【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的進(jìn)料參數(shù)保持穩(wěn)定或避免其劇烈波動(dòng)。為了維持塔的物料平衡，還要控制塔頂和塔底產(chǎn)品采出量，使二者之和等于進(jìn)料量，兩個(gè)采出量變化要緩慢，以保證精餾塔的平穩(wěn)運(yùn)行；精餾塔內(nèi)的儲(chǔ)液量應(yīng)保持在限定的范圍內(nèi)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定也是精餾塔平穩(wěn)運(yùn)行所必須的。 (3)滿足約束條件 為了保證精餾產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)行，必須滿足一些參數(shù) 的極限值所規(guī)定的約 束條件。例如對(duì)塔內(nèi)氣體流速的上下限限制，流速 6 過(guò)高易產(chǎn)生液泛，流速過(guò)低會(huì)降低塔板效率，尤其對(duì)工作范圍較窄的篩板塔和乳化塔的流速必須嚴(yán)格控制，通過(guò)測(cè)量和控制塔底于塔頂間的差壓，間接實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)氣體流速的檢測(cè)和控制。精餾塔本身還有最高壓力限制，當(dāng)塔內(nèi)壓力超過(guò)其耐壓極限時(shí)，容器的安全就沒(méi)有保障。 (4)節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性 精餾過(guò)程消耗的能量主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻能量的消耗。另外，塔和附屬設(shè)備及管道 也要散失一部分能量。 精餾塔的操作情況必須從整個(gè)經(jīng)濟(jì)收益來(lái)衡量。在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是 要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在優(yōu)先保證質(zhì)量指標(biāo)的前提下，應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量高一些，能量消耗盡可能低一些。 精餾塔的干擾因數(shù)特性 圖 表示精餾塔物料流程圖。進(jìn)料 F 從精餾塔中段某一塔板進(jìn)入塔內(nèi)，這塊塔板就稱為進(jìn)料板。進(jìn)料板將精餾塔分為上下兩段，進(jìn)料板以上部分稱精餾段，進(jìn)料板以下部分稱提餾段。在精餾塔運(yùn)行過(guò)程中，影響其質(zhì)量指標(biāo)和平穩(wěn)生產(chǎn)的主要干擾有以下幾種 [4]。 7 圖 精餾塔物料流程圖 F 的波動(dòng) 進(jìn)料量 F 的波動(dòng) 通常是難免的，如 果精餾塔位于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的起點(diǎn)，則以采用定值控制。但是精餾塔進(jìn)料量 F 往往是由上一道生產(chǎn)工序所決定，如果一定要使精餾塔進(jìn)料量 F 恒定，就必須設(shè)置中間儲(chǔ)槽進(jìn)行緩沖?，F(xiàn)在精餾工藝是盡可能減少或取消中間儲(chǔ)槽，采取在上一道工序設(shè)置液位均勻控制系統(tǒng)控制出料流量，使精餾塔的進(jìn)料流量 F 比較平穩(wěn)，避免 F 的劇烈變化。 ZF 的變化 進(jìn)料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情況決定的，對(duì)圖 所示的精餾塔來(lái)講，它是不可控的擾動(dòng)因數(shù)。 TF 和進(jìn)料熱焓值 QF 的變化 進(jìn)料溫度和狀態(tài)對(duì)塔的操作影響很大，一般情況下進(jìn)料溫 度是比較穩(wěn)定的，如果進(jìn)料溫 TF 度變化較大，為了維持塔內(nèi)的熱量平衡和穩(wěn)定運(yùn)行，在單相進(jìn)料時(shí) 8 采用進(jìn)料溫度控制可克服這種干擾，然而在多相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料溫度恒定并不能保證其熱焓值 QF 穩(wěn)定 。當(dāng)進(jìn)料是氣液兩相混合狀態(tài)時(shí)，只有當(dāng)氣液兩相比例恒定時(shí)，恒溫進(jìn)料的熱焓值才能恒定。為了保持精餾塔的進(jìn)料熱焓值恒定，必要時(shí)可通過(guò)熱焓控制來(lái)維持進(jìn)料熱能恒定。 當(dāng)加熱劑是 蒸氣 時(shí)，通過(guò)再沸器輸入精餾塔的熱量擾動(dòng) 往往是由蒸氣壓力變化所引起的，這一擾動(dòng)可通過(guò)在蒸氣總管 設(shè)置壓力控制來(lái)加以克服，或者通過(guò)溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 的副回路予以克服。 冷卻劑吸收熱量的變化主要是由冷卻劑的壓力或溫度變化引起的，吸收熱量的變化會(huì)影響到精餾塔頂回流量或回流溫度，進(jìn)而引起精餾塔輸出熱量的變化。冷卻劑的溫度一般變化較小，而流量的變化大多是由壓力波動(dòng)引起的，可采用與克服加熱劑壓力變化類似的方法進(jìn)行控制。 環(huán)境溫度一般變化較小。冷凝器采用風(fēng)冷方式時(shí)，天氣聚變及晝夜溫差對(duì)精餾塔的運(yùn)行影響較大，會(huì)使回流量或回流溫度發(fā)生變化，對(duì)于這種干擾可采用內(nèi)回流控制的方法予以克服。內(nèi)回流是指精餾塔精餾段上一層 塔 盤向下一層塔盤流下的液體量。內(nèi)回流控制，是指在精餾過(guò)程中，控制內(nèi)回流為恒定量或按某一規(guī)律變化。 通過(guò)以上幾點(diǎn)分析可以看出，進(jìn)料流量和進(jìn)料成分?jǐn)_動(dòng)是精餾塔運(yùn)行中的主要干擾，一般是不可控的。其他干擾比較小，可以采用輔助控制系統(tǒng)預(yù)先加以克 9 服和抑制，各種精餾塔的工作情況不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。 精餾塔的控制目標(biāo) 質(zhì)量指標(biāo) 精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)必須符合規(guī)定的要求。也就是說(shuō)，塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證達(dá)到規(guī)定的程度，而另一產(chǎn)品也應(yīng)保證在規(guī)定的范圍 內(nèi) [5]。 在二元組分精餾中，情況比較簡(jiǎn)單，質(zhì)量指標(biāo)就是使塔頂產(chǎn)品中輕組分純度符合技術(shù)要求或塔底產(chǎn)品中重組分純度符合技術(shù)要求。 在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。所謂關(guān)鍵組分，是指對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分。從踏頂分離出揮發(fā)度較大的關(guān)鍵組分稱為輕關(guān)鍵組分，從塔底分離出 揮發(fā)度較小的關(guān)鍵組分稱為重關(guān)鍵組分。以石油裂解氣分離中的脫乙烷塔為例，他的目的是把來(lái)自脫甲烷塔底部分產(chǎn)品作為進(jìn)料加以分離，將乙烷和更輕的組分從底部分離出來(lái)，比乙烷重的組分從塔底分離出來(lái)，這時(shí)，顯然乙烷是輕關(guān)鍵組分，丙烯則是重關(guān)鍵組 分。因此，對(duì)多元組分的分離可簡(jiǎn)化為對(duì)二元關(guān)鍵組分的分離，這就大大的簡(jiǎn)化精餾操作。 在精餾操作中，產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該控制到剛好能滿足規(guī)定上的要求，即處于 “卡邊 ”生產(chǎn)。超過(guò)規(guī)定的產(chǎn)品是一種浪費(fèi)，因此它的售價(jià)不會(huì)太高，只會(huì)增加能耗 、降低產(chǎn)量而已。 產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗 精餾塔的其他兩個(gè)重要控制目標(biāo)是產(chǎn)品的產(chǎn)量和能量消耗。精餾塔的任務(wù)，不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量，還要有一定產(chǎn)量。另外，分離混合液也需要消耗一定的能 10 量，這主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗。此外，塔的附屬設(shè)備及管線也要散失一定的熱量和冷量。從定性的分 析可知，要使分離所得的產(chǎn)品純度越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越大，則所消耗的能量越多 產(chǎn)品的產(chǎn)量通常用該產(chǎn)品的回收率來(lái)表示。回收率的定義是進(jìn)料中每單位產(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量。數(shù)學(xué)上組分 i 的回收率定義為 ： Ri=P/Fzi 式中， P 為產(chǎn)品產(chǎn)量 ； F 為進(jìn)料流量； Zi 為進(jìn)料組分 i 的濃度 。 產(chǎn)品回收率、產(chǎn)品純度及能量消耗三者之間的定量關(guān)系可以用圖 中的曲線來(lái)說(shuō)明。這是對(duì)于某一精餾塔按分離 50%兩組合分混合液作出的曲線圖，縱坐標(biāo)是回收率，橫坐標(biāo)是產(chǎn)品純度（按純度的對(duì)數(shù)值刻度），圖中的曲線是表示每單位進(jìn)料所消耗能量的等值線 （用塔內(nèi)上升蒸氣量 V與進(jìn)料量 F 之比 V/F 來(lái)表示）。曲線表明，在一定的能耗 V/F 情況下，隨著產(chǎn)品純度的提高，會(huì)使產(chǎn)品的回收率迅速下降。純度越高，這個(gè)傾向越明顯。 圖 產(chǎn)品純度、產(chǎn)品回收率和能量消耗的關(guān)系 11 此外，從 圖 可知，在一定的產(chǎn)品純度要求下，隨著 V/F 從小到大逐步增加，剛開(kāi)始可以顯著提高產(chǎn)品的回收率。然而，當(dāng) V/F 增加到一定程度以后，再進(jìn)一步增加 V/F 所得到的效果就不顯著了。例如，由圖 可以看出，在 98%的純度下，當(dāng) V/F 從 2 增至 4 時(shí)，產(chǎn)品回收率從 14%增到 88%，增加了 74%；當(dāng) V/F 再?gòu)?4增加到 6 時(shí)，則產(chǎn)品回收率僅從 88%增加到 %，只增加了 %。 以上討論說(shuō)明，在精餾操作中主要產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，剛好達(dá)到質(zhì)量規(guī)格的情況是期望的，低于要求的純度將使產(chǎn)品不合格，而超過(guò) 純度要求會(huì)降低產(chǎn)量。然而，在一定的純度要求下，提高產(chǎn)品的回收率，必然要增加能量消耗?？墒菃挝划a(chǎn)量的能耗最低并不等于單位產(chǎn)量的成本最低，因?yàn)闆Q定成本的不僅是能耗，還有原料的成本。右此可見(jiàn)，在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必 要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，在控制過(guò)程中應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時(shí)能量消耗盡可能低一些。至于在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，使單位產(chǎn)品產(chǎn)量的能量消耗最低消耗或單位產(chǎn)品量的成本最低以及使綜合經(jīng)濟(jì)效益最大等，均是屬于不同目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)控制問(wèn)題。 精餾塔裝置的工藝流程 使分餾產(chǎn)品滿足質(zhì)量要求是精餾塔控制系統(tǒng)的最終目的?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)的檢測(cè)和控制，克服擾動(dòng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，保證生產(chǎn)安全、持續(xù)地進(jìn)行 [6]。圖 為精餾塔裝置的工藝流程。 12 圖 精餾塔工藝流程 13 第三章 精餾塔控制方案設(shè)計(jì) 精餾塔控制方案 不同精餾塔生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一樣，對(duì)控制的要求個(gè)不相同，因而精餾塔控制方案較多。下面對(duì)常見(jiàn)的幾種方案進(jìn)行分析。 提餾段參數(shù)控制 當(dāng)塔底液為主要產(chǎn)品時(shí)，常采用提餾段溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，這時(shí)可選提餾段某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量。另外，液相進(jìn)料時(shí)也常采用這類方案，這是因?yàn)樵谝合噙M(jìn)料時(shí)，進(jìn)料量 F 的變化首先影響到塔底產(chǎn)品濃度，而塔頂或精餾塔板上的溫度不能及時(shí)地反映這種變化。 圖 為提餾段溫度控制方案，其主要控制系統(tǒng)是以提餾段塔板溫度為被控 參數(shù)，以加熱蒸氣流量為控制變量。為了抑制其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，還沒(méi)有五個(gè)輔助控制系統(tǒng)：對(duì)塔頂餾出液 QD 和塔底采出量 QW，案物料平衡關(guān)系分別設(shè)有 回流量和塔底液位控制系統(tǒng)；為保持進(jìn)料量 F 穩(wěn)定， F 進(jìn)行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均勻控制以維持 F 平衡變化；為維持塔內(nèi)壓力恒定，在塔頂設(shè)置壓力控制系統(tǒng)，控制變量一般為冷凝器的冷卻劑流量；塔頂回流量 QL 采用定植控制，而且回流量應(yīng)足夠大，以便當(dāng)精餾塔的負(fù)荷最大時(shí)，仍能保持塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)在規(guī)定的范圍內(nèi) [7]。 采用提餾段溫度控制系統(tǒng)時(shí)，在回流量足夠大的情況下， 塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量也可以保持在規(guī)定的純度范圍內(nèi)，因此，即使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量要求比塔底嚴(yán)格，仍然采用提餾段溫度控制系統(tǒng)。 14 圖 精餾塔提餾段溫度控制方案 提餾段溫度控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： 1） 以提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，能較迅速、直接地反映提餾段產(chǎn)品品質(zhì)。在以塔底采出液為主要產(chǎn)品，對(duì)塔底產(chǎn)品成分的要求高于對(duì)塔頂餾出液成分的要求時(shí)，往往采用提餾段溫度控制系統(tǒng)方案。 2） 當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，例如在液相進(jìn)料時(shí)，由進(jìn)料產(chǎn)生的干擾首先要引起提餾段和塔底的參數(shù)變化，故用提餾段溫度控制比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程也比 較迅速。 精餾段參數(shù)控制 當(dāng)以塔頂采出液為主要產(chǎn)品時(shí)，往往以精餾段的溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，這時(shí)可選精餾某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)（間接塔頂采出液的純度），以回流量QL 作為控制變量組成單回路控制系統(tǒng)，也可組成串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)雖 15 較復(fù)雜，但可迅速而有效地克服進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)，并可降低對(duì)調(diào)節(jié)閥 特性的要求，有較高的精度。精餾段溫度控制方案可保證塔頂產(chǎn)品的純度，當(dāng)干擾不很大時(shí)，塔底產(chǎn)品的純度變化范圍也不大 [8]。 圖 所示串級(jí)溫度控制系統(tǒng)是常見(jiàn)的精餾段溫度控制方案，其中回路是以 精餾段塔板溫度為被控 參數(shù)，以回流量 QL作為控制變量， QL 同時(shí)也是串級(jí)控制系統(tǒng)的副參數(shù)。 為了抑制其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，除了主系統(tǒng)外，還設(shè)有五個(gè)輔助控制系統(tǒng)。其中，進(jìn)料量、塔壓、塔底采出量與塔頂餾出液的控制方案與提餾段溫控時(shí)相同；再沸器加熱量應(yīng)足夠大，且維持一定，可以使精餾塔在最大負(fù)荷時(shí)，仍能保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。 圖 精餾塔精餾段 溫度 控制方案 精餾段溫度控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)： 16 1） 用精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，能較迅速、直接地反映提餾產(chǎn)品品質(zhì)。在以塔頂采出物為主要產(chǎn)品，對(duì)塔頂產(chǎn)品成分的純度要求 高于對(duì)塔底產(chǎn)品成分的要求時(shí)，往往采用精餾段溫度控制 系統(tǒng)方案 [9]。 2）當(dāng)干擾首先進(jìn)入精餾段時(shí)，例如在汽車相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料產(chǎn)生的干擾首先引起精餾段和塔頂?shù)膮?shù)變化，故用精餾段溫度控制比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較迅速。 3）串級(jí)控制系統(tǒng)的流量回路對(duì)回流罐液位與壓力、精餾塔內(nèi)壓力等干擾對(duì)回流量的影響有較強(qiáng)的抑制?？蓪?shí)現(xiàn)被控參數(shù)的高精度控制。 以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接被控參數(shù)，當(dāng)分離的產(chǎn)品純度較高時(shí)，塔底溫度變化很小。為了及時(shí)、精確地檢測(cè)和控制產(chǎn)品質(zhì)量，要求溫度檢測(cè)儀表有很高的測(cè)量精度和靈敏度。若將溫度傳感器安 裝在塔底以上的靈敏塔板上，以靈敏板的溫度作為被控參數(shù)，可以取得滿意的檢測(cè)和控制效果。 所謂靈敏板，是指出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)溫度變化最大的那塊塔板。以靈敏板溫度作為被控參數(shù)有利于提高控制精度。 精餾塔的溫差控制及雙溫差控制 前面 討論的兩種控制系統(tǒng)方案都是以溫度作為被控參數(shù)這在一般的精餾塔中是可行的。但在產(chǎn)品純度要求很高，塔頂、塔底產(chǎn)品的沸點(diǎn)差別又不大、塔內(nèi)壓力存在波動(dòng)時(shí)，以某一點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)的控制方案不能滿足精餾工藝的精度要求。這時(shí)常用溫差控制系統(tǒng)，采用溫差作為衡量精餾產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的間接參數(shù)，以提高控制質(zhì) 量，滿足工藝要求 [10]。 只有當(dāng)壓力完全恒定時(shí)，溫度與成分之間才具有單值（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，只是對(duì)二元組分）對(duì)應(yīng)關(guān)系。在壓力波動(dòng)時(shí)，用溫度作為被控參數(shù)就不能很好地代表產(chǎn)品 17 的成分。為了消除壓力波動(dòng)的影響，可以檢測(cè)塔頂（或塔底）附近的一塊塔板的溫度，再檢測(cè)靈敏板的溫度。由于壓力波動(dòng)對(duì)每塊塔板的溫度影響是基本相同的，只要將上述兩溫度相減，壓力的影響就消除了，這就是采用溫差來(lái)衡量質(zhì)量指標(biāo)的依據(jù)。 當(dāng)選擇溫差信號(hào)時(shí)，如果塔頂（塔底）采出量為主要產(chǎn)品，可將一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)放在塔頂或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并將對(duì)應(yīng)的 塔板稱為 參照板；另一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置，然后取上述兩點(diǎn)的溫度差 △ T 作為被控參數(shù)。這時(shí)塔頂（塔底）溫度實(shí)際上起參比作用，壓力變化對(duì)兩點(diǎn)溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動(dòng)的影響就基本抵消。 溫差控制雖可以克服由于塔內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量的影響，但是還存在一個(gè)問(wèn)題，就是當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，上升蒸氣流量發(fā)生變化，引起塔板間的壓降變化。隨著負(fù)荷增大，塔板間的壓降增大引起的溫差也將增大，