精馏塔的控制

1、精憎塔的限制12.112.1 概述？精储是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程,通过精储过程,使混合物料中的各组分别离,分别到达规定的纯度.?别离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同(沸点不同),使液相中的轻组分(低沸点)和汽相中的重组分(高沸点)相互转移,从而实现别离.?精微装置由精储塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成.精储塔的特点精储塔是一个多输入多输出的多变量过程,内在机理较复杂,动态响应缓慢、变量之间相互关联,不同的塔工艺结构差异很大,而工艺对限制提出的要求又较高,所以确定精储塔的限制方案是一个极为重要的课题.而且从能耗的角度,精微塔是三传一反典型单元操作中能耗

2、最大的设备.一、精储塔的根本关系(1)(1)物料平衡关系总物料平衡：F=D+B(12-1)F=D+B(12-1)轻组分平衡：FzFzf=DxD+Bx=DxD+BxB(12-2)(12-2)联立(12-1(12-1)、(12-2(12-2) )可得：F/、XDD(ZfXB)XBDZDXfFXDXB(2)(2)能量平衡关系在建立能量平衡关系时,首先要了解别离度的概念.所谓别离度(12-3)s s 可用下式表布:(12-5)XD(1XB)sXB(1XD)可见,随着 s s 的增大,XDXD 也增大,XBXB 而减小,说明塔系统的别离效果增大.影响别离度的因素很多,如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效

3、率、进料组分、进料板位置,以及塔内上升蒸汽量 V V 和进料 F F 的比值等.对于一个既定的塔来说：sf(V)(12-6)F式(12-6)(12-6)的函数关系也可用一近似式表示：Vlns(12-7)F或可表示为：VxD(1xB)F1nxBFy(128)式中 B B 为塔的特性因子由上式可以看到,随着 V/FV/F 的增加,s s 值提升,也就是 XDXD 增加,XBXB下降,别离效果提升了.由于 V V 是由再沸器施加热量来提升的,所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响,故称为能量平衡关系式.由上分析可见,V/FV/F 的增加,塔的别离效果提升,能耗也将增加.对于一个既定的塔,包括进料

4、组分一定,只要.尸和 3 3 尸一定,这个塔的别离结果,即XD和XB将被完全确定.也就是说,由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式,可以确定塔顶与塔底组分待定因素.上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定,就确定了别离结果是一致的.二、精储塔的限制要求精储塔的限制目标是,在保证产品质量合格的前提下,使塔的总收益(利润)最大或总本钱最小.具体对一个精微塔来说,需从四个方面考虑,设置必要的限制系统.(1)(1)产品质量限制；(2)(2)物料平衡限制；(3)(3)能量平衡限制；(4)(4)约束条件限制(液泛限、漏液限、压力限、临界温差限等).预防液泛和漏液,可以塔压降或压差来监视气相速度.三

5、、精储塔的主要干扰因素精福塔的主要干扰因素为进料状态,即进料流量 F F、进料组分 z zf、进料温度 T Tf或热始 F FEo此外,冷剂与热剂的压力和温度及环境温度等因素,也会影响精微塔的平衡操作.所以,在精微塔的整体方案确定时,如果工艺允许,能把精储塔进料量、进料温度或热燃加以定值限制,对精微塔的操作平稳是极为有利的.12.312.3精微塔被控变量的选择通常,精储塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号一、采用产品成分作为直接质量指标成分分析仪表的制约因素：分析仪表的可靠性差；分析测量过程滞后大,反响缓慢；成分分析针对不同的产品组分,品种上较难一一满足.二、采用温度作为

6、间接质量指标温度作为间接质量指标,是精储塔质量限制中应用最早也是目前最常见的一种.对于一个二元组分精微塔来说,在一定的压力下,沸点和产品的成分有单值的对应关系,因此,只要塔压恒定,塔板的温度就反响了成分.对于多元精储过程来说,情况较复杂.然而在炼油和石化生产中,许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成,此时,在一定的压力下,温度与成分之间也有近似的对应关系,即压力一定时,保持一定的温度,成分的误差可忽略不计.在其余情况下,温度参数也有可能在一定程度上反映成分的变化.1 1温度点的位置假设希望保持塔顶产品质量符合要求时,即顶部储出液为主要产品,应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶,构成所谓

7、的精储段温控系统；同样,为了保证塔底产品符合质量要求,温度检测点那么应放在塔底,实施提福段温控系统.具有粗微作用的切割塔,此时温度检测点的位置应视要求产品的纯度的严格程度而定.中温限制： 把温度检测点放在进料板附近的塔板上.目的是及时发现操作线的移动情况,兼顾塔顶和塔底组分变化.精储段温度限制FCFCFCFCLCLCD DF F- -2 2灵敏板问题采用塔顶或塔底温度作为间接质量指标时,实际上把温度检测放置在塔顶或塔底是极为少数的.而是把温度检测点放在进料板与塔顶底之间的灵敏板上.所谓灵敏板,是当塔受到干扰或限制作用时,塔内各板的组分都将发生变化,随之各塔板的温度也将发生变化,当到达新的稳态时

8、,温度变化最大的那块塔板即为灵敏板.灵敏板的位置先根据测算,确定大致位置,然后在它的附近设置多个检测点,从中选择最正确的测量点作为灵敏板.三、 用压力补偿的温度参数作为间接指标用温度作为间接质量指标有一个前提一塔内压力恒定.虽然精微塔的塔压一般有限制,但对精密精储等限制要求较高的场合,微小的压力变化,将影响温度与组分间的关系,造成质量限制难以满足工艺的要求,为此需对压力的波动加以补偿.1 1直接压力补偿压力的变化 ApAp 引起沸点变化为 AT,AT,在小范围内,此关系近似为线性关系：(12-12)T校正KpK(ppo)校正后的温度值应为zTT校正TK(ppo)TKpKp)(12-11)(12

9、-13)提储段温度限制提储段温度限制这种直接压力补偿只适用于压力 ApAp 在小范围内波动(2)(2)温差限制在精密精储等对产品纯度要求较高的场合,考虑压力波动对间接指标的影响,可采用温差控制.温差与产品纯度并非是单值对应关系曲线有最高点 M|,M|,在岫点的两侧,温差与浓度之间的关系是反向的,所以温差选得过大,或操作不平稳,均能引起温差失控的现象.温度检测点的位置,对于塔顶储出液为主要产品时,一个测温点应放在塔顶(或稍下一些),即温度变化较小的位置；而另一点放在灵敏板附近,即成分和温度变化较大、较灵敏的位置上.选择温差作为被控变量时,需要注意温差给定值合理(不能过大),以及操作工况稳定.压力

10、变化与各(3)(3)双温差限制为了克服温差限制中的缺乏,提出了双温差限制,即分别在精储段和提储段上选取温差信号.然后把两个温差信号相减,以这个温差的差作为间接质量指标进行限制.温差限制受两个因素的影响：一是进料组分的波动,另一个是因负荷变化而引起塔板的压降变化.前者假设使温差减少,那么后者当压降增大时,温差反而增加,所以是有矛盾的,在这种情况下就难以限制.采用双温差限制后,假设由于进料流量波动引起塔压变化对温差的影响,在塔的上、下段同时出现,因而上段温差减去下段温差的差值就消除了压降变化的影响.从国内外应用双温差限制的许多装置来看,在进料流量波动影响下,仍能得到较好的控制效果.12.412.4

11、精储塔的整体限制方案精微塔是一个多输入多输出的多变量、分布参数、非线性的被控过程,可供选择的被控变量和操纵变量众多,所以精储塔的限制方案有很多,而且很难简单判断哪个方案是最正确.欣斯基ShinskeyShinskey做了大量的研究,提出了精储塔限制中变量配对的三条准那么：1 1当仅需要限制塔的一端产品时,应中选用物料平衡方式来限制该产品的质量2 2塔两端产品流量较小者,应作为操纵变量去限制塔的质量.3 3当塔的两端产品均需按质量限制时,一般对含纯产品较少,杂质较多的一端的质量限制选用物料平衡限制,而含纯产品较多,杂质较少的一端的质量限制选用能量平衡限制.中选用塔顶部产品储出物流量 D D 或塔

12、底采出液量 B B 来作为操纵变量限制产品质量时,称为物料平衡限制；而中选用塔顶部回流 L L 或再沸器加热量 Q QV V来作为操纵变量限制产品质量时,称为能量平衡限制.图 12-1012-10 固定回流量 L L 和加热蒸汽量 Q Q(V)(V)图 12-1012-10 固定储出液流量 D D 和加热蒸汽量 Q Q(V)(V)限制方案的主要特点是无质量反响限制,它们属于产品质量开环限制,只要保持D/F(或日 F)F)和 V/FV/F(或回流比)一定,完全按物料及能量平衡关系进行限制.它适用于产品质量要求不高以及扰动不多的场合.该方案结构简单,但适应性不高,目前应用不多.二、质量指标反响限制

13、一般说来,精储塔的质量指标只设定一个,分别称为精微段限制和提福段限制.能量平衡限制的操纵变量为 L L 或 Q Q(V);(V);物料平衡限制的操纵变量为 D D 或 B B.被控变量除了质量指标外,尚有回流罐液位LD、塔釜液位LB.四个操纵变量与三个被控变量进行配对,表 12-112-1 中的方案 1 1精储段温度限制固定加热蒸汽量表 12-112-1 中的方案 3 3提储段温度限制固定回流量表 12-112-1 中的方案 2 2精储段温度限制固定加热蒸汽量表 12-112-1 中的方案 4 4提储段温度限制固定回流量精储段温度审级限制提储段温度审级限制(2)(2)均匀限制系统(3)(3)比

14、值限制系统(4)(4)前馈限制系统在精储操作中,除了上述限制系统外,选择性限制也常用于约束条件的限制,以及完成自动开停车.此外还有其它一些的复杂限制系统,诸如内回流限制、热燃限制等.五、精福塔塔压的限制(1)(1)常压塔(2)(2)加压塔液相出料a)a)液相出料储出物中含有微量不凝物c c液相出料储出物中含有微量不凝物精帽塔真空度限制精帽塔真空度限制12.512.5 精微塔的新型限制方案随着限制技术的不断开展,新型限制方案、 限制算法不断出现,也有了飞速的开展,尤其是计算机在工业过程中的应用愈益广泛,自动化限制技术工具使得在静储过程的限制中新的限制方案层出不穷,提出的各种新要求.一、内回流、热焰限制二、解耦限制限制系统的品质指标越来越高,保证塔的平稳操作,以及满足工艺三、推断限制四、精储塔的节能限制精储塔的节能限制,首要的是把过于保守的过别离操作,转变为严格限制产品质量的“卡边生产,但这必须有适宜的自控方案来保证塔的抗干扰水平,稳定塔的正常操作.时,也可对工艺进行必要的改良,配置相应的限制系统,充分利用精储操作中的能量,能耗.(1)(1)浮动塔压限制方案塔压浮动的目的所谓塔压浮动,即在可能的条件下,把塔压尽量降低,有利于能量节省.具体地说,塔压下降,从两个方面分析可以降低能耗.a)a)降低操作压力,将增加组分间的相对挥发度,这