13精馏过程的控制幻灯片.ppt

精馏过程的控制 精馏过程 精馏过程是炼油、化工生产过程中的一种十分重要的生产环节。精馏塔的控制方案影响到产品质量、产量和能量的消耗。 根据美国的统计数据，在石油和化学工业的总能耗中，大约有40~50％消耗在精馏过程上。因此，可以说精馏装置是耗能最大的操作单元之一。 精馏过程是将各种组分的混合溶液，通过精馏装置进行提纯分离的过程。 精馏过程 精馏过程是一物理过程，因此相对化学过程而言，又相对简单。 在精馏塔的每一层塔板上都在进行汽化和冷凝的过程，在塔顶与塔底得到预期的产品。 精馏过程对产品质量、产量和能耗三者都有要求，是一个多输入、多输出对象。 精馏塔由很多级塔段组成，是一典型的分布参数系统。精馏塔时间常数大，对控制作用的响应缓慢，是一典型的大时延系统。这些都给自动控制的实施带来一定困难。 精馏过程与精馏塔的构造 精馏过程由精馏塔、再沸器、冷凝器、塔顶产品储罐（回流罐）等组成。 精馏塔中有一系列的带溢流孔的平板，称为塔板。 精馏塔以进料口为分界，分成两个塔段，进料口以上称精馏段，进料口以下称提馏段。 精馏塔的构造 精馏过程是根据不同物质（组分）有不同的汽化点（冷凝点）温度，通过在每一塔板上（组分间）的不断汽化和冷凝的热交换过程，从而将物质提纯的过程。 原料从进料口进入塔内，在塔内温度的作用下，一部分液态物料被汽化上升，同时有另一部分汽态物料凝聚而下降。 所有塔板都是汽液两相的传热传质过程，因此每一层塔板的温度都可用集中参数模型描述。 每一层塔板成为精馏塔的一个段。尽管过程性质相同（方程结构相同），但每层塔板模型的参数不同。 精馏塔的控制手段 在第五章中已知，每层塔板有一汽相组成和液相组成方程，一下溢液体流量和塔板滞流液体量方程。 各层塔段上液相和汽相组成，各塔板下溢液体流量，各塔板上液体滞留量等都在精馏塔内部，难于测量和控制。 从外部能影响精馏过程的变量只有进料流量F和组分xF ，塔顶产品回流量R（或塔顶产品采出量D），和塔釜产品经换热器后的汽化量V（或塔釜产品采出量B）。其中，进料流量F和进料组分xF无法控制。 精馏塔的控制手段 这样能用于控制的两个变量是回流量R和再沸器的汽化量V(实际是再沸器的加热量)，目的是控制塔顶产品组成和塔釜产品组成保持常数不变。 并且塔顶回流量R与采出量D，和塔釜汽化量V与采出量B强相关。并且通过精馏塔内部汽化和凝结过程，塔顶与塔釜也相互影响，形成了多种精馏塔自动控制的基本方案。 精馏塔的控制 精馏过程中，底部的再沸器对塔底物料加热，以提供精馏过程的热量； 塔顶部采用将冷凝后的部分产品回送到塔顶，保持塔上部（顶）温度稳定。 精馏塔内部为一温度分布过程，从塔底开始，温度先上升，后下降。 塔内精馏段和提馏段各存在一温度最高的塔板（塔段）。此外，还存在一对温度变化最灵敏的塔板（塔段）。 精馏塔的控制目标 精馏过程有二元和多元之分，多元是指精馏过程要分离出三种或以上组分。二元精馏过程只需分离两种组分。因此是最简单的精馏过程。 精馏塔的控制目标，在满足产品质量合格的前提下，使总的收益最大或总的成本最小。 因此，精馏塔的控制要求，应该从质量指标(产品纯度)、产品产量和能量消耗三个方面进行综合考虑。 为了使塔正常操作，必须满足一些约束条件。例如，塔内汽液两相流速既不能过高，引起液泛；又不能过低，引起塔板漏液。 精馏塔的控制作用应平稳与缓慢。 精馏塔的控制目标——质量指标 精馏操作的目的是将混合物料中各种组分分离、提纯。提纯过程中，各种组分相互之间有影响。 质量指标是保证主产品达到规定的纯度，同时尽可能提高分离度。即其它产品中主产品的剩余量尽量少。 以二元精馏过程为例，质量指标是使塔顶产品中轻组分纯度符合技术要求，同时塔底产品中轻组分含量尽量少。 此外，产品质量应该控制到刚好满足规格要求，即处于“卡边”生产。超过规格的产品是一种浪费，因为它的售价不会更高，只会增大能耗、降低产量。 精馏塔的控制目标——产品产量和能量消耗 精馏塔的另外两个重要控制目标是产品的产量和能量消耗指标。 混合液分离是根据混合液中各组分的汽化/冷凝点不同，是一个传热传质过程。在这个过程中需要消耗一定的能量。主要是塔底再沸器的加热量和塔顶冷凝器的冷却量消耗。 分离所得的产品纯度越高，则所消耗的能量越多。同样，产品产量越大，所需能量越多。 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 回收率的定义 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。 图为分离50％的两组分混合液的曲线图。纵坐标是回收率，横坐标是产品纯度，图中曲线表示每单位进料所消耗能量的等值线。(用塔内上升蒸汽量V与进料量F