对于一个精馏塔来讲,在进料成分Z一定时,只要保持V/F和D/F一定(或者在F一定时保持D和V一定),这个塔的分离结果也就是产品成分y和x将被完全确定。而当进料成分变化时,为了保持产品成分不变,可以相应调节D/F,以补偿进料成分变化的影响。塔内上升蒸汽量V,在塔的提馏段是由再沸器加热提供的,在塔的精馏段还受到进料热熔的影响。当冷凝器冷却量Q增加时,必然会使更多的气相变为液相,从而降低了塔压;同时使塔内相同组分的平衡温度下降,增加了再沸器两侧间的温差,使再沸器提供的加热量QH增加。正因如此,在进料热熔变化不大或可以忽略时,一般总把V的变化或V/F的变化,看作是由再沸器加热量QH提供的。在多元精馏中,影响关系要复杂得多,当进料中某一组分的浓度变化时,必然使其他组分的浓度变化;从而使顶部及底部产品中各组分的浓度发生变化。当进料中几个组分浓度同时变化时,情况将更为复杂。克服这些扰动的控制手段却只有靠D/F和V/F。此时仅有两个关键组分可以控制,其余组分在产品中的分配情况主要由进料浓度确定。精馏塔的干扰因素和其他化工过程一样,精馏是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行的。
精馏塔的控制方案
在了解了精馏塔的操作要求和影响因素之后,余下的问题就是如何确定精馏塔的控制方案。首先简述设置精馏塔控制方案的基本观点。为简化讨论,只谈及顶部和底部产品均为液相的且没有侧线采出的情况。则从物料平衡和能量关系出发,可得出它的总的物料平衡关系为F=D+B(9)轻组分的物料平衡关系为Fz=Dy+Bx(10)式中,F、D和B分别为进料量、顶部馏出物量和塔底产品。由于精馏塔的控制方案繁多,只按这些基本观点选择具有代表性的、常见的控制方案作出介绍。
1.设置精馏塔控制方案的基本观点
(1)按物料及能量平衡关系进行控制
对于一个实际操作的二元精馏塔,在进料成分一定时,只要把D/F和V/F调节一定;且顶部回流罐液位调节以保证回流按照L=Vr-D的关系保持一定;底部产品流量B在液位调节作用下也可以保证B=F-D的物料平衡关系,那么该塔的产品质量就能得到控制。需指出,由于能量关系因素V主要取决于再沸器加热量,但也取决于进料和回流的热焓。当回流温度恒定时,只须考虑进料设置温度或热焓自动调节系统。于是可保持再沸器的蒸汽量一定,就相当于塔内上升蒸汽量V一定了。考虑到因冷凝器冷却量和环境等扰动因素而使能量平衡可能破坏,从而使塔压变化,因此在塔顶设置压力调节系统。对于D/F和V/F的控制,由顶部产品量D、再沸器加热蒸汽量和进料量F分别组成比值控制系统。若考虑到动态关系,可添加补偿环节,一般采用超前-滞后环节。由此可见,除了要考虑使产品符合规格外,还应同时考虑产品的产量和能量消耗。
按产品成分或物性指标的直接控制方案
精馏塔的质量控制1好能选择表征塔顶和塔底产品的质量指标,即产品的成分作为被控变量,即直接控制方案。约束条件为保证正常操作,需规定某些参数的极限值,并作为约束条件。上述的温度、温差或双温差控制都是间接控制产品质量的方法。利用产品分析器,例如色谱仪、红外分析器、密度计、干点、闪点及初馏点分析器等,分析出塔顶(或塔底)的产品成分并将其作为被控变量,而将回流量或再沸器的加热量等作为控制变量,就可以组成成分控制,实现按产品成分的直接指标控制。
采用色谱仪可以测量多组分的浓度,并可以通过测量其他含量较少的杂质组分之和来决定产品的纯度。提馏段温控时,回流量采用定值控制,且回流量应足够大,以便当塔的处理量1大时,仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内。精馏工艺上通常采用工业色谱仪进行在线的成分分析,并以关键组分的浓度比进行控制。由于色谱仪也是根据吸收和解吸原理工作的,在精馏塔中很难进行的分离在色谱仪中也是困难的。同时分析仪需要采样系统且其测量滞后影响了控制系统的动态响应。这是在使用时应予注意的。在精馏塔的操作中,当干扰产生时,多个塔板中灵敏板的变化量明显。因此,可选择测量灵敏板上的成分,并作为被控变量进行控制。
与温度控制的情况类似,塔顶或塔底产品的成分是能体现产品的质量指标。按精馏段指标的控制方案如果对塔顶出料的成分要求高于釜底出料时,或者全部为气相进料时,或当塔底提馏段板上的温度不能很好地反映产品组分变化时,则可采用精馏段控制。但是当分离的产品较纯时,在邻近塔顶、塔底的各板间,成分差很小,而且每块板上的成分在受到干扰后变化也很小,这就要求检测成分的仪表灵敏度很高。理论上讲,按产品成分的直接指标控制方案,是直接、1有效的方案。它可为各种基于化工热力学的多变量控制及精1确控制打下基础。但是,就目前测量产品成分的仪表来说,准确度一般较差、滞后时间也很长,因而控制系统的控制质量受到很大影响。但只要不断改善成分分析仪表的性能,按产品成分的直接指标控制方案将得到广泛应用。
酒精精馏塔是石油及化工生产中重要的设备之一,通过气(或汽)液或液液两相的紧密接触,达到相间传质和传热的目的,实现混合物系的分离提纯。影响能量平衡的因素主要是进料温度或热焓的变化,再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化,此外还有塔的环境温度等变化。酒精精馏塔工艺操作中的物料平衡关系、回流比、进料工况、塔压、塔温、组分配比及内部水力学现象均直接关系着精馏操作的稳定性,影响整个生产装置的产量、质量、生产能力、消耗定额及环保等各个方面。