加压精馏塔压力控制新方法的研究

天津大学 硕士学位论文 加压精馏塔压力控制新方法的研究 姓名 黄碧慧 申请学位级别 硕士 专业 制药工程 指导教师 白鹏 20090501 中文摘要 压力 温度是精馏塔控制中的重要可控变量 实际操作中经常采用稳压变温 控制 目前 压力控制法主要有两种 一是通过调节冷却水流量这一单变量来控 制系统压力 此方法非线性严重 且响应速度慢 二是通过改变传热面积这一单 变量的方法来控制系统的压力 本文提出了一种内回流型加压精馏塔双变量压力 控制方法 即同时改变冷却水量和换热器面积这两个变量的控制方法 以提高控 制的灵敏性和快速稳定系统压力 本文首先以水为实验物系 考察新方法对压力的控制效果 比较双变量的新 方法与单一变量方法实验结果 用H Y S Y S 软件对加压连续精馏过程和加压间歇 精馏过程进行动态模拟 观察在两种不同的操作方式下 冷却水量对外界扰动的 变化 最后采用间歇加压精馏过程分离乙醇一水物系 实验在两组不同的操作压 力下完成 在相对较低的操作压力下用双变量调节方法 而在操作压力较高的情 况下用单变量的调节方法 监测塔顶压力 温度和浓度的变化情况 结果表明 双变量调节法对系统压力的控制更快 在增加相同的流量条件下 用双变量调节能减少约1 3 的时间 当系统压力较低时 即压力范围在 0 2 0 M P a 0 3 5 M P a 时 用调节单变量方法 调压速率慢 此时需要用双变量调节 方法来提高过程压力控制的灵敏性 当系统压力较高 即压力范围在 0 3 5 M P a 0 4 0 M P a 时 两种方法都可以使用 但是若要使两种方法达到相同的调 节效果 那么使用单变量调节方法所需的冷却水量会比使用双变量调节方法所需 的冷却水量多5 但单变量的调节过程会相对平稳一些 调节过快 过头的趋 势几率低 加压精馏过程中 在0 2 2 M P a 的操作压力下 用双变量的调节方法 在0 3 5 M P a 的操作压力下 用单变量的调节方法 结果显示 两种方法都能在 一个过程的8 左右时间内调节压力 但是采用调节冷却水流量的方法 压力上 升和下降至目标值分别用了1 1 0 s 1 4 0 s 而采用双变量同时调节的方法时 压力 上升和下降至目标值分别用了8 0 s 1 0 0 s 说明了虽然两个过程压力调节平稳 但是采用双变量控制法比单变量控制法灵敏度高 能更快地使系统稳定 关键词 压力控制加压精馏换热器面积冷却水量H Y S Y S 动态模拟 A B S T R A C T T e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea r et h ei m p o r t a n tv a r i a b l e si nd i s t i l l a t i o nc o l u m n c o n t r o ls y s t e m T h em e t h o do fc h a n g i n gt e m p e r a t u r ei nac o n s t a n tp r e s s u r ei s v e r y u s u a li nt h ei n d u s t r i a lo p e r a t i o n A tp r e s e n t t h ep r e s s u r ec o n t r o li sb a s e do nc h a n g i n g t h ec o o l i n gw a t e rv o l u m e w h i c hi st h es i n g l ec o n t r o lv a r i a b l e b u tt h i sm e t h o dh a s d i s a d v a n t a g e so fs e r i o u sn o n l i n e a ra n ds l o wd y n a m i cr e s p o n s e O nt h eo t h e rh a n d a i m i n ga tt h ep r o c e s so fe x t e r n a lr e f l u x a l t e r i n gt h eh e a te x c h a n g ea r e ai su s e di nt h e p r e s s u r ec o n t r 0 1 A l t h o u g ht h i sm e t h o dh a sf a s tt r a n s i e n tr e s p o n s e p r e s s u r es t a b i l i t y s i g n a lc o n t r o lv a r i a b l ei sa l s ot h ed i s a d v a n t a g ep o i n t B a s e do nt h i sb a c k g r o u n d t h i s p a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do fp r e s s u r ec o n t r o lw h i c hh a sd o u b l ev a r i a b l e s a i m i n ga t p r e s s u r i z e dd i s t i l l a t i o nw i t hi n t e r a lr e f l u x I no r d e rt oi m p r o v es e n s i t i v i t y t h ep r o c e s s c o m b i n e st h ev a r i a b l e so fc o o l i n gw a t e rv o l u m ea n dt h eh e a te x c h a n g ea r e a I ti s h o p e dt h a tt h i sr e s e a r c hw i l lb e n e f i tf o rw e l lc o n t r o l l i n gp r e s s u r ei ni n d u s t r y T h ep a p e rh a st h r e ep a r t s A tf i r s t w i t hw a t e ru s e da Se x p e r i m e n ts y s t e m T h e e f f e c t so fn e wm e t h o di nt h ep r o c e s so fp r e s s u r ec o n t r o lw e r es t u d i e d a n dt h e nt h e r e s u l t so ft h em e t h o do fs i g n a lc o n t r o lv a r i a b l ew e r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h e m e t h o do fd o u b l ev a r i a b l e s S e c o n d l y i no r d e rt oo b s e r v et h ec h a n g e so fc o n d e n s e r h e a tw h e nt h ei n t e r f e r e n c eb y c h a n g i n gc o l u m nb o r o nh e a t t h ec o n t i n u o u s r e c t i f i c a t i o np r o c e s sa n dt h eb a t c hp r e s s u r i e dd i s t i l l a t i o nw e r es i m u l a t e db yc h e m i c a l p r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r e H Y S Y S I nt h ee n d a ne x p e r i m e n to ns e p a r a t i o no f e t h o n a la n dw a t e rb yb a t c hp r e s s u r i z e dd i s t i l l a t i o nw a sc a r r i e do n T h ee x p e r i m e n th a s t w op a n s o n eW a Sc h a n g i n gd o u b l ev a r i a b l e st oc o n t r o lp r e s s u r ei nt h el o wo p e r a t i o n p r e s s u r e a n dt h eo t h e ro n ei so n l yc h a n g i n gc o o l i n gw a t e rv o l u m et oc o n t r o lp r e s s u r e i nt h e h i g ho p e r a t i n gp r e s s u r e T h e nm o n i t o r i n gt h ec h a n g e so ft o pp r e s s u r e t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n T h er e s u l t si n d i c a t et h a t c h a n g i n gd o u b l ev a r i a b l e si sm o r es e n s i t i v ei np r e s s u r e c o n t r o ls y s t e m b e c a u s ei tC a ns a v eo n e t h i r dp e r i o dt i m e I ti sp r e f e r a b l yc h a n g i n gt h e s i g n a lc o n d e n s e dw a t e ra n dt h eh e a te x c h a n g ea r e aw h e nt h er a n g eo fp r e s s u r ei s 0 2 0 M P a 一0 35 M P a B o t ho ft h em e t h o d sc a nb ea d o p t e d w h e nt h er a n g eo f p r e s s u r ei s 0 3 5 M P a 一0 4 0 M P a B u ti fw ew a n tb o t ho ft h em e t h o da c h i e v et h es a m ee f f e c t t h e v o l u m eo fc o o l i n gw a t e ri nt h em e t h o do f s i g n a lc o n t r o lv a r i a b l ei s5 m o r et h a nt h a t i nt h em e t h o do fd o u b l ec o n t r o lv a r i a b l e C o m p a r e dw i t ht h ep r o c e s so fd o u b l e c o n t r o lv a r i a b l e t h e s i g n a lc o n t r o l v a r i a b l ei S r e l a t i v e l y s t a b l ea n dh a v eI O W p r o b a b i l i t yo fe x c e s s i v er e g u l a t i o n I nt h ep r e s s u r i z e dd i s t i l l a t i o np r o c e s s t h em e t h o d o fd o u b l ec o n t r o lv a r i a b l ew a su s e du n d e rt h ep r e s s u r eo fO 2 2 M P a t h em e t h o do f s i g n a lc o n t r o lv a r i a b l ew a su s e du n d e rt h ep r e s s u r eo f0 3 5 M P a A st h i sm e t h o di S u s e di nt h ee x p e r i m e n to nb a t c hd i s t i l l a t i o n t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a t S e n s i t i v i t yo ft h e t w om e t h o di Se x c e l l e n t b o t ho ft h et w om e t h o dc a nr e g u l a t ep r e s s u r ei n l e S St h a n e i g h tp e r c e n to ft h ew h o l e T h et i m es p e n ti nt h ep r e s s u r er i s i n ga n df a l l i n gt ot h e t a r g e tw e r es e p a r a t e l y110a n d14 0s e c o n d sw h e nu s i n gt h em e t h o do fs i g n a lc o n t r o l v a r i a b l e T h e nt h et i m es p e n ti nt h ep r e s s u r er i s i n ga n df a l l i n gt ot h et a r g e tw e r e s e p a r a t e l y8 0a n d13 0s e c o n d sw h e nu s i n gt h em e t h o do fd o u b l ec o n t r o lv a r i a b l e T h i s s h o wt h a ta l t h o u g ht h et w op r e s s u r er e g u l a t i n ga r eb o t hs m o o t hp r o c e s s t h em e t h o d o fd o u b l ec o n t r o lv a r i a b l ei Sm o r es e n s i t i v et h a nt h em e t h o do fs i g n a lc o n t r o lv a r i a b l e K E YW O R D S P r e s s u r ec o n t r o l P r e s s u r i e dd i s t i l l a t i o n H e a te x c h a n g ea r e a C o o l i n gw a t e rv o l u m e H Y S Y SS i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨壅态茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同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 学位敝作者签名 鹱箬曩 签字日期 肋多年多月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 发碧莞 签字日期 乃D 罗年多月2 日 翩躲确逗 签字日期 2 哆年 月3 日 第一章文献综述 1 1 精馏概述 第一章文献综述 利用混合物中各组分挥发能力的差异 通过液相和气相的回流 使气 液两 相逆向多级接触 在热能驱动和相平衡关系的约束下 使得易挥发组分 轻组分 不断从液相往气相中转移 而难挥发组分却由气相向液相中迁移 使混合物得到 不断分离 称该过程为精馏 1 1 其精馏过程如图1 1 所示 原料从塔中部适当位 置进塔 将塔分为两段 上段为精馏段 不含进料 下段含进料板为提馏段 冷 凝器从塔顶提供液相回流 再沸器从塔底提供气相回流 L D 气 受分离器 B 图1 1 精馏过程 F i g 1 1T h es c h e m eo fc o n t i n u o u sr e c t i f i c a t i o n 在精馏段 气相在上升的过程中 气相轻组分不断得到精制 在气相中不断 地增浓 在塔顶获轻组分产品 在提馏段 其液相在下降的过程中 其轻组分不 断地提馏出来 使重组分在液相中不断地被浓缩 在塔底获得重组分的产品 精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别是在塔两端同时提供纯度较高的液相 和气相回流 为精馏过程提供了传质的必要条件 提供高纯度的回流 使在相同 理论板的条件下 为精馏实现高纯度的分离时 始终能保证一定的传质推动力 所以 只要理论板足够多 回流足够大时 在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品 第一章文献综述 而在塔底获得高纯度的重组分产品 B u c k l e y 2 1 指出精馏过程是 个复杂的传质传热过程 表现为 过程变量多 被控变量多 可操纵的变量也多 过程动态和机理复杂 例如 同一被控变量可 以采用不同的控制方案 控制方案的适应面广等 因此 熟悉工艺过程和内在特 性 对控制系统的设计十分重要 1 2 精馏塔的基本控制 从控制系统的角度看 精馏塔具有如下的特点 精馏塔具有许多塔板 是高 阶对象 对控制作用反应比较缓慢 且非线性强 受多种因素影响 控制回路多 而且回路之间存在耦合作用 常采用间接质量指标控制产品成分 就会造成控制 产品质量的误差 精馏塔往往是生产过程中最后一个单元 控制质量直接影响产 品质量和数量 对许多工厂来说 能耗精馏过程往往约占全厂的4 0 是能耗 大户 3 1 1 2 1 精馏塔的变量分析 精馏塔的控制目标是 在保证产品质量合格的前提下 使塔的回收率最高 能耗最低 即使总收益最大 成本最小 精馏过程是在一定约束条件下进行的 因此 精馏塔的控制要求可从质量指标 产品产量 能量消耗和约束条件四方面 考虑 们 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 通常 满足一端的产品质量 即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度 而另一端产品的纯度维持在规定范围内 产品组分含量并非越纯越好 原因是 纯度越高 对控制系统的偏离度要求就越 高 操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加 因此纯度要求应与使用要求 适应 2 物料平衡控制 进出物料平衡 即塔顶 塔底采出量应和进料量相平衡 维持塔的正常平稳 操作 以及上下工序的协调工作 物料平衡的控制是以冷凝罐 回流罐 与塔釜 液位一定 介于规定的上 下限之间 为目标的 3 能量平衡和经济平衡性指标 要保证精馏塔产品质量 产品产量的同时 考虑降低能量的消耗 使能量平 衡 实现较好的经济性 4 约束条件 第一章文献综述 精馏过程是复杂传质传热过程 为了满足稳定和安全操作的要求 对精馏塔 操作参数有一定的约束条件 例如 一定的气相速度 一定的操作压力 临界温 度等 为了达到上述的四个目标 应先进行精馏塔的变量分析 有三类变量包括 被控变量 操纵变量 干扰变量 E n g l u n d 5 指出被控变量应该有5 个 即塔顶产品浓度 塔底产品浓度 塔内 压力 贮罐液位和塔底液位 塔顶和塔底产品浓度是反映产品质量的变量 控制 它们是为了达到产品符合规定的目的 而这些被控变量设定值的确定要从产品的 规定纯度和卡边操作 6 等因素来考虑 卡边控制是指应将主要产品塔顶馏出液X D 或者塔底液X B 的纯度尽可能保持其规定的要求 既不应不合格 也不应超 规格 这五个被控变量中 成分控制可以是直接的也可以是间接的 直接的控制即 对产品物料流进行在线成分测量 7 1 例如 采用在线工业色谱仪作为检测手段 构成成分作为被控变量的闭环控制回路 这种方案的优点是直接测出和控制产品 成分 但也存在一些问题 在线工业色谱仪价格昂贵 维护困难 在线检测的纯 滞后时间长 从而不利于品质的提高 因此应用不很普遍 王金林博j 指出现在比 较普遍的是采用软测量技术直接检测出产品浓度 既可克服采用工业色谱仪存在 的问题 又可发挥直接成分控制的优点 当采用计算机控制时 这是一项值得推 广的方案 另一方面 成份间接的控制 9 即利用可代表产品成分的物性 例如 折射率 密度 蒸汽压 冰点等 最常用的是塔板的 平衡 温度 依据相律 对 二元物系 在恒定的压力下 气液两相平衡温度与成分有着一一对应关系 因此 用温度代表产品成分是一种快捷和简便的方法 然而 必须注意二元物系和压力 恒定两个条件 否则会导致谬误 控制贮罐液位和塔底液位两个被控变量i 5 J 是 为了保持塔的平稳操作 这些被控变量设定值的确定仅是从稳定操作考虑 而与 产品质量的规格无关 控制贮罐液位和塔底液位恒定可避免物料的积累 使整个 塔的操作保持物料平衡 气液两相温度与浓度是有一定的对应关系 但这必须是在压力一定的前提 下 如果塔的压力发生波动 气液两相温度与浓度的对应关系也会发生变化 在 此条件下 若用温度控制采出产品的质量 压力发生变化时 产品的质量就会受 到影响 因此 塔压是精馏塔控制中的重要被控变量 操纵变量是通过改变调节阀开度而对介质进行调节的 这个介质变量称操纵 变量 控制系统是通过操纵变量来控制被控变量 通常操纵变量是流量 对于一 个典型的精馏塔 操纵变量也有五个 l o 即塔顶馏出液流量D 塔底流出量B 回流量L 冷却量和塔釜加热蒸汽量 如图1 2 所示 第一章文献综述 图1 2 精馏塔的变量图 F i g 1 2T h es h c m eo fv a r i a b l e si nd i s t i l l a t i o n 在精馏控制过程中 干扰变量可分为两判1 1 一类是可控干扰变量 例如塔 的进料流量 进料温度或焓等 对它们可设置相应的流量和温度控制回路 使其 保持恒定 也可不加控制 另一类是不可控干扰变量 例如进料成分 环境温度 冷却水温度 大气压力等 控制的目的就在于克服干扰变量的扰动影响 使操作 保持在相应的外部条件下达到上述的基本目标 1 2 2 物料平衡控制 王长明 l2 J 定义的物料平衡 M B 是通过操纵进出塔的物料流量来控制的 设进料中轻组分浓度升高 引起温度下降 温度控制器将增大蒸发量 导致塔压 上升 压力控制将加大冷凝 贮罐液位则上升 液位控制器将增大馏出物流量 使X D 下降从而补偿扰动 即进料轻组分升高而造成的x D 上升 达到X D 不变的 控制目的 同时 上述的蒸发量增大 将减d N 达塔底贮槽的液体量 液位下降 液位控制器将减小塔底产品的流量 而使X B 下降 从而补偿扰动引起的x B 上升 达到X B 不变的目的 控制作用的净结果是物料平衡中的一个移动 使原料中更多部分以馏出物离 塔 而从塔底离去的部分减少 这个移动使轻组分移向塔上部 保持塔底成分为 常数 也使塔顶成分为常数 基于麦丘恩和加利尔等人的研究工作 1 3 表明改变 物料平衡分割 即D F 对产品成分的灵敏度 要比改变回流的灵敏度高几倍 因 此 精馏塔应采用物料平衡控制方案 仅当M B 控制方案不能设计出来时 才考 虑采用另外的控制方案 在M B 控制中有一个隐含的规刊M 即任 产品物流不能是流量控制或是自 由物流 因为如果进料和一个产品的流量固定 那么另一个产品的流量必定是此 第一章文献综述 两个流量之差 否则将有物料积累 这样 就将物料平衡固定 不能通过移动物 料平衡来控制产品成分 由此 用流量控制一个产品物流将会导致不良的产品浓 度控制 鉴于此项规定的限制 使得物料平衡控制变量的配对显著减少 考虑到 贮罐液位对塔底产品流量的不灵敏性 和塔底液位对馏出液流量的不灵敏 这样 只剩下六个可能的控制方案 1 5 如表1 1 所示 表1 1M B 控制的组合 T a b 1 11 1 1 ec o m b i n a t i o no fM Bc o n g o l 注 D 馏出液 B 塔底产品量 H 加热量 D i r 直接物料平衡控制 l n d 间接物料平 衡控制 上述的控制方案中有涉及到两种控制类型 一种是直接物料平衡控制 直接 M B 控制是成分 或温度 控制器直接控制一股产品物流 另一股产品物流则由液 位或压力控制 图1 3 d 称为精馏段直接物料平衡控制 图1 3 e 称为提馏段直接 物料平衡控制 图1 3 d 与方案图1 3 b 类似 只是互换了回流和产品流量的控制 适用于两个产品都是液体产品的塔 因为 当塔顶为气相产品时 按本方案思想 是要用成分控制器来控制塔顶气相产品流量 但是此时用压力控制器来控制产的 流量更好 所以 在这种情况下 采用图1 3 c 更为适宜 图1 4 e 的控制方案类 似于图的方案 但蒸发量控制和塔底液位控制互相进行了交换 这种方案比其它 几个常用控制方案用得稍少 这主要是因为它对逆响应灵敏度更高 另一种是间接物料平衡控制 在间接物料平衡 M B 控制中 成分 或温度 控 制器不是直接调节产品流量 而是用回流量 蒸发量或冷凝速率作用操纵变量 产品流量由液位或压力来控制 这样 物料平衡的调整是通过液位或压力间接实 现的 在分析控制方案的分步动作时 这一点会显得很清楚 如图1 3 a 所示的 间接物料平衡控制方案 图1 3 a 和图1 3 b 是塔顶生产一个液体产品时的两种间 接物料平衡控制方案 图1 3 a 中成分 或温度 控制器调节蒸发量 而回流是自由 物流 在图1 3 b 中这些控制配对作了交换 当塔顶产品是蒸汽时 由压力来控 制产品流量 贮罐液位控制冷凝速率 如图1 3 c 所示它具有图l 一3 a 类似优缺点 第一章文献综述 b 图1 3 物料平衡控制方案 F i g 1 3T h es c h e m eo f m a t e r i a lb a l a n c ec o n t r o l a 一间接物料平衡控制 成份控制蒸汽 b 一间接物料平衡控制 成份控制回流量 卜同a 但产品是汽相 扛直接物料平衡控制 成份控制馏出量 e 一直接物料平衡控制 成份控制塔底采出量 直接M B 控制方案主要优点是减少能量扰动 如冷却介质 热介质或塔热损 失等对塔操作的影响1 1 6 1 质量控制和能量控制间的分割比较清楚 直接物料平衡 控制从表面上看或从稳态平衡情况来看 这个方案很直接 但从动态过程看 事 情并不如此 因为气液两相接触和质量交换是在塔内各块塔板上进行的 调整了 B 或D 的流量 并不能立即影响到塔内 只有在B 或D 的变化影响了塔釜或贮 罐液位时 才会调整载热体流量 从而影响上升蒸气量 或调整回流量 使塔内的 情况发生变化 如果液位响应不快 或是液位控制回路的响应不迅速 都会使B 的效应不能迅速进入塔内 塔内物料平衡关系不能迅速有所调整 1 7 1 这个情况有 时相当严重 甚至使整个控制方案不能奏效 间接M D 控制却正好与直接M B 控制相反 质量控制与能量控制相互交叉 分割不很清楚 但在动态效果上比较迅速 这是因为直接用成分调整加热量 提馏段控制通常用于下列场创1 8 1 主要产品为底液B 第一章文献综述 2 主要产品虽为馏出液D 但B 的流量很小 调节B 比较精确和方便 3 主要产品虽为馏出液D 但是温度或浓度的响应在提馏段比较显著 精馏段控制通常用于下列场合f 1 8 1 主要产品为馏出液D 2 主要产品虽为底液B 但D 的流量很小 调节D 比较精确和方便 3 主要产品虽为底液B 但温度或浓度变化在精馏段比较显著 1 2 3 能量平衡控制 能量平衡控制是由能量平衡的变化控制产品的成分 自由变量是两个产品流 量的一个 19 1 如图1 4 所示 图l 4 能量平衡控制方案 F i g I 4T h es c h e m eo fe n e r g yb a l a n c ec o n t r o l 能量平衡控制的主要缺点 物料平衡的变化与控制相互影响 能量平衡变化 对成分控制的灵敏度 比物料平衡变化的灵敏度要低 需要操作人员不断对产品 流量进行干预 以解决塔中组分的积累问题 贮罐液位控制作用通常整定得很慢 例如 胡燕祝 2 0 J 指出 原料中轻组分浓度升高 塔底部温度将下降 温度控制器 将增大蒸发量以使温度上升 塔压升高 压力控制器增大冷凝速率 贮罐液位上 升 液位控制器使流入塔内的回流增加 这样又引起控制板温度的下降 再增大 蒸发量 即物料平衡变化与控制相互影响 如此继续直到回流和蒸发量升高后的 综合效应 使控制板上温度上升 而保持原控制温度点为止 同时 在整个调整 过程中系统中轻组分会产生积累 这将引起回流和蒸发量的进一步增大 最终 回流量和蒸发量将超过它们的期望值 此时操作人员将人工干预放出更多的产 品 制止回流和蒸发量的上升 产品就这样成半连续方式操作 如果操作人员增 加产品流量过大 回流和蒸发量将开始下降 应用这种方案通常会发生缓慢而又 第一章文献综述 连续的回流和蒸发量变化的循环 由于上述原因 图1 4 方案是不推荐的 仅用于不能得到一个满意的物料平 衡控制方案时 或者与高级控制或计算机控制相结合时 但在某些情况下 此方 案能提供比其它方案更好的产品成分控制 例如 K a r a c a n 2 1 就将此方法用于回 流比R 在大于l O 的超纯精馏的实例中 此时 因馏出物流量太小 难以满意地 实现贮罐液位控制或温度控制 L a r s s o n 2 2 曾将此方案用于丙烯一丙烷精馏塔 它能提供比图1 3 d 方案更紧密的成分控制 但操作者需周期性地调节物料平衡 在这种场合下 回流和蒸发量的循环变化是允许的 因为塔并非在接近极限的条 件下操作 1 2 4 温度控制 对于二元精馏塔 当塔压恒定时 温度与成分之间有一一对应的关系 因此 常用温度作为被控变量 对于多元精馏塔 由于石油化工过程中精馏产品大多数 是碳氢化合物的同系物 在一定塔压下 温度与成分之间仍有较好的对应关系 误差较小 因此 绝大多数精馏塔仍采用温度作为间接质量指标 2 3 采用温度作为间接质量指标的前提是塔压恒定 因此 下述控制方案都认 为塔压已经采用了定值控制系统 1 精馏段的温度控制 精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标 根据温度检测点的位置不 同 有塔顶温度控制 灵敏板温度控制和中温控制等类型 2 4 操纵变量可选择回 流量L 或塔项采出量D 也可将塔釜采出量B 作为操纵变量 但应用较少 B 图1 5 精馏段温度控制 F i g 1 5T h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fr e c t i f y i n gs e c t i o n 采用塔顶温度作为被控变量 能够直接反映产品质量 但因邻近塔顶处塔板 第 章文献综述 之间的温度差很小 该控制方案对温度检测装置提出较高要求 例如高精确度 高灵敏度等 2 5 1 此外 产品中的杂质影响产品的沸点 造成对温度的扰动 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 N e w w e l l l 2 6 将此方法用于 石油产品按沸点的粗级切割馏分处理 采用精馏段灵敏板温度作为被控变量 能够快速反映产品成分的变化 灵 敏板是在扰动影响下塔板温度变化最大的塔板 因此 该塔板与上下塔板之间有 最大的浓度梯度 具有快速的过程动态响应 2 丌 图1 6 显示第1 l 塔板是灵敏板 该塔板在扰动正方向变化时具有相接近的较大的增益 灵敏板位置可仿真计算或 实测确定 因塔板效率不易准确估计 因此 实际应用时 可在计算的灵敏板上 下设置若干温度检测点 根据实际运行情况选择 图1 6 塔板与温度变化曲线 F i g 1 6T h ec u r v eo ft e m p e r a t u r ec h a n g ew i t ht h ep l a t e 中温通常指加料板稍上或稍下的塔板 或加料板的温度 B e z z o 2 8 采用中温 作为被控变量 可以兼顾塔顶和塔底成分 及时发现操作线的变化 B e z z o l 2 9 同 时指出此方法不能及时反映塔顶或塔底产品的成分 因此 不能用于分离要求较 高 进料浓度变化较大的应用场合 采用精馏段温度控制的场合是 3 0 对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分 的要求严格 全部为气相进料 塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化 即 组分变化时 提馏段塔板温度变化不显著 或进料含有比塔底产品更重的影响温 度和成分关系的重杂质 2 提馏段的温度控制 提馏段温度控制 3 l 以提馏段产品的质量为控制目标 根据温度检测点位置可 分为塔底温度 灵敏板温度和中温控制等 操纵变量可选择再沸器加热蒸汽量 V s 或塔底采出量B 也可将塔顶采出量D 作为操纵变量 但应用较少 控制策 略与精馏段温度控制类似 第一章文献综述 B 图1 7 提馏段温度控制 F 喀 1 7T h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fs t r i p p i n gs e c t i o n 采用提馏段温度控制的场合是 3 0 对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分 的要求严格 全部为液相进料 塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化 即 组分变化时 精馏段塔板温度变化不显著 或进料含有比塔顶产品更轻的影响温 度和成分关系的轻杂质 采用回流控制时 回流量较大 它的微小变化对产品成 分影响不显著 而较大变化又会影响精馏塔平稳操作的场合 3 采用压力补偿的温度作为间接质量指标 塔压恒定是采用精馏塔温度控制的前提 当塔压变化或精密精馏等控制要求 较高时 微小的压力变化将影响温度和成分之间的关系 因此 需对温度进行压 力补偿 常用的补偿方法有温差控制 双温差控制和补偿计算控制 温差控制 精馏塔中 成分是温度和塔压的函数 当塔压恒定或有较小变化时 温度与 成分有一一对应关系 但精密精馏时 产品纯度要求较高 微小塔压变化将引起 成分波动 温差控制的原理是以保持塔顶 或塔底 产品纯度不变为前提的 塔压变 化对两个塔板上的温度都有影响 且影响有几乎相同的变化 因此 温度差可保 持不变 通常选择一个塔板的温度和成分保持基本不变的作为基准温度 例如 P e n y 3 2 选择塔顶 或稍下 或塔底 或稍上 温度 另 点温度选择灵敏板温 度 温差控制常应用于分离要求较高的精密精馏 例如 苯一甲苯一二甲苯 3 3 乙烯一乙烷 3 4 1 丙烯一丙烷 3 5 等精密精馏 双温差控制 精馏塔温差控制的缺点是进料流量变化时 会引起塔内成分变化和塔压压降 变化 他们都使温差变化 前者使温差减小 后者使温差增大 使温差与成分呈 第一章文献综述 现非单值函数关系 r 婶l 幸 1 j i j 持 一 嬉2 垒 T 图1 8 双温差控制示意图 F i g 1 8T h ed u a la p p r o a c ho ft e m p e r a t u r ec o n t r o l 周传光 3 6 1 的双温差控制的设计思想是进料对精馏段温差的影响和对提馏段 温差的影响相同 因此 可用双温差控制来补偿因进料流量变化造成的对温差的 影响 应用时除了要合适选择温度检测点位置外 对双温差的设定值也要合理设 置 根据压力补偿计算温度设定值的控制 采用计算机控制装置或D C S 进行精馏塔控制时 由于计算机具有强大的计 算功能 因此 对塔压变化的影响也可用塔压补偿的计算方法 3 7 进行 补偿公式 如下 乙母警 p 咄 参 p 州 式中 珏是产品所需成分在塔压P o 时对应的温度设定值 P 是塔压测量值 尸 是设计的塔压值 T s p 是在实际塔压尸条件下的温度设定值 因此 组成根据 塔压模型计算温度设定值的控制系统 应用时需合理设置补偿公式中的系数项 通常 取N 次幂已经满足控制要求 当精确度不能满足产品纯度要求时 也可 增加幂次 此外 对塔压信号需进行滤波 温度检测点位置应合适 补偿系数应 合适 1 2 5 压力控制 由上述可知 塔压是精馏塔控制中的重要被控变量 它将影响冷凝 蒸发 温度 成分 挥发度和精馏过程中所发生的所有过程 但是 压力是否必须严格 控制 要视具体情况而定 对于常压塔 只要在塔顶 一般在冷凝器出口 有放气口 塔内压力必将等 于大气压 不需另设控制回路 对于加压塔 赵g 岭1 3 8 1 提出压力浮动控制 使冷 一 广 第一章文献综述 凝器发挥最大效能 把塔压尽量降低 有利于混合物的分离 打破了塔压必须保 持恒定的习惯 然而 对于大多数加压塔和减压塔 常取温度作被控变量 未加 压力补偿 仍希望塔压保持恒定 需设置塔压控制 塔压的扰动分为两类 一类是塔的热量平衡受到干扰 例如供热量增加 将 使塔压上升 要保持热量平衡有三条途径 调整再沸器的供热量 调整冷凝 器的致冷量 除热量 凋整气相出料的比例 由于压力控制是在上述的基本控 制基础上设计的 因此只能采取后两种办法 一般液相出料时都采用调整除热量 的方法 气相出料时则可采用调整气相出料比例的方法 可见 塔压控制是与冷 凝器控制密切相关的 另一类的扰动是 不凝性气体的积聚 在这种情况下 如 不用适当方式放空 压力也将上升 因此 当进料中含有不凝性气体时 必须设 法排放 塔压的控制按照产品为气相 液相 气液两相三种情况分别考虑 1 2 5 1 产品为液相 采用通过调节冷凝器除热量的控制方案控制塔压 一般有三种控制方式 1 第一种是改变冷却剂流量 调节冷凝器的冷却剂流量可以控制塔压 这 时取冷却剂流量作为操纵变量 如图1 9 a 所示 它是塔压控制的基本控制方案 一般使用冷却水作为冷却剂 这种控制方案非线性严重 而且动态响应比较慢 万斌 3 9 1 提出了一种改善控制品质的方法是引入串级副回路 从而克服非线性影 响 对于采用其它冷却剂时 塔压的控制如下 采用致冷剂时 C a n e t e 4 0 提出了塔压液位串级控制 如图1 9 b 所示 冷 凝器是釜式再沸器 致冷剂在其中沸腾 当致冷剂液位降低时 致冷面积减小 塔顶蒸汽冷凝减少 塔压升高 但是 这种控制方案的响应较慢 因为必须通过 改变致冷剂液位才起作用 采用致冷剂时 塔压控制致冷剂蒸汽出口流量 如图1 9 c 所示 这种方 案响应较快 但容易发生从冷凝器中夹带液体 M a i d i l 4 l 采用塔压控制器改变风冷机的速度 或让片的倾角来控制压力 这种控制方案能量效率高 可减小风机能耗 如图1 9 d 所示 K a n o 4 2 采用改变涡轮膨胀机进口导向叶片的方案 通常用于深冷脱甲烷 塔装置的气体压力控制 因为调节导向叶片可改变膨胀机速度和功率 从而可改 变膨胀机中的冷凝量 如图1 9 e 所示 这种控制方案响应快 能实现良好的塔 压控制 第一章文献综述 a d b c 菠体产品 e 图1 9 改变冷凝剂流量进行压力控制 F i g 1 9T h es c h e m eo fc h a n g i n gt h ef l o wr a t eo fc o n d e n s e rt Oc o n t r o lt h ep r e s s u r e a 一液体冷凝剂 b 一控制液体制冷剂 c 一控制致冷剂蒸汽流出量 L 控制空气冷却剂 e 一控制涡轮膨胀机进口导向叶片 2 第二种控制方式是改变冷凝的传热面积 对于生产液体产品的全凝器 这是一种最通用的方法 调节冷凝器排出的冷凝液量 可直接或间接地改变冷凝 器浸没区域 当冷凝器排出的冷凝液流量减小时 可增大冷凝器中浸没的区域 使暴露在蒸汽中进行冷凝传热的面积减小 从而减小了冷凝速率 使塔压升高 如图1 1 0 所示 塔顶 汽相 L L D 图1 1 0 改变冷凝传热面的塔压控制方案 F i g 1 一l0T h es c h e m eo fc h a n g i n gt h ea r e ao fc o n d e n s e rt oc o n t r o lt h ep r e s s u r e 3 第三种控制方式是采用张艳霞 4 3 研究的热气体旁路的方法 这是通过改 一 銎至王墨 第一章文献综述 变冷凝器旁路的热气体量来控制塔压的方案 其控制方案的冷却剂流量一直保持 最大 当冷却剂采用空气的空冷器时 因空气量一般不作凋节 所以这种方案成 为空冷器控制塔压的最常用的控制方式 如图1 1 1 所示 o 1 2 5 2 产品为气相 图1 1l 采用热气体旁路的塔压控制方案 F i g 1 1 lT h e m e t h o do f h o tv a p o rb y p a s sc o n t r o l 采用调节气相出料的比例方案控制塔压 有以下两种控制方式 1 第一种是改变产品流量 当塔有蒸汽产品时 通常最简单又直接的方法 是压力控制器直接调节蒸汽产品流量 从而控制了塔压 如图1 1 2 a 所示 S c h n e i d e r l 2 7 在此基础上增加气相产品流量副回路 并和塔压控制构成串级控制 有更好的效果 这时 冷凝器贮罐液位是用冷却水量来控制 以维持物料平衡 如图1 1 2 b 所示 此塔压控制方案 常用于加压塔且塔顶产品有气相出料的情况 料 图1 1 2 改变气相出料比例控制塔压 加压塔 F i g 1 1 2T h es c h e m eo f c h a n g i n gt h er a t eo f v a p o u rp r o d u c e dt oc o n t r o lt h ep r e s s u r e a 一改变产品流量 b 一串级塔压控制方案 2 第二种方法是改变蒸汽倒回量 减压塔 对于减压精馏塔陈春林 删提出 可利用压力控制器来改变流向喷射泵的蒸汽量 如图1 1 3 所示 第一章文献综述 图1 1 3 改变蒸汽产品回流量 真空塔 F i g 1 1 3T h es c h e m eo f c h a n g i n gt h ev a p o rq u a n t i t yo f r