精馏塔自控系统应用设计毕业论文(编辑修改稿)

精馏塔自控系统应用设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。 为了维持塔的物料平衡，还要控制塔顶和塔底产品采出量，使二者之和等于进料量，两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔的平稳运行；精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。 控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳运行所必须的。 (3)满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行，必须满足一些参数 的极限值所规定的约 束条件。 例如对塔内气体流速的上下限限制，流速 6 过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控制，通过测量和控制塔底于塔顶间的差压，间接实现塔内气体流速的检测和控制。 精馏塔本身还有最高压力限制，当塔内压力超过其耐压极限时，容器的安全就没有保障。 (4)节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗。 另外，塔和附属设备及管道 也要散失一部分能量。 精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。 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。 其中质量指标是必要条件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量高一些，能量消耗尽可能低一些。 精馏塔的干扰因数特性 图 表示精馏塔物料流程图。 进料 F 从精馏塔中段某一塔板进入塔内，这块塔板就称为进料板。 进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称精馏段，进料板以下部分称提馏段。 在精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种 [4]。 7 图 精馏塔物料流程图 F 的波动 进料量 F 的波动 通常是难免的，如 果精馏塔位于整个生产过程的起点，则以采用定值控制。 但是精馏塔进料量 F 往往是由上一道生产工序所决定，如果一定要使精馏塔进料量 F 恒定，就必须设置中间储槽进行缓冲。 现在精馏工艺是尽可能减少或取消中间储槽，采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量 F 比较平稳，避免 F 的剧烈变化。 ZF 的变化 进料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情况决定的，对图 所示的精馏塔来讲，它是不可控的扰动因数。 TF 和进料热焓值 QF 的变化 进料温度和状态对塔的操作影响很大，一般情况下进料温 度是比较稳定的，如果进料温 TF 度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时 8 采用进料温度控制可克服这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保证其热焓值 QF 稳定。 当进料是气液两相混合状态时，只有当气液两相比例恒定时，恒温进料的热焓值才能恒定。 为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过热焓控制来维持进料热能恒定。 当加热剂是 蒸气 时，通过再沸器输入精馏塔的热量扰动 往往是由蒸气压力变化所引起的，这一扰动可通过在蒸气总管 设置压力控制来加以克服，或者通过温度串级控制系统 的副回路予以克服。 冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或温度变化引起的，吸收热量的变化会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。 冷却剂的温度一般变化较小，而流量的变化大多是由压力波动引起的，可采用与克服加热剂压力变化类似的方法进行控制。 环境温度一般变化较小。 冷凝器采用风冷方式时，天气聚变及昼夜温差对精馏塔的运行影响较大，会使回流量或回流温度发生变化，对于这种干扰可采用内回流控制的方法予以克服。 内回流是指精馏塔精馏段上一层 塔 盘向下一层塔盘流下的液体量。 内回流控制，是指在精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律变化。 通过以上几点分析可以看出，进料流量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主要干扰，一般是不可控的。 其他干扰比较小，可以采用辅助控制系统预先加以克 9 服和抑制，各种精馏塔的工作情况不尽相同，需要根据实际情况具体分析。 精馏塔的控制目标 质量指标 精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，因此产品的质量指标必须符合规定的要求。 也就是说，塔顶或塔底产品之一应该保证达到规定的程度，而另一产品也应保证在规定的范围 内 [5]。 在二元组分精馏中，情况比较简单，质量指标就是使塔顶产品中轻组分纯度符合技术要求或塔底产品中重组分纯度符合技术要求。 在多元组分精馏中，情况较复杂，一般仅控制关键组分。 所谓关键组分，是指对产品质量影响较大的组分。 从踏顶分离出挥发度较大的关键组分称为轻关键组分，从塔底分离出 挥发度较小的关键组分称为重关键组分。 以石油裂解气分离中的脱乙烷塔为例，他的目的是把来自脱甲烷塔底部分产品作为进料加以分离，将乙烷和更轻的组分从底部分离出来，比乙烷重的组分从塔底分离出来，这时，显然乙烷是轻关键组分，丙烯则是重关键组 分。 因此，对多元组分的分离可简化为对二元关键组分的分离，这就大大的简化精馏操作。 在精馏操作中，产品质量应该控制到刚好能满足规定上的要求，即处于 “卡边 ”生产。 超过规定的产品是一种浪费，因此它的售价不会太高，只会增加能耗 、降低产量而已。 产品产量和能量消耗 精馏塔的其他两个重要控制目标是产品的产量和能量消耗。 精馏塔的任务，不仅要保证产品质量，还要有一定产量。 另外，分离混合液也需要消耗一定的能 10 量，这主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。 此外，塔的附属设备及管线也要散失一定的热量和冷量。 从定性的分 析可知，要使分离所得的产品纯度越高，产品产量越大，则所消耗的能量越多 产品的产量通常用该产品的回收率来表示。 回收率的定义是进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。 数学上组分 i 的回收率定义为 ： Ri=P/Fzi 式中， P 为产品产量 ； F 为进料流量； Zi 为进料组分 i 的浓度。 产品回收率、产品纯度及能量消耗三者之间的定量关系可以用图 中的曲线来说明。 这是对于某一精馏塔按分离 50%两组合分混合液作出的曲线图，纵坐标是回收率，横坐标是产品纯度（按纯度的对数值刻度），图中的曲线是表示每单位进料所消耗能量的等值线 （用塔内上升蒸气量 V与进料量 F 之比 V/F 来表示）。 曲线表明，在一定的能耗 V/F 情况下，随着产品纯度的提高，会使产品的回收率迅速下降。 纯度越高，这个倾向越明显。 图 产品纯度、产品回收率和能量消耗的关系 11 此外，从 图 可知，在一定的产品纯度要求下，随着 V/F 从小到大逐步增加，刚开始可以显著提高产品的回收率。 然而，当 V/F 增加到一定程度以后，再进一步增加 V/F 所得到的效果就不显著了。 例如，由图 可以看出，在 98%的纯度下，当 V/F 从 2 增至 4 时，产品回收率从 14%增到 88%，增加了 74%；当 V/F 再从 4增加到 6 时，则产品回收率仅从 88%增加到 %，只增加了 %。 以上讨论说明，在精馏操作中主要产品的质量指标，刚好达到质量规格的情况是期望的，低于要求的纯度将使产品不合格，而超过 纯度要求会降低产量。 然而，在一定的纯度要求下，提高产品的回收率，必然要增加能量消耗。 可是单位产量的能耗最低并不等于单位产量的成本最低，因为决定成本的不仅是能耗，还有原料的成本。 右此可见，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。 其中质量指标是必 要条件，在质量指标一定的前提下，在控制过程中应使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。 至于在质量指标一定的前提下，使单位产品产量的能量消耗最低消耗或单位产品量的成本最低以及使综合经济效益最大等，均是属于不同目标函数的最优控制问题。 精馏塔装置的工艺流程 使分馏产品满足质量要求是精馏塔控制系统的最终目的。 控制系统通过对生产过程工艺参数的检测和控制，克服扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续地进行 [6]。 图 为精馏塔装置的工艺流程。 12 图 精馏塔工艺流程 13 第三章 精馏塔控制方案设计 精馏塔控制方案 不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制的要求个不相同，因而精馏塔控制方案较多。 下面对常见的几种方案进行分析。 提馏段参数控制 当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为衡量质量的间接指标，这时可选提馏段某点温度作为被控参数，以再沸器加热蒸气流量为控制变量。 另外，液相进料时也常采用这类方案，这是因为在液相进料时，进料量 F 的变化首先影响到塔底产品浓度，而塔顶或精馏塔板上的温度不能及时地反映这种变化。 图 为提馏段温度控制方案，其主要控制系统是以提馏段塔板温度为被控 参数，以加热蒸气流量为控制变量。 为了抑制其他干扰对被控参数的影响，还没有五个辅助控制系统：对塔顶馏出液 QD 和塔底采出量 QW，案物料平衡关系分别设有 回流量和塔底液位控制系统；为保持进料量 F 稳定， F 进行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均匀控制以维持 F 平衡变化；为维持塔内压力恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制变量一般为冷凝器的冷却剂流量；塔顶回流量 QL 采用定植控制，而且回流量应足够大，以便当精馏塔的负荷最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内 [7]。 采用提馏段温度控制系统时，在回流量足够大的情况下， 塔顶产品的质量也可以保持在规定的纯度范围内，因此，即使塔顶产品质量要求比塔底严格，仍然采用提馏段温度控制系统。 14 图 精馏塔提馏段温度控制方案 提馏段温度控制系统具有如下特点： 1） 以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。 在以塔底采出液为主要产品，对塔底产品成分的要求高于对塔顶馏出液成分的要求时，往往采用提馏段温度控制系统方案。 2） 当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时，动态响应过程也比 较迅速。 精馏段参数控制 当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指标，这时可选精馏某点温度作为被控参数（间接塔顶采出液的纯度），以回流量QL 作为控制变量组成单回路控制系统，也可组成串级控制系统。 串级控制系统虽 15 较复杂，但可迅速而有效地克服进入副环的扰动，并可降低对调节阀 特性的要求，有较高的精度。 精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度，当干扰不很大时，塔底产品的纯度变化范围也不大 [8]。 图 所示串级温度控制系统是常见的精馏段温度控制方案，其中回路是以 精馏段塔板温度为被控 参数，以回流量 QL作为控制变量， QL 同时也是串级控制系统的副参数。 为了抑制其他干扰对被控参数的影响，除了主系统外，还设有五个辅助控制系统。 其中，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；再沸器加热量应足够大，且维持一定，可以使精馏塔在最大负荷时，仍能保证塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。 图 精馏塔精馏段 温度 控制方案 精馏段温度控制系统有如下特点： 16 1） 用精馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏产品品质。 在以塔顶采出物为主要产品，对塔顶产品成分的纯度要求 高于对塔底产品成分的要求时，往往采用精馏段温度控制 系统方案 [9]。 2）当干扰首先进入精馏段时，例如在汽车相进料时，进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。 3）串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的抑制。 可实现被控参数的高精度控制。 以精馏段温度作为衡量质量指标的间接被控参数，当分离的产品纯度较高时，塔底温度变化很小。 为了及时、精确地检测和控制产品质量，要求温度检测仪表有很高的测量精度和灵敏度。 若将温度传感器安 装在塔底以上的灵敏塔板上，以灵敏板的温度作为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。 所谓灵敏板，是指出现扰动时温度变化最大的那块塔板。 以灵敏板温度作为被控参数有利于提高控制精度。 精馏塔的温差控制及双温差控制 前面 讨论的两种控制系统方案都是以温度作为被控参数这在一般的精馏塔中是可行的。 但在产品纯度要求很高，塔顶、塔底产品的沸点差别又不大、塔内压力存在波动时，以某一点温度作为被控参数的控制方案不能满足精馏工艺的精度要求。 这时常用温差控制系统，采用温差作为衡量精馏产品质量指标的间接参数，以提高控制质 量，满足工艺要求 [10]。 只有当压力完全恒定时，温度与成分之间才具有单值（严格来说，只是对二元组分）对应关系。 在压力波动时，用温度作为被控参数就不能很好地代表产品 17 的成分。 为了消除压力波动的影响，可以检测塔顶（或塔底）附近的一块塔板的温度，再检测灵敏板的温度。 由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本相同的，只要将上述两温度相减，压力的影响就消除了，这就是采用温差来衡量质量指标的依据。 当选择温差信号时，如果塔顶（塔底）采出量为主要产品，可将一个检测点放在塔顶或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并将对应的 塔板称为 参照板；另一个检测点放在灵敏板附近，即浓度和温度变化较大的位置，然后取上述两点的温度差 △ T 作为被控参数。 这时塔顶（塔底）温度实际上起参比作用，压力变化对两点温度都有相同影响，相减之后其压力波动的影响就基本抵消。 温差控制虽可以克服由于塔内压力波动对塔顶或塔底产品质量的影响，但是还存在一个问题，就是当负荷变化时，上升蒸气流量发生变化，引起塔板间的压降变化。 随着负荷增大，塔板间的压降增大引起的温差也将增大，。