第七章 精馏塔的控制.ppt

1、第七章 精馏塔的控制,第一节：概述 第二节：精馏塔的特性（动态和稳态） 第三节：精馏塔受控变量的选择 第四节：精馏塔的基本控制,第一节 概 述,一、精馏 利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离如石油裂解气含多种成分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等耗能占4050 沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分 气液平衡气相中轻组分浓度高 液相中重组分浓度高 多层塔板连续的气液平衡提高产品纯度 塔顶以气相形式抽出轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出重组分浓度高 塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布 梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好,第一节 概 述,一、精馏 利用各组分挥发度的不同

2、，进行混合物分离。如石油裂解气含多种成分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等，耗能占4050 沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分 气液平衡气相中轻组分浓度高 液相中重组分浓度高 多层塔板连续的气液平衡提高产品纯度 塔顶以气相形式抽出轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出重组分浓度高,塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布 梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好 泡点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物出现第一个气泡时的温度称为泡点 露点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化全部变成饱和气相的温度称为露点。,精馏塔原理示意图,1、工艺流程 2、分类 板式塔 筛板塔、泡罩

3、塔、浮阀塔 穿流塔、浮喷塔、浮舌塔 填料塔 增加气液两相的接触面积 乱堆填料，规整填料 3、机理复杂、控制难度大 多输入多输出，滞后大，变量之间相互关联，机理复杂，控制要求高,精馏塔物料流程图,二、控制要求 在保证产品质量合格的前提下，回收率最高，能耗最低 或总收益最大，或总成本最低 1、质量指标产品的纯度： 二元组分精馏： 多元组分精馏塔：通常只能控制其中的关键组分的浓度 轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分 重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分,2、保证平稳操作 物料平衡：塔顶产品和塔底产品流量之和应等于进料量，塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。 能量平衡：进料

4、热量塔底再沸器加热量塔顶产品热量塔底产品热量塔顶冷凝器冷却热量热量损失 进料、冷剂、加热剂的控制,3、约束条件 液泛限：气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，称为“雾沫夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为液泛。气相速度的上限称为液泛限。（另外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛） 漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。 压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。 临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，不能保证正常传热

5、。,4、节能与经济性 回收率： 例如：丙烯丙烷塔，进料流量F，丙烯含量Ei，塔顶丙烯 产品流量D，则丙烯回收率 D/(FEi )100 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。 能耗产品纯度回收率的关系 能耗不变时，产品纯度，回收率 保证产品纯度时，能耗，回收率，但回收率增加到一定程度时，提高的就不明显了。 保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少些。,4,V/F=2,6,8,产品回收率,产品纯度（对比）,三、精馏塔的扰动分析 （1）分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可以合理的设计控制方案。 （2）各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影

6、响都是通过物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。 （3）物料平衡影响因素：进料流量 进料组成 塔顶，塔底产品采出量及组成 能量平衡影响因素：进料温度 再沸器加热量 冷凝器冷却器 环境温度,（4）可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷却量，采出量。 不可控扰动：进料流量（主要扰动） ，进料组成（主要扰动） ，环境温度 四、精馏塔控制的特点 多入多出过程 动态响应慢 变量间互相关联,第二节 精馏塔的特性,一、物料平衡和内部的物料平衡（静态） 全塔的物料、各组分 塔内部各段（进料板、精馏段、提馏段）总物料各组分均应保持物料平衡 1、全塔物料平衡 对于二元精馏：

7、 F为进料流量（kmol/h）; D为塔顶馏出液采出量（kmol/h） B为塔底釡液采出量（kmol/h） ZF，xD，xB分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩尔分率。 解得： （7-3）,或 （7-4） 表明：xD与xB之间的关系受F/D（或F/B）、ZF的影响。 进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分组成关系一定。xD则xB，反之， xB ， xD 。 例： ZF=0.5 要求xD0.95, xB=0.05,ZF变到0.4 时,此时必须减小D才能够达到质量要求,2、内部物料平衡 精馏塔计算中的重要假设： 同一塔段（精馏段或提馏段）的上下塔板气相、液相摩尔流量相同：,n-1,n,

8、n+1,（1）进料板物料平衡 提馏段各板： 精馏段在回流液的温度为沸点的情况下 各板： 从而进料板物料平衡： 进料为液相，且为泡点，则： 进料为气相，且为露点，则：,F LR VR,LS VS,F，ZF,VR,D，XD,j xj,k, VR y j+1 LR,Vs y k Ls x k-1 ,Ls,B,xB,物料平衡示意图,q：进料中的液体分率,其它情况下的进料较为复杂，,（2）精馏段的物料平衡 对于冷凝器： 任意塔板j： 定义回流比： ，则： 可通过回流比R和再沸器蒸汽量V内部物料平衡yj+1 回流比R，yx斜率 全回流（R=，D=0）时， yj+1 =xj为对角线,精馏段操作线方程,（3）

9、提镏段物料平衡 通过改变再沸器上升蒸汽量、回流量来改变内部物料平衡， 最终改变yj+1,经过点 和点,提馏段操作线方程,再沸器物料平衡： 提馏段任一塔板：,加料板物料平衡：,（4）进料热状态的影响和q线方程,加料板热量平衡：,两式联立得：,令：,五种进料状态下的q值 冷液进料： hF1 泡点液体进料： hF=h, q=1 汽液混合物进料： hH，q0,精馏段操作线方程：,q线方程:精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹的方程,提馏段操作线方程：,当相交时，两式的变量相同，则,q一定时，是直线，经过对角线上的 斜率为,简化了提馏段操作线的绘制 q值的不同并不改变精馏段操作线，而只改变提馏段操作线的

10、位置，q越小，提馏段操作线越靠近平衡线，所需理论板数越多,q线方程的作用,二、能量平衡关系 1、芬斯克(Fenske)方程 全回流时，由各塔板气液平衡关系可以推导出塔顶、塔底产品组成服从Fenske方程 n 理论塔板数 平均相对挥发度，与温度、压力有关 挥发度：气相中分压与其平衡的液相中的摩尔分率之比，理想溶液中各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压。,2 、分离度 不是全回流的一般操作条件下，定义分离度： (7-15),对于一个既定塔 平均相对挥发度 理论塔板数 n 塔板效率 E 变化不大 进料板位置 进料组分 对S的影响比 小的多 从而有： （7-19）,上式可近似为： 即：,（7-20）,（7-

11、21）,三、分析： 1、从物料和能量平衡（7-3）或（7-4）和（7-21）可知 当zF一定时，只要保证D/F和V/F一定（或D/F和R一定），则 和 就确定了 2、进料组成zF的变化：通过D/F、V/F来补偿 例如：进料zF 增加，将导致 、 都增加，此时可增加D/F和减少B/F补偿，也可减少LR，提高VS加以补偿。,（7-3）,液相泡点进料，F增加，LS增加，提馏段操作线斜率上升，xB增加 气相露点进料，F增加，VR增加，精馏段操作线斜率下降，xD下降。 F增加，应按比例改变D,B,LR,VS,使得D/F和R不变,3、进料流量的变化,四、二元物系精馏塔的动态特性 1、假设 进料为泡点饱和液

12、相 采用全冷凝器，塔顶气相全部冷凝后进入回流罐 回流罐内液体完全混合，成分为xD,回流罐液体温度恰好是它的泡点温度 塔底再沸器上升蒸汽量V，塔底和再沸器内的液体完全混合，且有相同的成分xB,再沸器和塔底的总蓄液量是MB 每块塔板达到充分混合气液相均可作为集中参数系统 塔内压力恒定 每块塔板上的蓄液量是Mn 两组分的摩尔汽化潜热近似相等。 相平衡关系中，y与x满足近似线性关系,2、各部分的动态物料平衡式 冷凝器及回流罐总物料平衡,冷凝器及回流罐易挥发组分物料平衡,精馏段第n板,加料板Ns,易挥发组分的物料衡算式,提馏段第j板易挥发组分的物料衡算式,再沸器和塔底总物料平衡算式,再沸器和塔底易挥发组

13、分的物料衡算式,3、动态模型中变量数与方程数 变量数 各塔板的成分xn和yn 2N 回流罐的蓄液量MD及液相成分xD 2 回流量LR和馏出量流量D 2 再沸器内成分xB和yB 2 再沸器上升蒸汽量V和采出量B 2 再沸器的蓄液量 MB 1 总变量数： 2N+9 方程数 各塔板易挥发组分的物料衡算式 N 相平衡关系（各塔板及再沸器） N+1 回流罐总物料及易挥发组分的物料衡算式 2 再沸器总物料及易挥发组分的物料衡算式 2 总方程数：2N+5,直接质量指标 间接质量指标 1、采用温度作为间接质量指标 成分压力温度 （1）塔顶或塔底温度控制 （2）灵敏板温度控制 灵敏板：塔的操作经受扰动作用时，

14、塔内各板的组分将发生变化，各板温度 也发生变化，一直达到新的稳态时，温 度变化最大的那块塔板称为灵敏板 精馏塔温度分布曲线如图所示 灵敏板位置的确定,精馏塔温度分布曲线,第三节 精馏塔受控变量的选择,2、采用压力补偿的温度作为间接质量指标 消除微小压力变化对温度的影响 （1）温差控制 精密精馏中，产品纯度高，两组分 相对挥发度差值很小，压力引起的温 度变化要比成分引起的温度变化大， 要考虑温差控制 选择两块塔板的温差作为受控变量 例：异丁烷正丁烷二元精馏塔 两板之间的温差变化小 一定程度上温差与成分成单 值对应关系,压力变化与各板温度分布,检测点的选择： 一个在塔顶，一个在灵敏板附近 温差设定

15、：不能太大 产品纯度与温差之间的关系：非线性,（2）双温差控制,负荷变化,成分变化,压降变化,温差减小,温差增加,双温差：精馏段温差提馏段温差 消除压降变化的影响 控制进料板附近的组成分布，它以保 证工艺上最好的温度分布曲线为出发点， 来代替单纯地控制塔一端温度或温差,Shinskey的三条准则 （1）当仅需要控制塔的一端产品时应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量； （2）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量； （3）当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制 物料平

16、衡控制 能量平衡控制,第四节 精馏塔的基本控制,一、产品开环质量控制 适用场合: 控制要求不高，扰动不大的情况 1、 固定回流量和蒸汽量,当进料流量及其状态恒定时，固定了LR和VS，D和B亦就确定了。,2、 固定馏出液量D和蒸汽量VS,当回流比大的时候，控制D比控制LR有利。,3、 固定塔底采出B和回流量LR,二、提馏段温度控制 适用场合: 塔底产品为主要产品 进料全部为液相，此时干扰首先进入提馏段 实际操作回流比较最小回流比大好多倍时 （1）能量平衡控制 受控变量：塔温T、塔压P、塔底液位LB、回流罐液位LD、回流量L 操纵变量：塔顶产品流量D、塔底产品流量B、再沸器加热蒸汽量H、冷凝器冷却

17、量C、回流量L,变量的配对 TH、C、L控制 PH、C控制 L对压力影响小，B，D为液相，对塔压影响小 塔顶产品相当不纯和冷凝器平均温差很小时，H增大，塔压增大，同时气相中重组分增加，重组分在冷凝器中更易冷凝，又降低塔压 LB B 、H控制 LDH、D、C控制,可能的控制方案如下表,说明： 方案1可以采用 方案2用C控制T，条件稳定系统，不采用。对提馏段温控不适合，T对C的响应滞后太大 方案3、4用L控制T，不适合于提馏段温控,图722：方案1的控制流程图,优点：滞后小、反应迅速，对克服进入提馏段的扰动和保证塔底产品质量有利 缺点：物料平衡与能量平衡之间有一定的关联,（2）物料平衡控制 受控变

18、量：塔温T、塔压P、塔底液位LB、回流罐液位LD、回流量L 操纵变量：塔顶产品流量D、塔底产品流量B、再沸器加热蒸汽量H、冷凝器冷却量C、回流量L 变量的配对 TB，D控制 PH、C控制 LBH、B控制 LDH、D、C控制 一种常见的控制方案如下表：,图724 物料平衡控制方案,优点：物料平衡与能量平衡之间的关联最小 缺点：滞后较大，且液位控制回路存在反向特性 适用于BD且B20%V的塔,三、精馏段温度控制 适用场合: 塔顶产品为主要产品 进料全部为气相 或塔底、提馏段塔板温度不能很好的反映成分变化 （1）能量平衡控制 一种可行控制方案如方案6：,图719：方案6的控制流程图,优点：滞后小，反

19、应迅速，对克服进入精馏段的干扰和保证塔顶产品质量有利 缺点：物料平衡与能量平衡之间关联较大 适用于L/D0.8的塔,（2）物料平衡控制 一种常见的控制方案如下表：,图721 方案7的控制流程图,优点：物料平衡与能量平衡之间的关联最小 产品不合格时可自动切断产品 缺点：滞后较大，特别当回流罐很大时 适用于D很小，回流罐容积适当的情况,四、物料平衡控制与能量平衡控制的比较 回流比较高时，顶部产品量相对塔内气相和液相流量相比较小，宜采用物料平衡控制，同理，当塔底产品量较小时，也采用物料平衡控制。 采用物料平衡控制，具有对再沸器加热量和进料热焓等能量扰动不灵敏的优点。使塔的抗干扰能力增加，减少这些能量

20、扰动对塔内部能量关系的影响。 在对进料流量等扰动设置前馈控制系统时，采用物料平衡控制的方案，可以方便的按照物料平衡和能量关系式建立静态前馈模型。 采用物料平衡控制，当产品不合格时，可自动关闭出料阀（即全回流状态），自动切断产品流出。 物料平衡控制的响应比较缓慢，特别当回流罐较大时。一种改进的方案如下图所示,物料平衡控制是通过改变产品产量来进行控制的，可能对下一工序产生影响。此时应采用能量平衡控制，并对产品产量进行均匀控制,克服回流罐滞后的改进方案,4、精馏塔的压力控制 影响因素：加热蒸气量、冷却剂流量、回流罐排气量、进料流量、成分和温度的变化、回流量、回流液温度等 精馏可在常压、减压、加压的情

21、况下进行 （1）加压塔的控制 液相采出，馏出物中含有大量不凝物,液相采出，馏出物中含有少量不凝物 当塔顶气相中不凝性气体量小于塔顶气相总流量的2，或在塔的操作中，预计只有部分时间产生干气时，就不能采用控制不凝物排放量来保持塔顶压力 采用冷却剂流量作为操纵变量，并采取分程控制,液相采出，馏出物中含有微量不凝物,气相采出时,（2）减压塔的控制 泵抽真空,（3）常压塔的控制 可在回流耀或冷凝器上设置一个通大气的管道来平衡压力。,六、复杂控制系统在精馏塔中的应用 实际精馏塔中，复杂控制系统是经常被采用的 1、串级控制系统 以回流量、再沸器加热蒸汽量、塔顶采出量等为副变量 直接质量指标对灵敏板温度的串级

22、 串级结构的均匀控制 2、前馈控制系统 克服进料扰动 前馈模型： 保证D/F和V/F恒定，即可保证产品的纯度，即克服F的扰动,精馏塔的前馈反馈控制方案图如下：,图1132：精馏塔的前馈反馈控制方案图,强迫内部平衡作用 物料平衡控制中，使LR随D的变化而变化,图1132：强迫内部平衡作用的前馈反馈控制方案,3、选择性控制系统 满足某些约束条件的制约 例：防液泛和漏液 限制再沸器加热蒸汽量在一定范围 高值限幅和低值限幅,例：利用塔压差来控制液泛 压差过大，引起液泛 压差和产品成分的选择性控制， AC 正作用，PdC反作用，低选器,3、选择性控制系统 例：精馏塔自动开停车中应用 开车阶段： 塔顶：液位控制器通过LS取代压力控制器建立回流罐液位 塔底：再沸器流量控制器与纯积分调节器的低选，避免突然开大蒸汽调节阀,温度低限控制器：在开车阶段，防止塔底温度没达到规定值时输出不合格产品。在塔底温度没有达到规定值但塔底已有液位时，通过低选器取代液位调节器将培底部出料阀关闭。直到温度达到规定值，液位调节器才起正常调节作