化工作業(yè)人員技能知識(shí)：精餾塔的控制
精餾過程是現(xiàn)代化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)過程，其目的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，并達(dá)到規(guī)定的純度要求。
精餾塔是精餾過程的關(guān)鍵設(shè)備，它是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象。在精餾操作中，被控變量多，可以選用的操縱變量亦多，它們之間又可以有各種不同組合，所以控制方案繁多。由于精餾塔對象的通道很多，反應(yīng)緩慢，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，變量之間相互關(guān)聯(lián)，加以對控制要求又較高，因此必須深入分析工藝特性，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體情況，才能設(shè)計(jì)出合理的控制方案。
(一)精餾塔的控制要求
為了對精餾塔實(shí)施有效的自動(dòng)控制。必須首先了解精餾塔的工藝操作目標(biāo)。一般來說，精餾塔的工藝操作目標(biāo)，應(yīng)該在滿足產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使總的收益最大或總的成本最小。因此，精餾塔的控制要求，應(yīng)該從質(zhì)量指標(biāo)(產(chǎn)品純度)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。
1.質(zhì)量指標(biāo)
精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)必須符合規(guī)定的要求。也就是說，塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證達(dá)到規(guī)定的純度，而另一產(chǎn)品也應(yīng)保證在規(guī)定的范圍內(nèi)。
在二元組分精餾中，情況較簡單，質(zhì)量指標(biāo)就是使塔頂產(chǎn)品中輕組分純度符合技術(shù)要求或塔底產(chǎn)品中重組分純度符合技術(shù)要求。
在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。所謂關(guān)鍵組分是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分。從塔頂分離出揮發(fā)度較大的關(guān)鍵組分稱為輕關(guān)鍵組分，從塔底分離出揮發(fā)度較小的關(guān)鍵組分稱為重關(guān)鍵組分。以石油裂解氣分離中的脫乙烷塔為例，它的目的是把來自脫甲烷塔底部產(chǎn)品作為進(jìn)料加以分離，將乙烷和更輕的組分從頂部分離出，將丙烯和更重的組分從底部分離出。在實(shí)際操作中，比乙烷更輕的組分幾乎全部從頂部分離出來。丙烯更重的組分幾乎全部從底部分離出，少量從頂部分離出。這時(shí)，顯然乙烷是輕關(guān)鍵組分，丙烯則是重關(guān)鍵組分，操作的關(guān)鍵是如何減少重關(guān)鍵組分在塔頂產(chǎn)品中的比例，或如何減少輕關(guān)鍵組分在塔底產(chǎn)品中的比例。因此，對多元組分的分離可簡化為對二元關(guān)鍵組分的分離，這就大大地簡化了精餾操作。
在精餾操作中，產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該控制到剛好能滿足規(guī)格上的要求，即處于“卡邊”生產(chǎn)。生產(chǎn)超過規(guī)格的產(chǎn)品是一種浪費(fèi)，因?yàn)樗氖蹆r(jià)不會(huì)更高，只會(huì)增大能耗，降低產(chǎn)量而已，
2.產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗
精餾塔的另兩個(gè)重要控制目標(biāo)是產(chǎn)品的產(chǎn)量和能量消耗。精餾塔的任務(wù)，不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量，還要有一定的產(chǎn)量。另外，分離混合液也需要消耗一定的能量，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(shè)備及管線也要散失一部分熱量和冷量。從定性的分析可知，要使分離所得的產(chǎn)品純度愈高，產(chǎn)品產(chǎn)量愈大，則所消耗的能量愈多。產(chǎn)品的產(chǎn)量通常用該產(chǎn)品的回收率來表示�；厥章实亩x是：進(jìn)料中每單位產(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量。數(shù)學(xué)上，組分i的回收率定義為：
產(chǎn)品回收率、產(chǎn)品純度及能量消耗三者之間的定量關(guān)系可以用相應(yīng)的曲線來說明。這是對于某一精餾塔按分離50%兩組分混合液作出的曲線圖，縱坐標(biāo)是回收率，橫坐標(biāo)是產(chǎn)品純度(按純度的對數(shù)值刻度),圖中的曲線表示每單位進(jìn)料所消耗能量的等值線(用塔內(nèi)上升蒸汽量V與進(jìn)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(chǎn)品純度的提高，會(huì)使產(chǎn)品的回收率迅速下降。純度愈高，這個(gè)傾向愈明顯。
(二)精餾塔的基本控制方案
精餾塔是一個(gè)多變量的被控過程，可供選擇的被控制變量和控制變量是眾多的，選定一種變量的配對，就組成一種精餾塔的控制方案。然而精餾塔因工藝、塔結(jié)構(gòu)不同等方面因素，使精餾塔控制方案更是舉不勝舉，很難簡單判定哪個(gè)方案是最佳的。這里介紹精餾塔常規(guī)的、基本的控制方案，作為確定方案時(shí)的參考。精餾塔的控制目標(biāo)是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足規(guī)定的質(zhì)量要求，并確保操作平穩(wěn)。為使問題簡化，這里僅討論塔頂和塔底產(chǎn)品均為液相時(shí)的基本控制問題。
1.按精餾段指標(biāo)控制
當(dāng)塔頂采出液為主要產(chǎn)品時(shí)，往往按精餾段指標(biāo)進(jìn)行控制。這時(shí)，取精餾段某點(diǎn)濃度或溫度作為被控變量、而以回流量L、塔頂采出量D或再沸器上升蒸汽量V作為控制變量。
可以組成單回路控制方式，也可以組成串級控制方式。后一種方式雖較復(fù)雜，但可迅速有效地克服進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)，并可降低對控制閥特性的要求，在需作精密控制時(shí)采用。
按精餾段指標(biāo)控制，對塔頂產(chǎn)品的純度xp有所保證，當(dāng)擾動(dòng)不很大時(shí)，塔底產(chǎn)品純度xg的變動(dòng)也不大，可由靜態(tài)特性分析來確定出它的變化范圍。采用這種控制方案時(shí)，在L、D、V和B四者之中，選擇一個(gè)作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的手段，選擇另一個(gè)保持流量恒定，其余兩個(gè)變量則按回流罐和再沸器的物料平衡關(guān)系由液位控制器加以控制。
常見的控制方案可分兩類。
(1)依據(jù)精餾段指標(biāo)控制回流量L,保持再沸器加熱量V為定值。
這種控制方案如圖2-26所示，其優(yōu)點(diǎn)是控制作用遲延小，反應(yīng)迅速，所以對克服進(jìn)入精餾段的擾動(dòng)和保證塔頂產(chǎn)品是有利的，這是精餾塔控制中最常用的方案�？墒窃谠摲桨钢�，L受溫度控制器控制，回流量的波動(dòng)對于精餾塔平穩(wěn)操作是不利的。所以在控制器參數(shù)整定時(shí)，采用比例加積分的控制規(guī)律即可，不必加微分。此外，再沸器加熱量維持一定而且應(yīng)足夠大，以便塔在最大負(fù)荷時(shí)仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。
(2)依據(jù)精餾段指標(biāo)控制塔頂采出量D,保持再沸器加熱量V為定值。
該控制方案如圖2-27所示，其優(yōu)點(diǎn)是有利于精餾塔的平穩(wěn)運(yùn)行，對于回流比較大的情況下，控制D要比控制L靈敏。此外，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)。如采用有積分動(dòng)作的控制器，則塔頂采出量D會(huì)自動(dòng)暫時(shí)中斷，進(jìn)行全回流，這樣可保證得到的產(chǎn)品是合格的。
該方案溫度控制回路遲延較大，反應(yīng)較慢，從采出量D的改變到溫度變化，要間接地通過回流罐液位控制回路來實(shí)現(xiàn)，特別是回流罐容積較大時(shí)，反應(yīng)更慢，給控制帶來了困難。
此外，同樣要求再沸器加熱量需足夠大，以保證在最大負(fù)荷時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量。精餾段溫控的主要特點(diǎn)與使用場合如下.
①采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況，當(dāng)塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴(yán)格時(shí)，一般宜采用精餾段溫控方案；
②如果干擾首先進(jìn)入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時(shí)。
2.按提餾段指標(biāo)控制
當(dāng)塔釜液為主要產(chǎn)品時(shí)，常常按提餾段指標(biāo)控制。如果是液相進(jìn)料，也常采用這類方案。這是因?yàn)樵谝合噙M(jìn)料時(shí)，進(jìn)料量F的變化，首先影響到塔底產(chǎn)品濃度x,塔頂或精餾段塔板上的溫度不能很好地反映濃度的變化，所以此時(shí)用提餾段控制比較及時(shí)。
常用的控制方案可分為兩類。
(1)按提餾段指標(biāo)控制再沸器加熱量，從而控制塔內(nèi)上升蒸汽量V,同時(shí)保持回流量L為定值。此時(shí)，D和B都是按物料平衡關(guān)系，由液位控制器控制。
該方案采用塔內(nèi)上升蒸汽量V作為控制變量，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上要比回流L控制的遲延小，響應(yīng)迅速，對克服進(jìn)入提餾段的擾動(dòng)和保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量有利，所以該方案是目前應(yīng)用最廣的精餾塔控制方案�？墒窃谠摲桨钢�，回流量采用定值控制。而且回流量應(yīng)足夠大，以便當(dāng)塔的負(fù)荷最大時(shí)仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。
(2)按提餾段指標(biāo)控制塔底采出量B,同時(shí)保持回流量L為定值。此時(shí)，D是按回流罐的液位來控制，再沸器蒸汽量由塔釜液位來控制。
該控制方案正像前面所述的，按精餾段溫度來控制D的方案那樣，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的弱點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)塔底采出量B較少時(shí)，運(yùn)行比較平衡；當(dāng)采出量B不符合質(zhì)量要求時(shí)，會(huì)自行暫停出料。缺點(diǎn)是延遲較大且液位控制回路存在反向特性。此外，同樣要求回流量應(yīng)足夠大，以保證在最大負(fù)荷時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量。
按提餾段指標(biāo)控制主要特點(diǎn)與使用場合如下：
①采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到規(guī)定值。所以，在以塔底采出為主要產(chǎn)品，對塔釜成分要求比對餾出液高時(shí)，常采用按提餾段指標(biāo)控制的方案。②當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，例如在液相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料量或進(jìn)料成分的變化首先要影響塔底成分，故用提餾段溫控就比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)過程也比較快。
