精馏塔的自动控制

                第二节  精馏塔的自动控制

   
 
  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(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

    进料成分取决于上一工序出料或原料情况,对精馏塔的控制系统来讲,它是不可控的干扰。而针对进料成分的较大变化,则必须重新设置控制变量。

    (3)进料温度 TF及进料热量 QF的变化

    进料温度通常是较为恒定的。假如不恒定,进料温度和进料热量的变化会影响到塔的焓平衡,因此必须保持进料温度的恒定。工业上往往先将进料预热,通过温度控制系统来使进料温度恒定。这对于进料状态全部是汽态或全部是液态时,可以保持进料热焓一定。当进料是汽液混相状态时,则只有当汽液两相的比例恒定时,进料热焓才能恒定,必要时应设置热焓控制的环节来维持。

    (4)再沸器加热剂热量的变化

    当加热剂是蒸汽时,加入热量的变化往往是由蒸汽压力的变化引起的。可以通过蒸汽总管设置压力控制系统来加以克服,或者在串级控制系统的副回路中予以克服。

    (5)冷却剂入口温度及阀前压力的变化

    冷却剂量的变化会影响到回流量或回流温度,它的变化主要是由于冷却剂的压力或温度变化引起的。对于这类干扰,以阀前压力波动影响较大,控制中用压力控制系统加以克服。

    (6)环境温度的变化

    精馏塔操作的环境温度的变化一般不大,但在采用风冷器作冷凝器时,则天气骤变与昼夜温差,对塔的操作影响较大,它会使回流量或回流温度变化。为此,应采用内回流控制的方法予以克服。内回流通常是指精馏塔的精馏段内上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量,一般要控制内回流为恒定量或按某一规律变化的操作。

    由上述分析可以看出,进料流量和进料成分的波动是精馏塔操作的主要干扰,这个干扰往往不可控。

   三、精馏塔的控制方案

    在了解了精馏塔的操作要求和影响因素之后,余下的问题就是如何确定精馏塔的控制方案。首先简述设置精馏塔控制方案的基本观点。为简化讨论,只谈及顶部和底部产品均为液相的且没有侧线采出的情况。由于精馏塔的控制方案繁多,只按这些基本观点选择具有代表性的、常见的控制方案作出介绍。

     1.设置精馏塔控制方案的基本观点

    (1)按物料及能量平衡关系进行控制

    对于一个实际操作的二元精馏塔,在进料成分一定时,只要把D/F和V/F调节一定;且顶部回流罐液位调节以保证回流按照L=Vr-D的关系保持一定;底部产品流量B在液位调节作用下也可以保证B=F-D的物料平衡关系,那么该塔的产品质量就能得到控制。需指出,由于能量关系因素V主要取决于再沸器加热量,但也取决于进料和回流的热焓。当回流温度恒定时,只须考虑进料设置温度或热焓自动调节系统。于是可保持再沸器的蒸汽量一定,就相当于塔内上升蒸汽量V一定了。考虑到因冷凝器冷却量和环境等扰动因素而使能量平衡可能破坏,从而使塔压变化,因此在塔顶设置压力调节系统。对于D/F和V/F的控制,由顶部产品量D、再沸器加热蒸汽量和进料量F分别组成比值控制系统。若考虑到动态关系,可添加补偿环节,一般采用超前-滞后环节。

    (2)设置质量调节系统

     实际上根据精馏塔静态特性考虑的按物料和能量平衡关系控制的方案,在具体应用时  很难保证产品的质量,仅在产品质量指标并不严格的情况下才能使用。为了使产品符合一定的质量指标,就必须在上述控制方案的基础上设置质量反馈系统,采用再沸器加热量及顶部产品量(或回流量)等作为调节参数,以克服进料成分变化等扰动对产品成分的影响,使产品合格。对于一个精馏塔来讲,塔顶产品和塔底产品的质量调节系统之间是相互关联的,当相互影响严重时,不能达到预定的质量控制目的,此时可采用解耦控制以减少或消除它们之间的相关影响。对于二元精馏塔可只采用顶部产品质量反馈,底部产品质量反馈可不用。

    (3)静态和动态响应

     满足静态特性关系的精馏塔控制方案很多、即一个被调参数在不同控制方案中可以用不同的调节参数控制。从调节理论可知,所选择的调节参数使得被调参数的静态增益越大,控制系统的静态灵敏度越高,克服外部扰动的效果也越好。但如果该调节参数的调节通道的时间常数太大,则从动态上看,控制系统的响应就不够快速,从而不能及时克服外部扰动。因此,必须从静态响应和动态响应两方面综合考虑来确定调节参数和选择控制方案。当方案选取时,由于客观条件不得不采用灵敏度较高但动态响应缓慢的控制回路时,则应当考虑必要的动态补偿。

    (4)考虑控制系统间的相关影响

    在质量指标调节中,谈及了顶部产品和底部产品质量反馈系统之间的相关问题。同样的问题在一个精馏塔的控制中也存在。精馏塔是一个多变量的调节对象,往往设有多个控制系统。在这些系统之间有可能产生相互关联的影响。当相关影响严重时,可以使精馏塔的操作系统失去稳定。解决的方案一是可选取相关影响较小的系统,通过对各控制回路间相关影响的定量分析方法来选取;二是对于选取的具有相关影响的控制系统,可通过整定调节器参数把控制回路的工作频率拉开的方法减少相关;或者采用解耦控制。需指出的是,此时不仅要考虑到系统的静态特性,也需要考虑其动态影响。

    (5)考虑整个工艺生产过程的平稳操作

    由于精馏塔往往是生产过程中的一个环节,因此不仅前一工序的操作情况要影响精馏塔的操作,而且它的产品产量和成分变化也要影响到后一工序的操作。于是在设置精馏塔的控制方案时,必须协调前后工序的关系。在某些考虑前后工序关系的整个生产过程的控制中可以采用逆流向物料平衡控制方案。这种控制方案中,前一工序的调节是根据后一工序的需要而定的。例如在精馏塔中,可根据后一工序对顶部产品量的需要改变产品馏出液量,而馏出液量的变化会引起回流罐的液位变化,可通过液位调节改变塔的进料量来实现。这种逆流向方案,可使整个生产过程稳定并可减少回流罐等中间容器的容积。

    (6)塔压调节与浮动压力操作

    在精馏塔的自动控制中,保持塔压恒定是稳定操作的条件。这主要是由两方面的因素决定的,一是压力的变化将引起塔内气相流量和塔顶上汽液平衡条件的变化,导致塔内物料平衡的变化。二是由于混合组分的沸点和压力间存在一定的关系,而塔板的温度间接反映了物料的成分。因此,压力恒定是保证物料平衡和产品质量的先决条件。在精馏塔的控制中,往往都设有压力调节系统,来保持塔内压力的恒定。

    而在采用成分分析用于产品质量控制的精馏塔控制方案中,则可以在可变压力操作下用温度调节或对压力变化补偿的方法实现质量控制。其做法是让塔压浮动于冷凝器的约束,而使冷凝器始终接近于满负荷操作。这样,当塔的处理量下降而使热负荷降低或冷凝器冷却介质温度下降时,塔压将维持在比设计要求低的数值。压力的降低可以使塔内被分离组分间的挥发度增加,这样使单位处理量所需的再沸器加热量下降,节省能量,提高经济效益。同时塔压的下降使同一组分的平衡温度下降,再沸器两侧的传热温度增加,提高了再沸器的加热能力,减轻再沸器的结垢。浮动压力操作可以显著提高精馏生产的经济效益。但是由于塔压的波动会产生精馏塔的不平稳扰动。因此在实际生产中,采用不多。

    (7)根据热力学观点等选取节约能量的方案

    在精馏塔的自动控制中,调节作用几乎都是通过调节阀改变流体流量来实现的。从热力学观点来看,调节阀的节流过程是一个近乎等焓的过程。在这个过程中熵将增加,熵的增加意味着消耗了有用功。调节阀前后的压力降就是损失的功的度量。因此,为了节省能量,减少有用功的损失,应使调节阀前后压降尽可能减少,这是控制方案的选择中一个值得注意的问题。为了节约能量消耗,在精馏塔控制中还可采用其他许多措施,在具体方案中避免安排某些能量消耗高的调节系统,采用浮动压力控制以及产品质量较严格地控制它的规格值,从而使塔的能耗量最小、成本最低及利润最大。

    2.精馏塔的基本控制方案

    精馏塔的基本控制方式是讨论复杂和特殊控制方案乃至最优控制的基础,同时也是目前实际应用中最常见的方案。精馏塔是一个多变量对象,因此如果将任意一个被调参数和任意一个调节参数组成调节回路,就可能有许多调节方案。而产品质量往往是精馏过程的主要目标,因此,在基本控制方案中,以产品质量指标来选取调节参数,一种是采用温度作为间接质量指标,一种是采用产品成分等作为直接质量指标。

    (l)按提馏段指标的控制方案

如果对釜底出料的成分要求高于塔顶出料,塔顶或精馏段板上温度不能很好地反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时,可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标,而以改变再沸器加热量作为控制手段的方案,就是提馏段温控。


           
图16  常见的提馏段温控方案

 

    图16是常见的提馏段温控的一个方案。该方案以提馏段塔板温度为被控变量,加热蒸汽量为操纵变量。除了这个主要控制系统外,还设有若干个辅助控制系统;进料量F为定值控制或用均值控制系统;对塔底采出量B和塔顶馏出物D,按物料平衡关系分别设有塔底与回流罐的液位控制器作均匀控制;为维持塔压恒定,在塔顶设置压力控制系统,控制手段是控制冷凝器的冷却量;提馏段温控时,回流量采用定值控制,且回流量应足够大,以便当塔的处理量最大时,仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内。

    提馏段温控由于采用了提馏段温度作为间接质量指标。因此,它能够较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段恒定后,就能较好地保证塔底产品的质量。

    对于液相进料时,进料量或进料成分的变化很快影响塔底的成分,而提馏段温控比较及时,动态过程也比较快。提馏段温控的一个特点是回流量足够大,因而在保持塔底质量的前提下,仍能保持塔顶质量,因此即使塔顶产品质量要求比塔底严格时,仍可采用提馏段温控。

    (2)按精馏段指标的控制方案

    如果对塔顶出料的成分要求高于釜底出料时,或者全部为气相进料时,或当塔底提馏段板上的温度不能很好地反映产品组分变化时,则可采用精馏段控制。精馏段温度也是衡量质量指标的间接指标,它是以改变回流量作为控制手段的方案,称为精馏段温控。

17是常见的精馏段温控的一种方案。它的主要控制系统是以精馏段塔板温度为被控变量,而以回流量为操纵变量。

 

      图17  常见精馏段温控方案

 

    除了上述主要控制系统外,精馏段温控还设有若干个辅助控制系统。对进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案,与提馏段温控时相同。在精馏段温控时,再沸器加热量应维持一定,而且足够大,以使塔在最大处理量时,仍能保持塔底产品的质量。

    由于采用了精馏段温度作为间接质量指标,因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当精馏段恒定后,能较好地保证塔顶产品的质量。对于动态气相进料时,其进料量的变化过程也比较快,采用精馏段温控就比较及时。

    提馏段和精馏段温控方案,分别以塔底和塔顶的温度作为被控变量。当要分离的产品纯度较高时,由于塔顶或塔底的温度变化及其相邻塔之间的温度相差均很小,这就要求有非常灵敏的测温装置,同时对温控的调节精度都有很高的要求,但实际上却很难做到。解决这一问题的方法,是取精馏塔的灵敏板的温度作为被控变量。

    所谓灵敏板,是指当塔的操作受到扰动或控制作用时,各板上的物料组分和温度变化最大的那块塔板。当产品组分变化时,在灵敏板处可获得最大的的温度变化值,所以,以灵敏板温度进行控制时,塔的产品纯度可以得到保证。

    (3)温差控制及双温差控制

    在精密精馏中,产品纯度要求很高,组分间的相对挥发度差值很小,因而组分变化不大,然而微小的压力波动会造成明显的温度变化。这样,就破坏了温度和组分间的对应关系。此时,采用温度作为被控变量的提馏段和精馏段温度控制就得不到很好的效果,而应当采用温差控制。

   采用温差作为被控变量通常可以在塔顶(或塔底)附近的一块塔板上检测出该板温度,再检测出灵敏板上的温度,由于压力的波动对每块板的温度影响基本相同,只要将上述检测到的两个温度值相减,压力的影响几乎相互抵消。在实际应用中,温差控制的关键是正确选择测温点,合理给出温差设定值。这是因为温度与产品成分之间的关系不是线性的,同一温差在不同条件下可以有两个不同的组分。图18是正丁烷和异丁烷分离塔的温差和塔底产品中轻组分浓度的关系示意图。由图可见,曲线除最高点外,每一温差都有两个不同的组分浓度。最高点左侧部分对应的塔底产品纯度较高,而右侧则较低。因此,温差的工作点应位于曲线的左侧。

                   

    为了使控制系统工作于曲线最高点的左侧,可利用温差随产品纯度增加而减小的特点,取塔顶或塔底温度作为参变量。同时温度控制器的给定值不能太大,干扰量(尤其是加热蒸汽量的波动)也不能太大,以防止工作状态变到图中曲线最高点的右侧,致使控制器无法正常工作。

温差控制可以克服由于塔压波动对塔顶(或塔底)产品质量的影响。但是当负荷变化时,塔板的压降发生变化,随着负荷递增,由于两块板的压力变化值不相同,所以由压降引起的温差也将增大。这时温差和组分之间就不成单值对应关系,在这种情况下需采用双温差控制或称温度差值控制。


              
图19  双温差控制系统图

 

    图19是双温差控制的系统图。双温差控制需分别在精馏段和提馏段上选取温差信号,以两者之差作为控制系统的被控变量。由于压降变化所引起的温差变化,不仅出现在塔的上段,也出现在塔的下段,这样因负荷引起的变化相减后就可相互抵消。双温差法是一种控制精馏塔进料板附近的组分,以保证工艺上最好的温度分布曲线而实现对精馏操作的稳定控制,并获得更纯的塔顶产品和塔底产品的方法。

    (4)按产品成分或物性指标的直接控制方案

    精馏塔的质量控制最好能选择表征塔顶和塔底产品的质量指标,即产品的成分作为被控变量,即直接控制方案。上述的温度、温差或双温差控制都是间接控制产品质量的方法。利用产品分析器,例如色谱仪、红外分析器、密度计、干点、闪点及初馏点分析器等,分析出塔顶(或塔底)的产品成分并将其作为被控变量,而将回流量或再沸器的加热量等作为控制变量,就可以组成成分控制,实现按产品成分的直接指标控制。

    采用色谱仪可以测量多组分的浓度,并可以通过测量其他含量较少的杂质组分之和来决定产品的纯度。精馏工艺上通常采用工业色谱仪进行在线的成分分析,并以关键组分的浓度比进行控制。由于色谱仪也是根据吸收和解吸原理工作的,在精馏塔中很难进行的分离在色谱仪中也是困难的。同时分析仪需要采样系统且其测量滞后影响了控制系统的动态响应。这是在使用时应予注意的。在精馏塔的操作中,当干扰产生时,多个塔板中灵敏板的变化量最明显。因此,可选择测量灵敏板上的成分,并作为被控变量进行控制。

与温度控制的情况类似,塔顶或塔底产品的成分是能体现产品的质量指标。但是当分离的产品较纯时,在邻近塔顶、塔底的各板间,成分差很小,而且每块板上的成分在受到干扰后变化也很小,这就要求检测成分的仪表灵敏度很高。理论上讲,按产品成分的直接指标控制方案,是最直接、最有效的方案。它可为各种基于化工热力学的多变量控制及精确控制打下基础。但是,就目前测量产品成分的仪表来说,准确度一般较差、滞后时间也很长,因而控制系统的控制质量受到很大影响。但只要不断改善成分分析仪表的性能,按产品成分的直接指标控制方案将得到广泛应用。

 

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日期: 2009/6/1 9:18:33
作者: 史继斌
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