从塔的中部进入塔内。塔顶引出的汽相馏 出物是高纯度的轻质产品，塔底流出的是高纯度的重质产品。塔 顶由冷凝器提供液相回流，塔底由再沸器提供汽相回流。 2 3 精馏过程节能的原理 从能量的本质看，精馏过程是将物理有效能转化为扩散有效 能，同时伴随物理有效能的损失。精馏过程有效能损失是由下列 不可逆性引起的：一一是流体的压降；二是相浓度不平衡物流问的 传质或不同浓度物流间的混合；三是不同温度物流间的传热或不 同温度物流间的混合。 浓差、温差及压差是质量、热量和动量传递的推动力，推动 力越大，则不可逆性也越大，有效能的损失随之也就增大。所以， 减小有效能的损失，关键在于减小推动力，而推动力又是实现精 馏所不可缺少的，只有保持一定的推动力，精馏过程= j j + 能得以进 行。在生产实际操作中，情况是非常复杂的，必须考虑各种因素 之间的相互联系及影响。例如，可以通过增大塔径及降低塔板上 的液位，来减小压降，但同时应考虑可能导致投资增大和板效率 的下降。再如，在其他条件不变的情况下，可采用增加塔板数的 措施来减小回流比，但同时要注意由于压降以及塔底、塔顶温差 的增大而导致有效能损失的增大。所以，实际上应综合协调这些 因素之间的相互影响，寻求切实可行的节能措施。 l5 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章精馏塔的基本控制 第3 章精馏塔的基本控制 3 1 精馏塔控制要求与外扰影响因素的分析 在精馏塔的操作过程中，被控变量多，可以选用的操作变量 也多，又可有各种不同组合，所以控制方案繁多。此外，精馏塔 对象的通道很多，反应缓慢，内在机理复杂，变量又相互关联， 而且控制要求又较高。因此在工程设计中必须深入分析工艺特性， 总结实践经验，结合具体特点，才能制定出合理的控制方案”。 由于精馏塔是一个高阶对象，动态响应缓慢，所以较难控制， 剧烈的波动易出不合格产品；因此工艺精馏塔操作的基本要求是 希望塔内能进行稳定的传质过程，能达到规定的产品分离度并且 能量的消耗要小。 所以对精馏塔的自动控制必须满足以下三方面的要求： ( 1 ) 质量指标 塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定产品分离纯度，另一产 品成分亦应维持在规定范围的。 ( 2 ) 物料平衡 馏出液和釜液的平均采出量之和，应等于平均进料量，而且 这两个采出量的变动应该比较和缓，以利于上下工序的平稳操作。 塔釜及塔顶冷凝器，回流罐的蓄液量应介于规定的上、下限之间。 此外，塔内压力恒定与否，对塔的平稳操作有很大的影响。 ( 3 ) 约束条件 为了使塔正常操作，必须满足一些约束条件，例如，塔内汽 液两相流速既不能过高，以免引起液泛，又不能过低，以免引起 塔板效率大幅度下降，操作最好在液泛点附近。再沸器的加热温 差不能大到超过“临界”温度。 在工艺生产过程中，由于多种因素的存在，会遇到各种各样 16 t i 油大学( 华东) 硕士论文 第3 章精馏塔的基本控制 的干扰，影响精馏塔的稳定操作，在众多的干扰中，有些是可控 的，有些则是不可控的，在精馏塔的控制方案设计中必须弄清楚 扰动因素对塔的影响，才能制定较合理、切实可行的控制方案。 现在只对精馏塔的主要扰动因素加以分析： 3 1 1 塔压波动的影响 一般精馏塔总是需要将塔压保持恒定，这是因为塔的压力与 汽液平衡有密切的关系。 塔的设计和操作是基于一定的塔压下进行的，一般来说，只 有将塔操作在稳定的压力下，才能保证分离的纯度和经济性。若 塔压波动，就会破坏原来的汽液平衡，也将影响塔的物料平衡。 保持塔压的另一个主要原因在于一般塔的操作常用温度作为衡量 产品组成的间接控制指标，而温度与产品组分的一一对应关系是 随压力而变的，因此只有在一定压力下才能保持这种一一对应的 关系。否则就应采取温差等其它变量，来作为质量控制指标。 3 1 2 进料量波动的影响 对于进料量波动的影响，可以根据进料混合物的几种状态来 进行分析，假设塔压、再沸器加热量和塔顶回流量维持恒定。 ( 1 ) 全部为液相进料 由于液相进料量的增加会使整个塔的温度下降，使塔顶和塔 低产品中轻组分含量都增加，若进料量减少则相反、从时间上说， 提馏段的操作将最先受到影响。 由此可以得出结论：对液相进料的情况，为克服进料量波动 的影响，以采用提馏段温度控制为好，即测温元件在提馏段，调 节手段为再沸器加热量。 ( 2 ) 全部为气相进料 在气相进料时，由于进料量的增加，会使整个塔温度上升， 使塔顶、塔底产品中的重组分含量增加。若进料量减少，则相反a 对于气相进料的情况，为克服进料量的波动的影响，以采用 精馏段温度控制为好，即测温元件在精馏段，调节手段为改变回 流量。 l7 石油人学( 华东) 硕士论文 第3 章精馏塔的基本控制 ( 3 ) 气液二相混合进料 当气液二相混合进料时，进料量增加会使塔上部温度上升， 下部温度下降，使塔顶产品中重组分含量增加，塔底产品中轻组 分含量增加。若进料量减少，则相反。温度控制方案两者均可， 但是要考虑进料的气液比及其它因素而定。 3 1 3 进料组成波动的影响 当加热量和回流量维持恒定时，进料中轻组分增加，使整个 塔温度下降。塔顶和塔底产品中轻组分含量都会增加。当进料中 重组分含量增加时，则相反。但是，进料组成的变化，往往是不 可控参数，然而它的变化一般都比较缓和。 3 1 4 进料温度波动的影响 进料温度下降，会使塔底轻组分含量增加，这就需要加大再 沸器的加热量。当进料为沸点很高的混合物时，进入塔前往往需 要预热，为了减少进料温度的波动，可采用进料温度自动控制。 3 1 5 塔的蒸汽速度和加热量波动的影响 塔的经济性和效率是在一定的蒸汽速度下得到的。板式塔的 蒸汽是通过泡罩或筛孔的缝隙以鼓泡形式与液体进行热量和质量 交换。组分的分离随着蒸汽速度的增加而改善。塔的最大蒸汽速 度应比“液泛”速度小一些。 为了得到恒定的蒸汽速度，可根据压力或压差来调节加热量。 恒定蒸汽速度的调节只有当进料情况波动不大时才适用，否则将 引起塔底组分显著变化，这是不允许的。 影响塔的蒸汽速度的主要因素是再沸器的加热量。因此稳定 的加热量对塔的平稳操作有很重要的意义。而热载体压力的波动 将会引起加热量的变化。因此要采用稳压、稳流控制。 3 1 6 回流量及冷剂量波动的影响 回流量减少，会使塔顶温度增高，使塔顶产品中重组分含量 增加。因此，在正