精餾塔自控系統應用設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的進料參數保持穩定或避免其劇烈波動。為了維持塔的物料平衡，還要控制塔頂和塔底產品采出量，使二者之和等于進料量，兩個采出量變化要緩慢，以保證精餾塔的平穩運行；精餾塔內的儲液量應保持在限定的范圍內。控制塔內壓力穩定也是精餾塔平穩運行所必須的。 (3)滿足約束條件 為了保證精餾產品質量和生產過程的正常運行，必須滿足一些參數 的極限值所規定的約 束條件。例如對塔內氣體流速的上下限限制，流速 6 過高易產生液泛，流速過低會降低塔板效率，尤其對工作范圍較窄的篩板塔和乳化塔的流速必須嚴格控制，通過測量和控制塔底于塔頂間的差壓，間接實現塔內氣體流速的檢測和控制。精餾塔本身還有最高壓力限制，當塔內壓力超過其耐壓極限時，容器的安全就沒有保障。 (4)節能要求和經濟性 精餾過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經濟收益來衡量。在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是 要控制的目標。其中質量指標是必要條件，在優先保證質量指標的前提下，應使產品產量高一些，能量消耗盡可能低一些。 精餾塔的干擾因數特性 圖 表示精餾塔物料流程圖。進料 F 從精餾塔中段某一塔板進入塔內，這塊塔板就稱為進料板。進料板將精餾塔分為上下兩段，進料板以上部分稱精餾段，進料板以下部分稱提餾段。在精餾塔運行過程中，影響其質量指標和平穩生產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 進料量 F 的波動 通常是難免的，如 果精餾塔位于整個生產過程的起點，則以采用定值控制。但是精餾塔進料量 F 往往是由上一道生產工序所決定，如果一定要使精餾塔進料量 F 恒定，就必須設置中間儲槽進行緩沖。現在精餾工藝是盡可能減少或取消中間儲槽，采取在上一道工序設置液位均勻控制系統控制出料流量，使精餾塔的進料流量 F 比較平穩，避免 F 的劇烈變化。 ZF 的變化 進料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情況決定的，對圖 所示的精餾塔來講，它是不可控的擾動因數。 TF 和進料熱焓值 QF 的變化 進料溫度和狀態對塔的操作影響很大，一般情況下進料溫 度是比較穩定的，如果進料溫 TF 度變化較大，為了維持塔內的熱量平衡和穩定運行，在單相進料時 8 采用進料溫度控制可克服這種干擾，然而在多相進料時，進料溫度恒定并不能保證其熱焓值 QF 穩定 。當進料是氣液兩相混合狀態時，只有當氣液兩相比例恒定時，恒溫進料的熱焓值才能恒定。為了保持精餾塔的進料熱焓值恒定，必要時可通過熱焓控制來維持進料熱能恒定。 當加熱劑是 蒸氣 時，通過再沸器輸入精餾塔的熱量擾動 往往是由蒸氣壓力變化所引起的，這一擾動可通過在蒸氣總管 設置壓力控制來加以克服，或者通過溫度串級控制系統 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，吸收熱量的變化會影響到精餾塔頂回流量或回流溫度，進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引起的，可采用與克服加熱劑壓力變化類似的方法進行控制。 環境溫度一般變化較小。冷凝器采用風冷方式時，天氣聚變及晝夜溫差對精餾塔的運行影響較大，會使回流量或回流溫度發生變化，對于這種干擾可采用內回流控制的方法予以克服。內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。內回流控制，是指在精餾過程中，控制內回流為恒定量或按某一規律變化。 通過以上幾點分析可以看出，進料流量和進料成分擾動是精餾塔運行中的主要干擾，一般是不可控的。其他干擾比較小，可以采用輔助控制系統預先加以克 9 服和抑制，各種精餾塔的工作情況不盡相同，需要根據實際情況具體分析。 精餾塔的控制目標 質量指標 精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產品，因此產品的質量指標必須符合規定的要求。也就是說，塔頂或塔底產品之一應該保證達到規定的程度，而另一產品也應保證在規定的范圍 內 [5]。 在二元組分精餾中，情況比較簡單，質量指標就是使塔頂產品中輕組分純度符合技術要求或塔底產品中重組分純度符合技術要求。 在多元組分精餾中，情況較復雜，一般僅控制關鍵組分。所謂關鍵組分，是指對產品質量影響較大的組分。從踏頂分離出揮發度較大的關鍵組分稱為輕關鍵組分，從塔底分離出 揮發度較小的關鍵組分稱為重關鍵組分。以石油裂解氣分離中的脫乙烷塔為例，他的目的是把來自脫甲烷塔底部分產品作為進料加以分離，將乙烷和更輕的組分從底部分離出來，比乙烷重的組分從塔底分離出來，這時，顯然乙烷是輕關鍵組分，丙烯則是重關鍵組 分。因此，對多元組分的分離可簡化為對二元關鍵組分的分離，這就大大的簡化精餾操作。 在精餾操作中，產品質量應該控制到剛好能滿足規定上的要求，即處于 “卡邊 ”生產。超過規定的產品是一種浪費，因此它的售價不會太高，只會增加能耗 、降低產量而已。 產品產量和能量消耗 精餾塔的其他兩個重要控制目標是產品的產量和能量消耗。精餾塔的任務，不僅要保證產品質量，還要有一定產量。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，要使分離所得的產品純度越高，產品產量越大，則所消耗的能量越多 產品的產量通常用該產品的回收率來表示。回收率的定義是進料中每單位產品組分所能得到的可售產品的數量。數學上組分 i 的回收率定義為 ： Ri=P/Fzi 式中， P 為產品產量 ； F 為進料流量； Zi 為進料組分 i 的濃度 。 產品回收率、產品純度及能量消耗三者之間的定量關系可以用圖 中的曲線來說明。這是對于某一精餾塔按分離 50%兩組合分混合液作出的曲線圖，縱坐標是回收率，橫坐標是產品純度（按純度的對數值刻度），圖中的曲線是表示每單位進料所消耗能量的等值線 （用塔內上升蒸氣量 V與進料量 F 之比 V/F 來表示）。曲線表明，在一定的能耗 V/F 情況下，隨著產品純度的提高，會使產品的回收率迅速下降。純度越高，這個傾向越明顯。 圖 產品純度、產品回收率和能量消耗的關系 11 此外，從 圖 可知，在一定的產品純度要求下，隨著 V/F 從小到大逐步增加，剛開始可以顯著提高產品的回收率。然而，當 V/F 增加到一定程度以后，再進一步增加 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 V/F 從 2 增至 4 時，產品回收率從 14%增到 88%，增加了 74%；當 V/F 再從 4增加到 6 時，則產品回收率僅從 88%增加到 %，只增加了 %。 以上討論說明，在精餾操作中主要產品的質量指標，剛好達到質量規格的情況是期望的，低于要求的純度將使產品不合格，而超過 純度要求會降低產量。然而，在一定的純度要求下，提高產品的回收率，必然要增加能量消耗?？墒菃挝划a量的能耗最低并不等于單位產量的成本最低，因為決定成本的不僅是能耗，還有原料的成本。右此可見，在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是要控制的目標。其中質量指標是必 要條件，在質量指標一定的前提下，在控制過程中應使產品產量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。至于在質量指標一定的前提下，使單位產品產量的能量消耗最低消耗或單位產品量的成本最低以及使綜合經濟效益最大等，均是屬于不同目標函數的最優控制問題。 精餾塔裝置的工藝流程 使分餾產品滿足質量要求是精餾塔控制系統的最終目的。控制系統通過對生產過程工藝參數的檢測和控制，克服擾動對生產過程的影響，保證生產安全、持續地進行 [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 精餾塔控制方案設計 精餾塔控制方案 不同精餾塔生產工藝、產品質量標準不一樣，對控制的要求個不相同，因而精餾塔控制方案較多。下面對常見的幾種方案進行分析。 提餾段參數控制 當塔底液為主要產品時，常采用提餾段溫度作為衡量質量的間接指標，這時可選提餾段某點溫度作為被控參數，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量。另外，液相進料時也常采用這類方案，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品濃度，而塔頂或精餾塔板上的溫度不能及時地反映這種變化。 圖 為提餾段溫度控制方案，其主要控制系統是以提餾段塔板溫度為被控 參數，以加熱蒸氣流量為控制變量。為了抑制其他干擾對被控參數的影響，還沒有五個輔助控制系統：對塔頂餾出液 QD 和塔底采出量 QW，案物料平衡關系分別設有 回流量和塔底液位控制系統；為保持進料量 F 穩定， F 進行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均勻控制以維持 F 平衡變化；為維持塔內壓力恒定，在塔頂設置壓力控制系統，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，而且回流量應足夠大，以便當精餾塔的負荷最大時，仍能保持塔頂產品的質量指標在規定的范圍內 [7]。 采用提餾段溫度控制系統時，在回流量足夠大的情況下， 塔頂產品的質量也可以保持在規定的純度范圍內，因此，即使塔頂產品質量要求比塔底嚴格，仍然采用提餾段溫度控制系統。 14 圖 精餾塔提餾段溫度控制方案 提餾段溫度控制系統具有如下特點： 1） 以提餾段溫度作為間接質量指標，能較迅速、直接地反映提餾段產品品質。在以塔底采出液為主要產品，對塔底產品成分的要求高于對塔頂餾出液成分的要求時，往往采用提餾段溫度控制系統方案。 2） 當干擾首先進入提餾段時，例如在液相進料時，由進料產生的干擾首先要引起提餾段和塔底的參數變化，故用提餾段溫度控制比較及時，動態響應過程也比 較迅速。 精餾段參數控制 當以塔頂采出液為主要產品時，往往以精餾段的溫度作為衡量質量的間接指標，這時可選精餾某點溫度作為被控參數（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，也可組成串級控制系統。串級控制系統雖 15 較復雜，但可迅速而有效地克服進入副環的擾動，并可降低對調節閥 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品的純度，當干擾不很大時，塔底產品的純度變化范圍也不大 [8]。 圖 所示串級溫度控制系統是常見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，以回流量 QL作為控制變量， QL 同時也是串級控制系統的副參數。 為了抑制其他干擾對被控參數的影響，除了主系統外，還設有五個輔助控制系統。其中，進料量、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相同；再沸器加熱量應足夠大，且維持一定，可以使精餾塔在最大負荷時，仍能保證塔底產品的質量指標穩定在一定范圍內。 圖 精餾塔精餾段 溫度 控制方案 精餾段溫度控制系統有如下特點： 16 1） 用精餾段溫度作為間接質量指標，能較迅速、直接地反映提餾產品品質。在以塔頂采出物為主要產品，對塔頂產品成分的純度要求 高于對塔底產品成分的要求時，往往采用精餾段溫度控制 系統方案 [9]。 2）當干擾首先進入精餾段時，例如在汽車相進料時，進料產生的干擾首先引起精餾段和塔頂的參數變化，故用精餾段溫度控制比較及時，動態響應比較迅速。 3）串級控制系統的流量回路對回流罐液位與壓力、精餾塔內壓力等干擾對回流量的影響有較強的抑制。可實現被控參數的高精度控制。 以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接被控參數，當分離的產品純度較高時，塔底溫度變化很小。為了及時、精確地檢測和控制產品質量，要求溫度檢測儀表有很高的測量精度和靈敏度。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，可以取得滿意的檢測和控制效果。 所謂靈敏板，是指出現擾動時溫度變化最大的那塊塔板。以靈敏板溫度作為被控參數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方案都是以溫度作為被控參數這在一般的精餾塔中是可行的。但在產品純度要求很高，塔頂、塔底產品的沸點差別又不大、塔內壓力存在波動時，以某一點溫度作為被控參數的控制方案不能滿足精餾工藝的精度要求。這時常用溫差控制系統，采用溫差作為衡量精餾產品質量指標的間接參數，以提高控制質 量，滿足工藝要求 [10]。 只有當壓力完全恒定時，溫度與成分之間才具有單值（嚴格來說，只是對二元組分）對應關系。在壓力波動時，用溫度作為被控參數就不能很好地代表產品 17 的成分。為了消除壓力波動的影響，可以檢測塔頂（或塔底）附近的一塊塔板的溫度，再檢測靈敏板的溫度。由于壓力波動對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，這就是采用溫差來衡量質量指標的依據。 當選擇溫差信號時，如果塔頂（塔底）采出量為主要產品，可將一個檢測點放在塔頂或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并將對應的 塔板稱為 參照板；另一個檢測點放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置，然后取上述兩點的溫度差 △ T 作為被控參數。這時塔頂（塔底）溫度實際上起參比作用，壓力變化對兩點溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動的影響就基本抵消。 溫差控制雖可以克服由于塔內壓力波動對塔頂或塔底產品質量的影響，但是還存在一個問題，就是當負荷變化時，上升蒸氣流量發生變化，引起塔板間的壓降變化。隨著負荷增大，塔板間的壓降增大引起的溫差也將增大，