精馏塔控制系统

第六章蒸馏塔控制系统6.1概述蒸馏是化工、石化和炼油生产中广泛使用的传质和传热过程。精馏的目的是分离混合液中不同挥发性的组分，达到所需的纯度。精馏过程的实质是利用混合物中各组分的不同挥发性，即在相同温度下各组分的不同蒸汽分压，使液相中的轻组分转化为气相，气相中的重组分转化为液相，从而实现组分的分离。轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶上升的蒸汽冷凝成液相，并提供精馏所需的回流。蒸馏是一个复杂的传质和传热过程。结果表明，有许多过程变量、许多受控变量和许多操纵变量。过程动力学和机制是复杂的。因此，熟悉过程和内部特性对于控制系统的设计非常重要。6.1.1蒸馏塔的控制要求精馏塔的控制目标是在产品质量合格的前提下，保证塔的最高回收率和最低能耗，即使总利润最大，成本最小。整改过程是在一定的约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可以从质量指标、产品收率、能耗和约束条件四个方面考虑。1.质量指标精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。一般来说，一端的产品质量是令人满意的，即塔顶或塔底的产品之一达到规定的纯度，而另一端的产品纯度保持在规定的范围内。就二元蒸馏而言，产品的纯度是指顶部产品中的轻组分含量和底部产品中的重组分含量。对于多组分蒸馏，它由关键组分的含量来表示。关键零部件是指对产品质量有重大影响的零部件。塔顶产品的关键组件是易挥发的，称为轻关键组件。底部产品的关键成分不易挥发，被称为重关键成分。产品成分的含量不是越纯越好，因为纯度越高，对控制系统的偏差要求越高，运行成本越高，产品价格不按比例增加，所以纯度要求应与图6.1-1蒸馏塔示意图所示相同适应要求。2.物料平衡控制进料和出料的平衡，即塔的顶部和底部的输出应与输入平衡，以保持塔的正常和稳定运行以及上下过程的协调。物料平衡控制的目标是冷凝罐(回流罐)和塔底之间的一定液位(在规定的上限和下限之间)。3.能源平衡和经济平衡指标为了保证精馏塔产品的质量和产量，必须降低能耗，平衡能源，实现更好的经济性。4.限制蒸馏是一个复杂的传质和传热过程。为了满足稳定安全运行的要求，对精馏塔的操作参数有一定的限制。气相速度极限：精馏塔内上升蒸汽速度的最大极限。当上升速度过高时，会产生夹带区，塔板上的液体不能向下流动，下部塔板的气相组分会回流到上部塔板，造成溢流现象。最小气相速度极限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小极限。当上升蒸汽速度太低时，上升蒸汽不能支持上部液相，造成夜间泄漏，降低塔板效率，精馏操作不能正常进行。操作压力极限：每个精馏塔都有一个最大操作压力极限。临界温度极限：保证精馏塔正常的传热需要，保证合适的回流温度，使精馏塔能正常运行。6.1.2干扰饲料成分影响物质平衡和能量平衡，但饲料成分通常不可控，在大多数情况下难以测量。2.进料温度和进料焓值进料温度和焓影响蒸馏塔的能量平衡。控制策略是采用蒸汽压力(或流量)定值控制，或根据馏分产品的质量指标形成串级控制。3.再沸器加热蒸汽压力再沸器加热的蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。控制策略是控制塔压的恒定值或控制冷却水压力作为串级控制系统的二次控制变量。4.冷却水压力和温度冷却水温度的变化通常不大，冷却水无法控制。采用空冷时，控制策略是根据塔压进行浮动塔压控制。5.环境温度环境温度变化小，变化范围不大，因此一般不受控制。6.2蒸馏塔的特性6.2.1蒸馏塔的精制状态特征蒸馏塔的精细状态特征可以通过分析塔的基本关系，即物质平衡和能量平衡的关系来表达。以图6.1-1所示的二元简单蒸馏过程为例，说明蒸馏塔的基本关系。1.物料平衡关系精馏塔的进料和出料应保持物料平衡，即物料总量和任何组分都应符合物料平衡关系。图6.1-1所示精馏过程的物料平衡关系如下：总物料平衡(6.2-1)轻组分平衡(6.2-2)可以通过联立方程(6.2-1)和(6.2-2)获得：Or (6.2-3)其中，和分别是进料、顶部馏出物和底部馏出物流速；、分别是进料、顶部馏出物和底部馏出物中的轻组分含量。也可以写成如下：(6.2-4)从以上关系可以看出，增加将导致顶部和底部馏出物中的轻组分含量减少，即减少。然而，当它增加时，它将导致顶部和底部馏出物中的轻组分含量增加。也就是上升。然而，在(或)一定和一定的条件下，和的值不能完全确定，只有和之间的比例关系才能确定，也就是说，一个方程只能确定一个未知数。为了确定与这两个因素的关系，必须建立另一种关系：能量平衡关系。2.能量平衡关系在建立能量平衡关系时，首先必须理解分离度的概念。所谓的分离度可由以下公式表示：(6.2-5)从方程(6.2-5)可以看出，塔系统的分离效率随着分离度的增大和减小而增大。影响分离程度的因素很多，如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组成、进料板位置和塔内上升蒸汽与进料的比例。对于给定的塔：(6.2-6)公式(6.2-6)的函数关系也可用近似公式表示：(6.2-7)或者可以表示为：(6.2-8)塔的特征因素在哪里？从等式(6.2-7)和(6.2-8)可以看出，该值随着增加而增加。也就是说，增加、减少和增加分离效果。由于再沸器施加的热量增加，该公式实际上代表了塔能量对产品组成的影响，因此称为能量平衡公式。此外，从以上分析可以看出，随着塔分离效率的提高，能耗也会增加。对于给定的柱，包括特定的进料组分，只要总和是确定的，就将确定分离结果，即总和。换句话说，塔的顶部和底部组件的两个不确定因素可以由塔的物质平衡和能量平衡的两个方程来确定。当回流比保持不变时，上述结论与一般工艺手册中的结论一致。精馏塔的各种干扰因素通过物料平衡和能量平衡影响塔的运行。因此，弄清精馏塔物料平衡和能量平衡的关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。6.2.2蒸馏塔的动态特性1.动力学方程的建立精馏塔是一个多变量、时变、非线性的对象。人们对其动态特性做了大量的研究工作。为了建立整个塔的动力学方程，蒸馏塔各部分的动力学方程，包括蒸馏段、汽提段塔盘、进料板、塔顶冷凝器、回流罐、塔釜、再沸器等。必须分别建立。以图6.2-1所示的二元蒸馏塔的第一塔板为例，说明如何建立单板动力学方程。总物料平衡：(6.2-9)轻组分平衡：(6.2-10)其中：表示回流流速，下标表示回流液体来自的板；表示上升的蒸汽量，下标表示上升的蒸汽来自哪个板块；指液相的存储量；分别指液相和气相中轻组分的含量，同一下标指回流液和上升蒸汽来自的塔盘。因为每个部分的动力学方程。可以整理出整个塔的动力学方程。对于整个蒸馏塔来说，这是一个多容量、交叉连接的复杂过程。整柱传递函数的整理相当复杂。2.动态影响分析从以上讨论可以看出，精馏塔动力学方程的建立是复杂的，尤其是难以建立一个准确实用的动力学方程。因此，从定性的角度分析精馏塔的动态影响，对控制方案的合理设计具有积极的指导意义。1)上升蒸汽和回流的影响在精馏塔中，上升蒸汽只需要克服覆盖在塔板上的液相阻力，所以上升蒸汽量的变化可以在几秒钟内影响塔顶，也就是说，上升蒸汽流量变化的影响相当快。然而，沿塔板流下的液相有相当大的滞后。当回流体积增加时，累积在塔盘上的液体储存体积必须首先增加，然后离开塔盘的液体速度可以在增加的静液柱的作用下增加。因此，对回流体积变化的响应被延迟。由此，我们可以得出这样的结论：用再沸器的加热量作为控制手段来改变塔上任何地方(除了塔顶板)的气液比都要快于回流速率的响应。2)元件滞后效应总和的变化和所引起的总和的变化都是各塔板上部件之间的平衡所施加的影响的结果。由于组分达到静态平衡需要一定的时间，尽管这些变化会迅速影响塔顶，但塔顶组分的浓度变化仍需要很长时间才能达到新的平衡。同样的变化也是一样的。这需要更多的时间。元件滞后的影响是，在影响元件的液体或气体流速长时间稳定之前，塔盘上的元件不能平衡。随着塔板贮液量的增加，元件滞后现象增加。因此，塔盘数量的增加和回流比的增加将增加塔盘上的液体储存容量，导致组件滞后的增加。当再沸器因热量增加而增加时，可以通过改善气液接触来减少部件的滞后。3)回流罐储液和塔式罐储液的滞后效应根据物质平衡关系，在一定条件下，变化和总和会引起变化。事实上，这种改变只能通过改变(当回流罐中的液位不变时)来影响塔内的气液平衡，从而控制产品的质量和数量。但是，回流罐有一定的液体储存量，从变化到变化会产生滞后。同样的变化也只能通过这种变化(当塔釜液位不变时)来影响塔内的气液平衡，从而控制气液平衡的质量和数量精馏塔控制变量的选择主要讨论质量控制中控制变量的确定和检测点的定位。通常，蒸馏塔有两种质量指示器：直接产品成分信号和间接温度信号。6.3.1使用温度作为间接质量指标对于二元蒸馏塔，当塔压恒定时，温度和组成之间存在一一对应关系。因此，温度通常被用作受控变量。适用于多组分蒸馏塔。由于石油化工过程中大部分精馏产品都是烃类的同系物，在一定的塔压下，温度与组成之间仍有很好的对应关系，误差较小。因此，大多数蒸馏塔仍然使用温度作为间接质量指标。以温度作为间接质量指标的前提是塔压恒定。因此，以下控制方案都认为塔压采用了定值控制系统。1.蒸馏工段的温度控制精馏段的温度控制以精馏段的产品质量为控制目标。根据温度检测点的不同位置，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制、介质温度控制等类型。操纵变量可以选择回流速率或塔顶生产速率。也可以使用来自塔底的输出作为操纵变量，但应用较少。以塔顶温度为控制变量可以直接反映产品质量。然而，由于塔顶相邻塔盘之间的温差较小，控制方案对温度检测装置提出了更高的要求，如高精度、高灵敏度等。此外，产品中的杂质会影响产品的沸点，导致温度波动。因此，采用塔顶温度控制塔顶产品质量的控制方案很少采用，主要用于石油产品的原油馏分按沸点进行控制。精馏段灵敏板的温度作为控制变量，可以快速反映产品成分的变化。敏感板是在扰动影响下温度变化最大的板。因此，在塔盘和上下塔盘之间存在最大浓度梯度，具有快速的过程动态响应。图6.3-1显示托盘11是一个敏感板，当扰动在正向和反向变化时，它具有相对较大的增益。灵敏板的位置可以通过模拟计算或实际测量来确定。由于板效率不易准确估计，在实际应用中，可以在计算出的敏感板上和计算出的敏感板下设置多个温度检测点，这些温度检测点可以根据实际操作条件进行选择。中温通常指托盘略高于或低于充电板，或充电板的温度。以介质温度为控制变量，可以考虑塔顶和塔底的组成，并及时发现操作线的变化。然而，塔顶或塔底的产品成分不能及时反映，因此不能用于分离要求高和进料浓度变化大的应用。精馏段温度控制的场合有：(1)对顶层产品组件的要求比底层产品组件的要求更严格；(2)所有进料均为气相；(3)底部或汽提段的温度不能很好地反映组分的变化，即当组分变化时，汽提段塔盘的温度变化不明显，或者进料中含有比底部产品更重的影响温度和组分关系的杂质。2.蒸馏工段的温度控制汽提段的温度控制以汽提段产品质量为控制目标，根据温度检测点的位置可分为塔底温度、灵敏板温度和介质温度控制。操纵变量可以选择再沸器加