第12章 精馏塔的控制

四、精馏塔塔压的控制
（1）常压塔 （2）加压塔 ①气相采出
PC
精馏段气相出料压力控制
②液相出料 a)液相出料
PC
馏出物中含有微量不凝物
)
b)液相出料
馏出物中含有大量不凝物
PC
PC
c)液相出料
馏出物中含有微量不凝物
PC
(3) 减压塔
空气 PC PC 惰性气体
抽真空 抽真空
二、精馏塔的控制要求
精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合 格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总 成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个 方面考虑，设置必要的控制系统。 （1）产品质量控制； （2）物料平衡控制； （3）能量平衡控制； （4）约束条件控制（液泛限、漏液限、压力限、 临界温差限等）。 防止液泛和漏液，可以塔压降或压差来监 视气相速度。
精馏塔真空度控制 抽气管路上节流控制
精馏塔真空度控制 控制旁路吸入气量
12.5 精馏塔的新型控制方案
随着控制技术的不断发展，新型控制方案、 控制算法不断出现，自动化控制技术工具也有 了飞速的发展，尤其是计算机在工业过程中的 应用愈益广泛，使得在静馏过程的控制中新的 控制方案层出不穷，控制系统的品质指标越来 越高，保证塔的平稳操作，以及满足工艺提出 的各种新要求。
二、质量指标反馈控制
一般说来，精馏塔的质量指标只设定一个， 分别称为精馏段控制和提馏段控制。 能量平衡控制的操纵变量为L或Q（V）； 物料平衡控制的操纵变量为D或B。 被控变量除了质量指标外，尚有回流罐液 位LD、塔釜液位LB。 四个操纵变量与三个被控变量进行配对， 将富裕出一个操纵变量，这个操纵变量往往采 用本身流量恒定。 它们经配对后，较为常用的基本方案有四 种。
ΔT M1
x
温度检测点的位置，对于 塔顶馏出液为主要产品时，一 个测温点应放在塔顶（或稍下 一些），即温度变化较小的位 置；而另一点放在灵敏板附近， 即成分和温度变化较大、较灵 敏的位置上。
（3）双温差控制 为了克服温差控制中的不足，提出了双温 差控制，即分别在精馏段和提馏段上选取温差 信号。然后把两个温差信号相减，以这个温差 的差作为间接质量指标进行控制。
所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用 时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔 板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时， 温度变化最大的那块塔板即为灵敏板。
灵敏板的位置先根据测算，确定大致位置， 然后在它的附近设置多个检测点，从中选择最 佳的测量点作为灵敏板。
三、用压力补偿的温度参数作为间接指标
用温度作为间接质量指标有一个前提—塔 内压力恒定。虽然精馏塔的塔压一般有控制， 但对精密精馏等控制要求较高的场合，微小的 压力变化，将影响温度与组分间的关系，造成 质量控制难以满足工艺的要求，为此需对压力 的波动加以补偿。 （1）直接压力补偿 压力的变化Δ p引起沸点变化为Δ T，在小 范围内，此关系近似为线性关系：
（1）温度点的位置
若希望保持塔顶产品质量符合要求时，即顶 部馏出液为主要产品，应把间接反映质量的温度 检测点放在塔顶，构成所谓的精馏段温控系统； 同样，为了保证塔底产品符合质量要求， 温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温控系统。 具有粗馏作用的切割塔，此时温度检测点 的位置应视要求产品的纯度的严格程度而定。
一、精馏塔的基本关系 （1）物料平衡关系
总物料平衡：F=D+B 轻组分平衡：F zf=D xD+B xB
联立（12-1）、（12-2）可得：
xD F ( z f xB ) xB D zD x f
(12-1) (12-2)
D F xD xB
(12-3)
（2）能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分 离度的概念。所谓分离度s可用下式表示：
T K p
(12-11)
T校正 Kp K ( p p0 )
(12-12)
校正后的温度值应为：
z T T校正 T K ( p p0 ) T Kp Kp0 )
Kpo p T PT Kp TT T
(12-13)
Σ
z
这种直接压力补偿只适用于压力Δp在小范围内波动。
一、传统的物料平衡控制
FC LC
L D
FC
F
V
LC
FC
Q
B
图12-10 固定回流量L和加热蒸汽量Q（V）
LC
L
FC
FC
D
F
V
LC
FC
Q
B
图12-10 固定馏出液流量D和加热蒸汽量Q（V）
控制方案的主要特点是无质量反馈控制， 它们属于产品质量开环控制，只要保持D/F （或B/F）和V/F（或回流比）一定，完全按物 料及能量平衡关系进行控制。 它适用于产品质量要求不高以及扰动不多 的场合。 该方案结构简单，但适应性不高，目前应 用不多。
(3)当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含 3 纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物 料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端 的质量控制选用能量平衡控制。 当选用塔顶部产品馏出物流量D或塔底采出 液量B来作为操纵变量控制产品质量时，称为物 料平衡控制； 而当选用塔顶部回流L或再沸器加热量Q（V） 来作为操纵变量控制产品质量时，称为能量平衡 控制。 欣斯基提出的三条准则对于精馏塔控制方案 设计有很好的指导作用。
T1dT
Δ 2T ΔT
TddT
M2
精 馏 塔
T2dT
M1
x
温差控制受两个因素的影响：一是进料组 分的波动，另一个是因负荷变化而引起塔板的 压降变化。前者若使温差减少，则后者当压降 增大时，温差反而增加，所以是有矛盾的，在 这种情况下就难以控制。 采用双温差控制后，若由于进料流量波动 引起塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段 同时出现，因而上段温差减去下段温差的差值 就消除了压降变化的影响。从国内外应用双温 差控制的许多装置来看，在进料流量波动影响 下，仍能得到较好的控制效果。
三、串级、均匀、比值、前馈等控制系统在精馏 塔中的应用
1.串级控制系统
TC
FC TC LC FC LC
提馏段温度串级控制
精馏段温度串级控制
（2）均匀控制系统 （3）比值控制系统 （4）前馈控制系统
LC FY FC
精馏塔中的前馈控制
在精馏操作中，除了上述控制系统外，选择 性控制也常用于约束条件的控制，以及完成自动 开停车。此外还有其它一些的复杂控制系统，诸 如内回流控制、热焓控制等。
12.3 精馏塔被控变量的选择
通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直 接的产品成分信号和间接的温度信号。 一、采用产品成分作为直接质量指标
成分分析仪表的制约因素： ①分析仪表的可靠性差；
②分析测量过程滞后大，反应缓慢；
③成分分析针对不同的产品组分，品种上较难 一一满足。
二、采用温度作为间接质量指标
（2）温差控制 在精密精馏等对产品纯度要求较高的场合， 考虑压力波动对间接指标的影响，可采用温差 控制。
塔顶产品纯度不变 64
Mpa ℃ 2.8 2.8 2.8
塔 板 序 号
52
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
1.126 1.155 1.190
Ⅰ Ⅱ Ⅲ 60 65 70 75 80 ℃
压力变化与各板温度分布
选择温差作为被控变量时，需要注意温差 给定值合理（不能过大），以及操作工况稳定。 温差与产品纯度并非是单值对应关系曲线 有最高点M1，在M1点的两侧，温差与浓度之 间的关系是反向的，所以温差选得过大，或操 作不平稳，均能引起温差失控的现象。
V s f ( ) F
(12-6)
式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示：
V ln s F
(12-7)
或可表示为：
V x (1 x B ) ln D F x B (1 x D )
(12-8)
式中β 为塔的特性因子
V x D (1 x B ) ln F x B (1 x D )
x D (1 x B ) s x B (1 x D )
(12-5)
可见，随着s的增大，xD也增大，xB而减小， 说明塔系统的分离效果增大。 影响分离度s的因素很多，如平均相对挥发度、 理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置， 以及塔内上升蒸汽量V和进料F的比值等。
对于一个既定的塔来说：
中温控制：把温度检测点放在进料板附近的 塔板上。目的是及时发现操作线的移动情况，兼 顾塔顶和塔底组分变化。
TC
LC
L
D
FC
F V
LC FC
Q
B
精馏段温度控制
FC
LC
L
D
FC
F V
LC TC
Q
B
提馏段温度控制
LC
L
D
FC
F
TC FC
V
LC
Q
B
切割塔的温度控制
（2）灵敏板问题 采用塔顶（或塔底）温度作为间接质量指 标时，实际上把温度检测放置在塔顶（或塔底） 是极为少数的。而是把温度检测点放在进料板 与塔顶（底）之间的灵敏板上。
三、精馏塔的主要干扰因素
精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进 料流量F、进料组分zf、进料温度Tf或热焓FE。 此外，冷剂与热剂的压力和温度及环境温 度等因素，也会影响精馏塔的平衡操作。 所以，在精馏塔的整体方案确定时，如果 工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热 焓加以定值控制，对精馏塔的操作平稳是极为 有利的。
冷剂 冷凝器 L 精 进料 馏 F,zF 塔 V LB 热剂 再沸器 釜液 B,xB
LD
气液分离器 回流泵
馏出液D,xD
精馏塔的特点
精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程， 内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相 互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺 对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的 控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗 的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能 耗最大的设备。