精餾過程的自動控制方法

   精餾過程是石油和化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的生產(chǎn)過程，它是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同，將各組分進(jìn)行分離提取以達(dá)到規(guī)定純度要求的產(chǎn)品。

    精餾過程是一個非常復(fù)雜的過程，其關(guān)鍵設(shè)備是精餾塔。在精餾操作中，被控變量多，可以選用的操作變量也多，它們之間又可以有多種不同組合。所以，控制方案繁多。

精餾塔工藝要求和約束條件

   要對精餾塔實(shí)施有效的自動控制，必須首先了解精餾塔的控制目標(biāo)。精餾塔的控制目標(biāo)一般從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三方面考慮。任何精餾塔的操作情況同時受約束條件的制約，因此，在考慮精餾塔控制方案時一定要把這些因素考慮進(jìn)去。

   1．質(zhì)量指標(biāo)

   質(zhì)量指標(biāo)（即產(chǎn)品純度）必須符合規(guī)定的要求。一般應(yīng)使塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定的純度，要求另一個產(chǎn)品也應(yīng)該維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，或者塔項和塔底的產(chǎn)品均保證一定的純度要求。如果產(chǎn)品質(zhì)量不合格，它的價值就將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合格產(chǎn)品。但決不是說質(zhì)量越高越好。在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。由于質(zhì)量超過規(guī)定，產(chǎn)品的價值并不因此而增加；而產(chǎn)品產(chǎn)量卻可能下降，同時操作成本主要是能量消耗會增加很多。因此，總的價值反倒下降了。由此可見，除了要考慮使產(chǎn)品符合規(guī)格外，還應(yīng)同時考慮產(chǎn)品的產(chǎn)量和能量消耗。

   2．產(chǎn)品產(chǎn)量指標(biāo)

   在達(dá)到一定質(zhì)量指標(biāo)要求的前提下，應(yīng)得到盡可能高的產(chǎn)量，從而使產(chǎn)品的回收率提高。這對于提高經(jīng)濟(jì)效益顯然是有利的。

   產(chǎn)品的回收率定義為產(chǎn)品量與進(jìn)料中該產(chǎn)品組分的量之比。即：

           Ri=P/Fzi                                      （8）

   生產(chǎn)效益除了產(chǎn)品純度與產(chǎn)品回收率之間的關(guān)系，還必須考慮能量消耗因素。由精餾原理可知，用精餾搭進(jìn)行混合物的分離是要消耗一定能量的；要使分離的產(chǎn)品質(zhì)量越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越多，所需的能量也就越大。

精餾塔的干擾因素

   和其他化工過程一樣，精餾是在一定的物料平衡和能量平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。一切因素均通過物料平衡和能量平衡影響塔的正常操作。影響物料平衡的因素包括進(jìn)料量和進(jìn)料成分的變化，頂部餾出物及底部出料的變化。由于精餾塔的控制方案繁多，只按這些基本觀點(diǎn)選擇具有代表性的、常見的控制方案作出介紹。影響能量平衡的因素主要是進(jìn)料溫度或熱焓的變化，再沸器加熱量和冷凝器冷卻量的變化，此外還有塔的環(huán)境溫度等變化。同時，物料平衡和能量平衡之間又是相互影響的。要了解這些因素是如何影響精餾塔操作的，首先必須分析它的靜態(tài)規(guī)律，即研究其靜態(tài)特性。從而分析上述因素對精餾塔的動態(tài)影響。

   1．精餾塔中靜態(tài)關(guān)系的分析

   圖15為精餾塔的物料流程圖，可簡單地視其于為二元精餾。則從物料平衡和能量關(guān)系出發(fā)，可得出它的總的物料平衡關(guān)系為

           F=D＋B           （9）

   輕組分的物料平衡關(guān)系為

   Fz＝Dy＋Bx        （10）

式中，F(xiàn)、D和B分別為進(jìn)料量、頂部餾出物量和塔底產(chǎn)品；z、y和x分別為進(jìn)料、頂部餾出物和底部產(chǎn)品中輕組分的含量。由以上兩式，可明顯看出進(jìn)料量F在產(chǎn)品中的分配量（即D／F）是決定頂部和底部產(chǎn)品中輕組分含量y和x的關(guān)鍵因素。

   靜態(tài)下精餾塔的能量關(guān)系為

   QH FHF＝QC＋DHD＋BHB      （11）

式中，QH為再沸器加熱量，QC為冷凝器冷卻量，HP、HD和HB分別為進(jìn)料頂部、底部產(chǎn)品的比熱熔。在式中，每一項都影響著塔內(nèi)上升蒸汽的流量V。對于一個既定的塔來講，V與F之比與塔的分離度S有關(guān)。即V／F一定時意味著塔分離度也一定。

精餾塔的基本控制方案

   精餾塔的基本控制方式是討論復(fù)雜和特殊控制方案乃至1優(yōu)控制的基礎(chǔ)，同時也是目前實(shí)際應(yīng)用中1常見的方案。精餾塔是一個多變量對象，因此如果將任意一個被調(diào)參數(shù)和任意一個調(diào)節(jié)參數(shù)組成調(diào)節(jié)回路，就可能有許多調(diào)節(jié)方案。提餾段溫控的一個特點(diǎn)是回流量足夠大，因而在保持塔底質(zhì)量的前提下，仍能保持塔頂質(zhì)量，因此即使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量要求比塔底嚴(yán)格時，仍可采用提餾段溫控。而產(chǎn)品質(zhì)量往往是精餾過程的主要目標(biāo)，因此，在基本控制方案中，以產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)來選取調(diào)節(jié)參數(shù)，一種是采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，一種是采用產(chǎn)品成分等作為直接質(zhì)量指標(biāo)。

   （l）按提餾段指標(biāo)的控制方案

如果對釜底出料的成分要求高于塔頂出料，塔頂或精餾段板上溫度不能很好地反映組分變化和實(shí)際操作回流比大于幾倍1小回流比時，可采用提餾段控制。提餾段溫度是衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變再沸器加熱量作為控制手段的方案，就是提餾段溫控。

該方案以提餾段塔板溫度為被控變量，加熱蒸汽量為操縱變量。除了這個主要控制系統(tǒng)外，還設(shè)有若干個輔助控制系統(tǒng)；其做法是讓塔壓浮動于冷凝器的約束，而使冷凝器始終接近于滿負(fù)荷操作。進(jìn)料量F為定值控制或用均值控制系統(tǒng)；對塔底采出量B和塔頂餾出物D，按物料平衡關(guān)系分別設(shè)有塔底與回流罐的液位控制器作均勻控制；為維持塔壓恒定，在塔頂設(shè)置壓力控制系統(tǒng)，控制手段是控制冷凝器的冷卻量；提餾段溫控時，回流量采用定值控制，且回流量應(yīng)足夠大，以便當(dāng)塔的處理量1大時，仍能保持塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)在規(guī)定的范圍內(nèi)。

   提餾段溫控由于采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。因此，它能夠較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量。

   對于液相進(jìn)料時，進(jìn)料量或進(jìn)料成分的變化很快影響塔底的成分，而提餾段溫控比較及時，動態(tài)過程也比較快。（2）進(jìn)料成分ZF的變化進(jìn)料成分取決于上一工序出料或原料情況，對精餾塔的控制系統(tǒng)來講，它是不可控的干擾。提餾段溫控的一個特點(diǎn)是回流量足夠大，因而在保持塔底質(zhì)量的前提下，仍能保持塔頂質(zhì)量，因此即使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量要求比塔底嚴(yán)格時，仍可采用提餾段溫控。