【正文】 基礎(chǔ)上進行操作的。一切因素均通過物料平衡和能量平衡影響塔的正常操作。影響物料平衡的因素是進料量和進料組分的變化。塔頂采出量或塔底采出量的變化。影響能量平衡的因素主要是進料熱焓的變化，此外還有環(huán)境溫度的變化等。同時物料平衡和能量平衡是相互影響的，因此要了解這些因素對精餾過程的影響必須分析精餾塔的靜態(tài)特性。所謂靜態(tài)特性就是以物料平衡和能量平衡為基礎(chǔ)來確定穩(wěn)態(tài)下精餾塔各參數(shù)之間的定量關(guān)系。（1）全塔的物料平衡穩(wěn)態(tài)時，進塔的物料必須等于出塔的物料，所以總的物料平衡關(guān)系為 F=D+W輕組分的物料平衡關(guān)系為聯(lián)系方程可得從上述關(guān)系中，可以明顯看出進料F在產(chǎn)品中的分配量（D/F，W/F）是決定塔頂和塔底產(chǎn)品中輕組分濃度xD和xW的主要因素。D/F改變了，xD和xW都可以變化。另外，進料組分濃度xF也是一個影響xD和xW的重要因素。然而，單是物料平衡關(guān)系，還不能完全確定xD和xW，只能確定xD和xW之間的關(guān)系。要確定xD和xW的值還必須建立另一關(guān)系式，這個關(guān)系式可由塔的能量平衡關(guān)系得出。（2）能量平衡在穩(wěn)態(tài)時，進入塔的（通過傳熱和進料帶入的）所有能量必然與離開塔的（能過傳熱和產(chǎn)品帶出的）的能量相平衡。式中，QH為再沸器的加熱量；QC為冷凝器的冷卻量；IF、ID、IW分別為進料、塔頂和塔底產(chǎn)品的熱焓。該式并未表示出塔內(nèi)的能量關(guān)系對產(chǎn)品純度的直接影響。然而上式中的再一項都影響上升蒸汽量V，而V與產(chǎn)品純度的關(guān)系，可以通過下面的討論得出。在二元精餾中，全回流時的Fenske方程為：()式中，為平均相對揮發(fā)度；n為理論塔板數(shù)。由Fenske方程可知，在全回流時，二元精餾塔兩端產(chǎn)品純度間的分離關(guān)系取決于和n。為了使Fenske方程能夠推廣到全回流以外的情況，定義分離度S為在部分回流時，影響分離度S的因素很多，可以表示為以下的函數(shù)的關(guān)系：對于一個確定的塔，n，E和是一定的或變化不大，同時進料濃度的變化對S的影響與V/F對S的影響相對要小得多，可以忽略。于是上式可簡化為該式表明V/F一定，則分離關(guān)系就被確定。并可進一步近似表達為式中，定義為塔的特性因子，對任意給定的塔，可以用V/F除以分離度S的自然對數(shù)求得。把S的定義式代入上式得 它表示了精餾塔的能量關(guān)系。由此可知只要以下三式 中D/F、W/F、V/F一定，這個塔的分離結(jié)果，就完全確定了。（3）內(nèi)部物料平衡在恒分子流假設(shè)的前提下，分析塔內(nèi)各項物料平衡關(guān)系時，假定：a) 在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等；b) 在提餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等， （V為再沸器內(nèi)蒸汽量）c) 在精餾段內(nèi)，通過各層塔板下流液體流量均相等，稱為內(nèi)回流，當回流溫度等于塔頂溫度時，內(nèi)回流等于外回流L；d) 在提餾段內(nèi)，通過各層塔板下流液體流量均相等；e) 回流罐和塔底液位不變；f) 塔壓也保持不變。在以上這些條件下，有下述平衡關(guān)系：i. 加料板的物料平衡對于液相泡點進料：，對于汽相露點進料：，ii. 精餾段的物料平衡對精餾塔段內(nèi)任一塔板i以上作物料平衡計算，輕組分的物料平衡關(guān)系式為：則（）該式表明了精餾段內(nèi)任一塔板的汽相濃度與和之間的關(guān)系。改變汽液比必將使塔板上濃度發(fā)生變化。然而，汽液比除了決定于再沸器上升蒸汽量以外，還決定于回流量L與塔頂采出量D，通常將回流量與采出量之比稱為回流比R，即當D=0時稱為全回流。由此可知要改變精餾塔的操作工藝，應(yīng)操作精餾塔的回流比和再沸器的上升蒸汽量，通過內(nèi)部平衡關(guān)系，使每塊塔板上的濃度改變，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品的純度的變化。iii. 提餾段的物料平衡總物料：易揮發(fā)組分：即該式表明了在提餾段內(nèi)任一塔板上的汽相濃度與汽液比的關(guān)系。同時，要使塔的操作工況改變，應(yīng)操作塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，從而通過內(nèi)部平衡關(guān)系最終改變產(chǎn)品的純度。通過以上分析，影響精餾過程的主要因素可概括如下：① 進料量；② 進料濃度；③ 進料溫度和進料狀態(tài)；④ 再沸器的加熱量⑤ 冷卻器的冷卻量；⑥ 回流量；⑦ 塔頂采出量；⑧ 塔底采出量；⑨ 塔壓的影響。上述各種干擾中，有些是可控的，有些是不可控的。一般情況下進料量是不可控制的（受前一工序的影響）。進料濃度是無法控制的，它由上一工序所決定，但一般說來變化緩慢。進料溫度和進料狀態(tài)的變化，對塔的操作影響較大。為維持塔操作的能量平衡和穩(wěn)定運行，在單相進料時，可以采用進料溫度控制，以便克服這種干擾。在兩相進料時，則可設(shè)法控制熱焓恒定以克服干擾。對于冷凝器的冷卻量和再沸器的加熱量，一般都用定值控制系統(tǒng)來加以穩(wěn)定?？傊?，從前面對塔的靜態(tài)特性和內(nèi)部平衡關(guān)系的分析，不難看到，為了克服塔的主要干擾，可采用控制以下參數(shù)的手段：①塔頂采出量②塔底采出量③回流量④再沸器加熱量⑤冷凝器的冷卻量前二者是通過影響全塔的物料平衡來影響塔的內(nèi)部平衡，從而起到控制作用。后三個量直接改變塔的能量平衡關(guān)系和改變塔內(nèi)汽液比，從而起到控制產(chǎn)品質(zhì)量的作用。（4）動態(tài)影響分析前面討論的內(nèi)容，均是各參數(shù)對塔操作的靜態(tài)影響，然而在動態(tài)過程中，這些參數(shù)對塔操作的影響是有快有慢各不相同的，因此在設(shè)計控制方案時，必須考慮動態(tài)影響，才能便控制系統(tǒng)及時克服各參數(shù)對塔操作的影響。由于精餾塔是一個多變量、時變和非線性的對象，各變量這間又存在相互關(guān)聯(lián)，因此定量分析動態(tài)影響，建立其數(shù)學(xué)模型已成為一項相當復(fù)雜的專門課題。所以本節(jié)僅從定性的角度從幾個側(cè)面分析塔的動態(tài)影響。ⅰ、上升蒸汽和回流的影響在精餾塔內(nèi)，上升蒸汽流量變化的響應(yīng)是相當快的。由于上升蒸汽只須克服塔板上極薄覆蓋的液相阻力，而且塔內(nèi)汽相蓄存量在塔壓控制一定時可忽略不計，因此上升蒸汽量的變化幾秒鐘內(nèi)就可影響到塔頂。然而，從塔板下流的液相卻有相當大的滯后，這是因為回流量增加時，首先要使積存在塔板上的液相蓄存量增加，然后在這增加的靜壓的作用下，才使離開塔板的液相速度增加，因此對回流量變化的影響存在著滯后。由此可見，除頂部塔板外，要使塔的任何一點的汽液比發(fā)生變化，用再沸器的加熱量作為控制手段比用回流量響應(yīng)要快。ⅱ、組分滯后的影響無論是改變再沸器加熱量引起上升蒸汽變化還是由于回流的變化 ，均是通過對每塊塔板上組分之間的平衡施工影響，最終才引起頂部產(chǎn)品或底部產(chǎn)品組分濃度的變化。由于組分要達到靜態(tài)平衡需要較長時間，因此盡管上升蒸汽量變化可以很快影響到塔頂組分濃度，但要使塔頂組分濃度變化 并達到一個新的平衡仍需花費相當長的時間?；亓髯兓闆r也是類似的，只是花費的時間更多，這就是說，塔板上的組分平衡要等到影響組分的液相或汽相流量穩(wěn)定相當時間后才能建立。組分滯后隨著塔板上液相蓄存量的增加而增加，因而隨塔板數(shù)的增加而增加，也隨著回流比的增加面增加，因為回流比的增加，意味著塔板上蓄存量的增加。由于再沸器加熱量的增加引起上升蒸汽量增加，將會改善汽、液接觸，從面使組滯后減小。由式D=VL可知，回流量L總是等于塔頂汽相流量V和塔頂采出量D之差。因此，恒定V時，控制D實質(zhì)上就是改變了回流量L。然而，回流罐有一定的蓄液量，從D的變公到L的變化會產(chǎn)生滯后。液位變化引起蓄液量變化也會嚴重影響V和D之間的關(guān)系。為此要使V、L和D的關(guān)系成立，回流罐液位必須保持一定，這樣在采用改變D（或D/F）來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在V不變時使回流量L及時跟蹤采出量D的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。塔釜也有與回流罐類似的蓄液量引起的滯后影響，塔釜液位變化引起蓄液量變化，從而引起V和W的變化。要使、和間的關(guān)系式成立，塔釜液位必須嚴格保持一定。這樣在采用改變W來控制塔底產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在不變時，使再滯器加熱量所引起的上升蒸汽量及時跟蹤塔底采出量W的變化。否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。由于塔底截面積通常要比回流罐的截面積小得多，從而由塔釜蓄液量引起的滯后要比回流罐所引的滯后小?？傊?，在設(shè)計或選擇精餾塔控制方案時，應(yīng)當考慮上述動態(tài)影響的因素。Ⅲ.精餾的基本控制方案對于有兩個液相產(chǎn)品的精餾塔來說，質(zhì)量指標控制可以有兩種情況，一是嚴格控制一端產(chǎn)品的質(zhì)量，另一端產(chǎn)品質(zhì)量控制在一定的范圍內(nèi)。再一種是兩端產(chǎn)品的質(zhì)量均需嚴格控制。常見的控制方案主要有以下幾種：（1）按精餾段指標控制當塔頂采出液是主要產(chǎn)品時，往往按精餾段指標進行控制。這時取精餾段某點濃度或溫度作為被控變量，而以回流量L、塔頂采出量D或再沸器上升蒸汽量V作為控制變量?？梢越M成單回路控制方式，也可以組成串級控制方式。后一種方式雖較復(fù)雜，但可迅速有效地克服進入副環(huán)的擾動，并可降低對調(diào)節(jié)閥特性的要求，在需作精密控制時采用。按精餾段指標控制，對塔頂產(chǎn)品的純度X有所保證，當干擾不很大時，塔頂產(chǎn)品純度的變動也不大，可由靜態(tài)特性分析來確定出它的變化范圍。采用這種控制方案時，在L、D、V和W四者之中，選擇一個作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的手段，選擇另一個保持流量恒定，其余兩個變量則按回流罐和再沸器的物料平衡關(guān)系由調(diào)節(jié)器加以控制。常用的控制方案可分為兩類。ⅰ、依據(jù)精餾段指標控制回流量L，再保持再沸器加熱量V為定值。這種控制方案的優(yōu)點是調(diào)節(jié)作用滯后小，反應(yīng)迅速，所以對克服進入精餾段的擾動和保證塔頂產(chǎn)品是有利的，這是精餾塔控制方案中最常用的方案?？墒窃谠摲桨钢?，L受溫度調(diào)節(jié)器控制；回流量的波動對于精餾塔平衡作用是不利的，所以在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時，采用比例加積分的控制規(guī)律即可，不必加微分，此外再沸器熱量維持一定而且應(yīng)足夠大，以便塔在最大負荷時仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標。ⅱ、依據(jù)精餾段指標控制塔頂采出量D，保持再沸器加熱量V為定值。該方案的優(yōu)點是有利于精餾塔的平衡操作，對于回流比較大的情況下控制D要比控制L靈敏。此外還一個優(yōu)點，當塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格時，如采用有分支作的調(diào)節(jié)器則塔頂采出量會自動暫時中斷，進行全回流，這樣可保證得到的產(chǎn)品是合格。然而該方案溫度控制回路滯后較大，反應(yīng)較慢，從采出量D的改變到溫度變化，要間接地通過回流罐液控制回路來實現(xiàn)，特別是回流罐容積較大時，反應(yīng)更慢，給控制帶來困難。此外，同樣要求再沸器加熱量需足夠大，以保證最大負荷時產(chǎn)品質(zhì)量。（2）按提餾段指標控制當塔釜液為主要產(chǎn)品時，常常按提餾段指標控制。如果是液相進料，也常采用這類方案 。這是因為在液相進料時，進料量F的變化，首先影響到塔底產(chǎn)品濃度，塔頂或精餾段塔板上的溫度不能很好地反映濃度的變化，所以用提餾段控制比較及時。常用的控制方案也可分為兩類。ⅰ、按提餾段指標控制再沸器加熱量，從而控制塔內(nèi)上升蒸汽量V，同時保持回流量L為定值。此時，D和W都是按物料平衡關(guān)系，由液位調(diào)節(jié)器控制。該方案采用塔內(nèi)上升蒸汽V作為控制變量，在動態(tài)的響應(yīng)上要比回流量L控制的滯后小，反應(yīng)迅速，所以對克服進入提餾段的擾動和保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量有利。所以該方案是目前應(yīng)用于最廣的精餾塔控制方案?？稍谠摲桨钢?，回流量采用定值控制，而且回流量應(yīng)是足夠大，以便當塔的負荷最大時仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標。ⅱ、按提餾段指標控制塔底采出量W，同時保持回流量L為定值。此時，D是按回流罐的液位來控制。再沸器蒸汽量由塔液位控制。該控制方案正象前面所述的，按精餾段溫度來控制的方案那樣，有其獨特的優(yōu)點和一定的弱點。優(yōu)點是當塔底采出量W較少時，操作比較平衡；當采出量W不符合質(zhì)量要求時，會自行暫停出料。缺點是滯后較大且液位控制回路存在反向特性。此外，同樣要求回流量應(yīng)足夠大，以保證在最大負荷時的產(chǎn)品質(zhì)量。給定擾動液位塔釜液位變頻調(diào)節(jié)PID控制器─+差壓變送器圖63 液位控制系統(tǒng)原理圖圖63為單回路液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制塔釜液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用DCS系統(tǒng)控制。當調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預(yù)期效果。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于我們的實驗系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖54中的曲線①、②、③所示。圖64 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線塔釜液位趨勢圖如圖65所示： 圖65 塔釜液位趨勢 影響精餾塔溫度不穩(wěn)定的因素主要是來自外界來的干擾 （如進料流量，溫度及成分等的變化對溫度的影響 。）一般情況下精餾塔塔釜的溫度，我們是通過控制精餾塔釜內(nèi)靈敏板的溫度來控制的。靈敏板是當外界條件或負荷改變時精餾塔內(nèi)溫度變化最靈敏的一塊塔板。以往調(diào)節(jié)只是采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器單一回路調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，時間滯后，對精餾操作而言，產(chǎn)品的純度很難保證。 為了提高精餾效率和保證產(chǎn)品純度，我們采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器與再沸器加熱蒸汽流量調(diào)節(jié)器串級控制系統(tǒng)來對靈敏板溫度進行控制。其中靈敏板溫度調(diào)節(jié)器是主調(diào)節(jié)器，再沸器加熱蒸汽流量調(diào)節(jié)器是副調(diào)節(jié)器。 通過實際改造和使用，串級調(diào)節(jié)與單回路控制相比較，串級控制有許多優(yōu)點：