精馏塔的控制方案.doc

浅谈精馏塔的控制方案摘要：精馏过程是一个多变量的传质过程，对于不同工况，不同要求的精馏塔，其控制方案也是有差别的，因此，针对不同的工艺要求，根据工艺过程的特点，选择不同的控制方案，对于精馏塔的稳定操作以及产品质量的控制起着至关重要的作用。关键字：精馏塔加压精馏减压精馏自动控制中图分类号：o213.1文献标识码：a 文章编号：一、概述精馏过程是一个传质过程，在石油化工装置中的应用非常广泛，主要是利用混合液中各组分的相对挥发度的不同，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，而使气相中的重组分转移到液相中去，从而达到组分分离的目的。精馏多用于产品或半产品的分离，使之达到规定的纯度。从工艺角度来讲，同是精馏塔，实际上是千差万别的，虽然都是传质过程，但对于分离物质物性、要求相差很多，因为精馏的操作压力与温度是由为建立适当的气液两相共存的条件所决定的，根据不通的混合物和特性，精馏过程一般可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏（真空精馏）三类。（1）常压精馏常压下，沸点在室温以上到150左右的混合物通常在常压下进行精馏，这样，无论在选择再沸器热剂（如水蒸气），还是在选择冷凝器冷剂（如水或空气）时，都是非常方便可行。（2）加压精馏对于常压下沸点在室温以下的混合物，为了提高其沸点，同时使其能够使用室温的冷却剂，降低能耗，常采用加压精馏。例如乙烯乙烷混合物分离。（3）减压精馏（真空精馏）在常压下沸点较高，或者在较高温度下易发生分离、聚合等反映的热敏性物质的混合物，为了降低其沸点，尝尝采用减压操作，例如乙苯与苯乙烯的混合物的分离。正是因为不同的精馏塔，工艺对控制要求也不尽相同，同时精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其内在机理复杂，动态相应迟缓，变量之间相互关联，所以精馏塔的控制对于整个装置稳定操作、安全运行以及产品质量都起着至关重要的作用。同时，精馏过程中存在着气液两相之间的相变过程，需要加热和冷却，能耗较大，随着现在人们对节能意识的提高，精馏塔的节能控制也是十分重要的。一般情况下，精馏塔的控制目标主要有以下几个方面：（1）产品质量指标控制塔顶或塔底产品之一应合乎规定的分离纯度，而另一端产品成分亦应维持在规定的范围内，以保证塔的稳定运行。在某些特定的条件下，也有要求塔顶和塔底产品均保证一定纯度的要求。（2）物料平衡控制塔顶、塔底的平均采出量应等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较和缓，以维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。因此，精馏塔的控制方案中，必须对回流罐和塔釜液位进行控制，使其保持规定范围之内。（3）约束条件控制为保证精馏塔正常而安全地运行，必须使某些操作参数限制在约束的条件之内。如塔内气液两相流速控制在一定的范围内等。因此，针对不同的精馏塔，应选用不同的控制方案以满足工艺的要求。二、塔压的控制对于精馏塔，压力的变化将引起塔内气相流量和塔板上汽-液平衡条件的变化，导致操作条件的改变，从而影响产品的质量。同时，一般的精馏塔都选用温度作为间接质量指标来控制产品的质量，但是用温度作为产品质量指标的一个重要前提就是塔压保持恒定，因此，保持精馏塔压力恒定是保证精馏塔正常操作的一个重要前提。1）加压塔的塔压控制对于加压塔的压力控制方案的确定，不仅与塔顶馏出物是气相还是液相有关，而且还和塔定馏出物中不凝气的多少有关。当塔顶为气相采出时，塔压可以通过调节气相采出量来控制，同时为了保证有足够的冷凝液回流，需设置回流罐的液位控制，通过调节换热器冷剂的流量来控制冷凝量，从而使液位恒定。在回流管线上设置流量调节回路，以保证定回流比回流。如图1所示。如果该精馏塔的气相采出作为后续工序的进料，还可以设置塔顶压力与气相采出流量串级均匀控制，以保证后续工段进料稳定，如图2所示。但是上述方案中可能会导致回流过冷，从而引起塔的扰动，因此，可设置回流温度控制，这时回流罐液位可用回流量来调节。如图3所示。当塔顶为液相采出时，分以下三种情况考虑：a 馏出物中不含有不凝气，可用换热器的冷剂调节塔压，如图4所示。该方案所选用的调节阀安装在液相管道上，口径较小，因此能够节约投资，而且对于北方寒冷地区，当室外温度较低时，能调节循环水量，节约能源。如果循环冷却水流量波动比较大，可设置塔压与循环水流量串级调节，以客服循环水量波动对塔压的影响。但是该方案是通过冷凝量来控制塔压，调节不够灵敏快捷。如果直接用顶部气相流量来控制塔压，如图5所示，其控制虽然比较直接且灵敏，可调范围较大，但是调节阀设置在顶部气相管线上，其口径比较大，成本较高，而且顶部气相温度较高，如果介质腐蚀性较强，更加增加了调节阀的成本。b 馏出物中含有少量不凝气（不凝气含量小于塔顶气相总量的2%时），可采用循环冷却水量与不凝气排气量分程调节来控制塔压。首先用循环冷却水量来控制塔压，当循环水全开时，塔压仍降不下来，再打开不凝气排气阀，以维持塔压恒定。如图6所示。c 馏出物中含有较多不凝气，可通过控制回流罐不凝气排气量来控制塔压。但是该方案仅适用于进料流量、组分、塔釜温度波动不大，如图7所示。2）常压塔的塔压控制在常压精馏时，一般对塔顶压力要求不高，可不设置压力调节系统。可在换热器或回流罐上设置一段与大气连通的管道以平衡压力，从而保持塔压接近于环境压力。但是如果精馏塔对塔压要求严格，或者是塔顶物料不允许与空气接触，如接触空气后会影响产品质量，或者是接触空气后可能产生爆炸的危险时，可使塔顶压力略高于大气压力，设置压力调节系统。其控制方案与加压塔控制方案相同。3）减压塔（真空塔）的压力控制减压塔主要是通过真空系统，用真空泵或蒸汽喷射器等来获取一定的真空度，从而实现真空精馏。因此，减压塔一般通过控制不凝气抽气量来调节塔压。但是对于由蒸汽喷射器来获取真空度的系统，除了调节不凝气抽气量来控制塔压外，还需要在蒸汽管路上设置蒸汽压力调节系统，如图8所示。因为真空度与蒸汽压力之间有严重的非线性，所以不宜用蒸汽压力或流量来直接控制真空度。回流量设定单值调节回路，回流罐液位的控制通过出料量来实现。三、塔温的控制对于一般情况的精馏来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值对应关系，因此只要塔压恒定，塔板温度就反映了成分，所以温度也常常作为精馏塔质量控制的间接指标。1）当要求塔顶产品的纯度要求比较高时，或者进料全部为气相时，一般选用回流量与塔顶采出量两者之一作为产品质量控制的操作变量，另一个择作为回流罐液位控制的操作变量。a 当选用塔顶采出量来控制精馏段温度，控制塔顶产品质量，而采用回流量来调节回流罐液位时，该控制方案的一个最大的优点就是当塔顶产品质量不合要求时，温度控制器可以自动关闭采出阀，防止不合格产品的采出，使塔处于全回流状态，待产品合格后恢复采出，以确保塔顶产品的质量。而且回流量也可以保证基本稳定，对塔的稳定操作比较有利，如图9所示。但是该方案由于温度控制系统滞后较大，特别是回流罐容积较大时反应更慢，这对控制是不利的。本方案可用于回流比较大的场合。b 当选用回流量来控制精馏段温度，而用采出量来控制回流罐液位时，产品质量控制回路响应比较快，滞后比较小，能够客服精馏段的各种干扰，确保产品质量。但是由于温度控制回路会使回流量处于波动状态，塔回流不稳定，影响精馏塔的稳定操作，当然也可以采用精馏段温度与回流量串级调节来改善回流量波动对塔的影响。如图10所示。2）当塔底产品的纯度要求比塔顶产品纯度要求高时，或者进料全部为液相时，一般选用再沸器热剂量与塔底采出量两者之一作为产品质量控制的操纵变量，另一个则作为塔釜液位控制的操纵变量。a 当选用再沸器热剂来控制提馏段温度时，用塔底采出量来控制塔釜液位，回流量采用定值调节并留有一定余量，通过塔顶采出控制回流罐液位，用换热器的冷剂量控制塔压。该方案滞后小，反应快。如果再沸器热媒波动较大，可通过塔釜提馏段温度与热媒流量串接调节，保证提馏段温度恒定。如图11所示。b 当选用塔底出料量来控制提馏段温度时，再沸器热剂量控制塔釜液位。回流量仍保证定回流比回流并留有一定余量，塔顶采出量控制回流罐液位，换热器冷剂量控制塔压。此方案最大的优点是当塔底产品不合格时，温度调节器会自动关闭出料阀，停止采出，直到质量指标合格后才恢复。如图12所示。但是该方案的滞后较大。不管是选用提馏段温度作为质量指标，还是选用精馏段温度作为质量指标，测温点的选择都是很重要的，实际中，很少将测温点选在塔顶或塔底，因为在分离比较纯的产品时，邻近塔两端的各层塔板之间温差很小，这时塔顶或塔底的温度只要有稍许变化，产品质量就可能会超出允许范围，所以要求测温点最好能够设置在受扰动影响时，温度变化最灵敏的地方。但是这在实际中很难实现，所以往往将测温点选择在进料板与塔顶或塔底之间的灵敏板上。灵敏板的位置可以通过逐板计算、比较后确定其大概位置。如果实际情况允许，可在计算的灵敏板附