精馏塔

精馏塔的控制

在石油化工生产中精馏塔是应用广泛的重要设备。他的作用是把混合液体中的各种成分分离出来，达到一定的纯度要求。 1.精馏塔的原理

精馏过程是基于各组组分相对挥发份不同，将混合液中的各种组分分离出来。对于一个正常的精馏塔应该使塔顶和塔底的产品中一个一个达到规定的纯度，另一个保持在一定的范围内。在满足上述要求的情况下，保持消耗能量最少。 从工艺出发调节控制要求有四个方面：

1.）质量指标 塔顶或塔底的产品之一应该保证呵护规定的纯度，另一个产品维持在规定的范围；

2.）处理量 塔的进料量应该均衡平稳，保持稳产高产；

3.）物料平衡 塔釜及溜出液回流罐的液位应该进行调节保持物料平衡生产稳定；

4.）限制条件 为了塔的正常操作，必须满足一些限制条件，汽液两相流束应在一定的限度之内，因此往往设置一些塔顶塔底之间的压差测量及报警；

以上四个要求不仅对精馏塔，对其他设备也同样有这些要求。不过须从生产工艺实际出发，提出具体条件。

2.在精馏塔的操作中，常见的干扰有以下几种：

1）进料量F的变化

进料量的变化是难免的，进料量的变化必须使溜出量和和釜液成比例的调节，才能保持原来的物料平衡。通常总是希望将这一干扰减少到最小限度，进料往往采用流量调节。但是精馏塔处理量往往是上一工段决定的，如果维持一定的进料量在上一工段设置液位均匀调节来控制出料，使进精馏塔的无聊均衡。

2）.进料成分的变化 进料成分是由上一工序出料和原料成分决定的，对于塔来讲是不可以控制的干扰。

3)进料温度及进料热焓的变化 进料温度是较为稳定的，即使不恒定也可以将进料预热，再对进料温度进行调节。然而，进料温度的恒定时，只有进料状态全部是气态或全部是液体时，塔的进料热焓才能恒定。当进料是汽液混合时，则只有汽液两相的比例恒定时，进料热焓才能恒定

4).再沸器加热剂9蒸汽）加入热量的变化 当加热剂是蒸汽时，加入热量的变化往往是蒸汽压力的变化引起的，通常可以在压力总管设置压力调节系统。减少主义干扰。

5).冷却剂在冷凝器内除去热量的变化 这个热量的变化会影响到回流量和回流温度，他的变化主要是由于冷却剂的压力或温度变化一起的。一般冷却剂得出温度变化小，压力变化大。压力变化可以用克服加热剂压力的方法加以克服。 6).环境温度的变化 在一般情况下环境温度变化很小但是，在采用风冷器作为冷凝器时，环境温度的影响不能忽落。它会使回流温度和回流量发生变化。可采用内回流调节的方法加以调整。

从以上的分析看出，进料流量和进料成分的变化是精馏塔操作的主要干扰，但他们是不可控的，其他干扰影响小是可以控制的，实际中要具体问题具体分析。

精馏过程是石油和化工生产中应用极为广泛的生产过程，它是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以提取达到规定纯度要求的产品。 精馏过程是一个非常复杂的过程，其关键设备是精馏塔，。在精馏操作中，被控变量多，可以选用的操作变量也多，它们之间又可以有多种不同组合。所以，控制方案繁多。

一、工艺要求和约束条件

要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。精馏塔的控制目标一般从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。任何精馏塔的操作情况同时受约束条件的制约，因此，在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因素考虑进去。 1．质量指标

质量指标（即产品纯度）必须符合规定的要求。一般应使塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度，要求另一个产品也应该维持在规定的范围之内，或者塔项和塔底的产品均保证一定的纯度要求。如果产品质量不合格，它的价值就将远远低于合格产品。但决不是说质量越高越好。由于质量超过规定，产品的价值并不因此而增加；而产品产量却可能下降，同时操作成本主要是能量消耗会增加很多。因此，总的价值反倒下降了。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应同时考虑产品的产量和能量消耗。 2．产品产量指标

在达到一定质量指标要求的前提下，应得到尽可能高的产量，从而使产品的回收率提高。这对于提高经济效益显然是有利的。

产品的回收率定义为产品量与进料中该产品组分的量之比。即： Ri=P/Fzi （8）

生产效益除了产品纯度与产品回收率之间的关系，还必须考虑能量消耗因素。由精馏原理可知，用精馏搭进行混合物的分离是要消耗一定能量的；要使分离的产品质量越高，产品产量越多，所需的能量也就越大。 3．能耗要求和经济性指标

精馏过程中消耗的能量，主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗；此外，塔和附属设备及管线也要散失部分能量。

在一定的纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的；同时也意味着再沸器的能量消耗要增大。且任何事物总是有一定限度的。在单位进料量的能耗增加到一定数值后，再继续增加塔内的上升蒸汽，则产品回收率就增长不多了。应当指出精馏塔的操作情况，必须从整个经济效益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量是必要条件，在质量指标一定的条件下应在控制过程中使产品的产量尽可能提高一些，同时能量消耗尽可能低一些。 4．约束条件

为保证正常操作，需规定某些参数的极限值，并作为约束条件。塔内气体的流速过低时，对于某些筛板精馏塔会产生漏液现象，从而影响操作降低塔板效率；而流速过高易产生液泛，将完全破坏塔的操作。由于塔板上液层增高，气相通过液层的阻力增大，因而可用测量差压的方法检测塔的液泛现象。当压差过高时，则通过差压控制系统减小气体流速。每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限制，超过这个压力，塔的安全就没有保障。为精馏过程提供能量的再沸器和冷凝器，也都存在一定限制。再沸器的加热，受塔压和再沸器中液相介质最大汽化率的影响；同时再沸器两侧间的温差不能超过其临界温差，否则会导致给热系数下降，传热量降低。对冷凝器冷却能力影响最大的是冷却介质的温度。而在介质条件不变时，又与塔的操作压力有关；同时馏出产品组份的变化也将影响到冷凝器的冷却能力限制。在确定精馏塔的控制方案时，必须考虑到上述的约束条件，以使精馏塔工作于正常操作区内。 二、精馏塔的干扰因素

和其他化工过程一样，精馏是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行的。一切因素均通过物料平衡和能量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化，顶部馏出物及底部出料的变化。影响能量平衡的因素主要是进料温度或热焓的变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化，此外还有塔的环境温度等变化。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。

要了解这些因素是如何影响精馏塔操作的，首先必须分析它的静态规律，即研究其静态特性。从而分析上述因素对精馏塔的动态影响。 1．精馏塔中静态关系的分析

图15为精馏塔的物料流程图，可简单地视其于为二元精馏。则从物料平衡和能量关系出发，可得出它的总的物料平衡关系为 F=D＋B （9） 轻组分的物料平衡关系为 Fz＝Dy＋Bx （10）

式中，F、D和B分别为进料量、顶部馏出物量和塔底产品；z、y和x分别为进料、顶部馏出物和底部产品中轻组分的含量。由以上两式，可明显看出进料量F在产品中的分配量（即D／F）是决定顶部和底部产品中轻组分含量y和x的关键因素。

静态下精馏塔的能量关系为

QH+FHF＝QC＋DHD＋BHB （11）

式中，QH为再沸器加热量，QC为冷凝器冷却量，HP、HD和HB分别为进料顶部、底部产品的比热熔。在式中，每一项都影响着塔内上升蒸汽的流量V。对于一个既定的塔来讲，V与F之比与塔的分离度S有关。即V／F一定时意味着塔分离度也一定。

综上所述，对于一个精馏塔来讲，在进料成分Z一定时，只要保持V／F和D／F一定（或者在F一定时保持D和V一定），这个塔的分离结果也就是产品成分y和x将被完全确定。而当进料成分变化时，为了保持产品成分不变，可以相应调节D／F，以补偿进料成分变化的影响。塔内上升蒸汽量V，在塔的提馏段是由再沸器加热提供的，在塔的精馏段还受到进料热熔的影响。当冷凝器冷却量Q增加时，必然会使更多的气相变为液相，从而降低了塔压；同时使塔内相同组分的平衡温度下降，增加了再沸器两侧间的温差，使再沸器提供的加热量QH增加。正因如此，在进料热熔变化不大或可以忽略时，一般总把V的变化或V／F的变化，看作是由再沸器加热量QH提供的。在多元精馏中，影响关系要复杂得多，当进料中某一组分的浓度变化时，必然使其他组分的浓度变化；从而使顶部及底部产品中各组分的浓度发生变化。当进料中几个组分浓度同时变化时，情况将更为复杂。克服这些扰动的控制手段却只有靠D／F和V／F。此时仅有两个关键组分可以控制，其余组分在产品中的分配情况主要由进料浓度确定。 2．影响精馏塔操作中质量指标的因素

通过以上分析，可以看出，在精馏塔的操作过程中，影响其质量指标的主要干扰有以下几种：

（l）进料流量F的波动

进料量指进入精馏塔物料的量，它的波动通常很难避免。对于独立的或位于整个生产过程的起点的精馏塔控制可采用定值控制，则可使进料流量保持恒定。但是，在一个连续的生产过程中，精馏塔的处理量往往是上一工序的产出量。如果一定要使进料量恒定，势必要设置很大的中间贮槽进行缓冲。二是采取在上一工序设置液位均匀控制系统来控制出料，使塔的进料流量F波动比较平稳，从而避免剧烈的变化。

（2）进料成分ZF的变化

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