精馏塔的控制

第12章 精馏塔的控制

12.1 概述•

精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。

•分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。

•精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。

D

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。 一、精馏塔的基本关系

（1）物料平衡关系总物料平衡： F=D+B (12-1)

轻组分平衡：F zf=D xD+B xB (12-2)

联立（12-1）、（12-2）可得：

F xD(zfxB)xBD(12-3)

DzDxf 

FxDxB

（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：

x(1xB)

sD

(12-5) xB(1xD)

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：

V (12-6) sf()

F

式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示：

V (12-7) lns

F

Vx(1xB)或可表示为：

lnD

(12-8) FxB(1xD)

式中β为塔的特性因子由上式可以看到，随着V/F的增加，s值提高，也就是xD增加， xB下降，分离效果提高了。由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。由上分析可见， V/F的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。

对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D/F和V/F一定，这个塔的分离结果，即

xD和xB将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，

可以确定塔顶与塔底组分待定因素。

上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的。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。三、精馏塔的主要干扰因素精此外，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。

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

温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种。 对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的温度就反应了成分。

对于多元精馏过程来说，情况较复杂。然而在炼油和石化生产中，许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成，此时，在一定的压力下，温度与成分之间也有近似的对应关系，即压力一定时，保持一定的温度，成分的误差可忽略不计。在其余情况下，温度参数也有可能在一定程度上反映成分的变化。（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。 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

提馏段温度控制

提馏段温度控制

（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。

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Δp引起沸点变化为ΔT，在小范围内，此关系近似为线性关系：

T

K

(12-12) p

T校正KpK(pp0)(12-11)

校正后的温度值应为 (12-13) zTT校正TK(pp0)

TKpKp0)

这种直接压力补偿只适用于压力Δp在小范围内波动

（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 ℃ 塔

Ⅰ 1.126 2.8

板

Ⅱ 1.155 2.8

序

Ⅲ 1.190 2.8

号 52 Ⅰ Ⅱ Ⅲ

60 65 75 8070

℃ 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。 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

（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。

ΔT ΔT

2

2

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。

12.4 精馏塔的整体控制方案

精馏塔是一个多输入多输出的多变量、分布参数、非线性的被控过程，可供选择的被控变量和操纵变量众多，所以精馏塔的控制方案有很多，而且很难简单判断哪个方案是最佳。 欣斯基(Shinskey)做了大量的研究，提出了精馏塔控制中变量配对的三条准则：(1)当仅需要控制塔的一端产品时，应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量(2)塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的质量。(3)当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，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。

一、传统的物料平衡控制

图12-10 固定回流量L和加热蒸汽量Q（V）

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。

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。

表12-1中的方案1——精馏段温度控制

固定加热蒸汽量

表12-1中的方案2——精馏段温度控制

表12-1中的方案3——提馏段温度控制

固定回流量

表12-1中的方案4 ——提馏段温度控制

固定回流量

1.串级控制系统

提馏段温度串级控制

（2）均匀控制系统 （3）比值控制系统 （4）前馈控制系统

精馏段温度串级控制

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。 五、精馏塔塔压的控制 （1）常压塔 （2）加压塔 ①气相采出

②液相出料

c)液相出料 馏出物中含有微量不凝物

(3) 减压塔

精馏塔真空度控制 控制旁路吸入气量 抽气管路上节流控制

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、解耦控制

R1(S) Y1(S)

R2(S)

Y2(S)

R1

R2

三、推断控制四、精馏塔的节能控制

精馏塔的节能控制，首要的是把过于保守的过分离操作，转变为严格控制产品质量的“卡边”生产，但这必须有合适的自控方案来保证塔的抗干扰能力，稳定塔的正常操作。同时，也可对工艺进行必要的改进，配置相应的控制系统，充分利用精馏操作中的能量，降低能耗。

（1） 浮动塔压控制方案

①塔压浮动的目的

所谓塔压浮动，即在可能的条件下，把塔压尽量降低，有利于能量节省。具体地说，塔压下降，从两个方面分析可以降低能耗。

a）降低操作压力，将增加组分间的相对挥发度，这样组分分离容易，使再沸器的加热量下降，节省能量。

b）降低操作压力，使整个精馏系统的汽液平衡温度下降，提高了再沸器两侧传热温差，再沸器在消耗同样热剂的情况下，加热能力增大了。

②塔压浮动的条件

a.质量指标的选取必须适应塔压浮动的需要。

b.塔压降低的限度受冷凝器最大冷却能力的制约。

c.塔压浮动而不能出现突变。

③塔压浮动控制的实施

恒压塔的控制方案

浮动塔压的控制方案

（3

节能的提馏段温度控制

第12章 精馏塔的控制

12.1 概述•

精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。

•分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。

•精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。

D

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。 一、精馏塔的基本关系

（1）物料平衡关系总物料平衡： F=D+B (12-1)

轻组分平衡：F zf=D xD+B xB (12-2)

联立（12-1）、（12-2）可得：

F xD(zfxB)xBD(12-3)

DzDxf 

FxDxB

（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：

x(1xB)

sD

(12-5) xB(1xD)

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：

V (12-6) sf()

F

式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示：

V (12-7) lns

F

Vx(1xB)或可表示为：

lnD

(12-8) FxB(1xD)

式中β为塔的特性因子由上式可以看到，随着V/F的增加，s值提高，也就是xD增加， xB下降，分离效果提高了。由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。由上分析可见， V/F的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。

对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D/F和V/F一定，这个塔的分离结果，即

xD和xB将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，

可以确定塔顶与塔底组分待定因素。

上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的。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。三、精馏塔的主要干扰因素精此外，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。

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

温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种。 对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的温度就反应了成分。

对于多元精馏过程来说，情况较复杂。然而在炼油和石化生产中，许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成，此时，在一定的压力下，温度与成分之间也有近似的对应关系，即压力一定时，保持一定的温度，成分的误差可忽略不计。在其余情况下，温度参数也有可能在一定程度上反映成分的变化。（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。 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

提馏段温度控制

提馏段温度控制

（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。

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Δp引起沸点变化为ΔT，在小范围内，此关系近似为线性关系：

T

K

(12-12) p

T校正KpK(pp0)(12-11)

校正后的温度值应为 (12-13) zTT校正TK(pp0)

TKpKp0)

这种直接压力补偿只适用于压力Δp在小范围内波动

（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 ℃ 塔

Ⅰ 1.126 2.8

板

Ⅱ 1.155 2.8

序

Ⅲ 1.190 2.8

号 52 Ⅰ Ⅱ Ⅲ

60 65 75 8070

℃ 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。 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

（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。

ΔT ΔT

2

2

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。

12.4 精馏塔的整体控制方案

精馏塔是一个多输入多输出的多变量、分布参数、非线性的被控过程，可供选择的被控变量和操纵变量众多，所以精馏塔的控制方案有很多，而且很难简单判断哪个方案是最佳。 欣斯基(Shinskey)做了大量的研究，提出了精馏塔控制中变量配对的三条准则：(1)当仅需要控制塔的一端产品时，应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量(2)塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的质量。(3)当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，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。

一、传统的物料平衡控制

图12-10 固定回流量L和加热蒸汽量Q（V）

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。

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。

表12-1中的方案1——精馏段温度控制

固定加热蒸汽量

表12-1中的方案2——精馏段温度控制

表12-1中的方案3——提馏段温度控制

固定回流量

表12-1中的方案4 ——提馏段温度控制

固定回流量

1.串级控制系统

提馏段温度串级控制

（2）均匀控制系统 （3）比值控制系统 （4）前馈控制系统

精馏段温度串级控制

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。 五、精馏塔塔压的控制 （1）常压塔 （2）加压塔 ①气相采出

②液相出料

c)液相出料 馏出物中含有微量不凝物

(3) 减压塔

精馏塔真空度控制 控制旁路吸入气量 抽气管路上节流控制

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、解耦控制

R1(S) Y1(S)

R2(S)

Y2(S)

R1

R2

三、推断控制四、精馏塔的节能控制

精馏塔的节能控制，首要的是把过于保守的过分离操作，转变为严格控制产品质量的“卡边”生产，但这必须有合适的自控方案来保证塔的抗干扰能力，稳定塔的正常操作。同时，也可对工艺进行必要的改进，配置相应的控制系统，充分利用精馏操作中的能量，降低能耗。

（1） 浮动塔压控制方案

①塔压浮动的目的

所谓塔压浮动，即在可能的条件下，把塔压尽量降低，有利于能量节省。具体地说，塔压下降，从两个方面分析可以降低能耗。

a）降低操作压力，将增加组分间的相对挥发度，这样组分分离容易，使再沸器的加热量下降，节省能量。

b）降低操作压力，使整个精馏系统的汽液平衡温度下降，提高了再沸器两侧传热温差，再沸器在消耗同样热剂的情况下，加热能力增大了。

②塔压浮动的条件

a.质量指标的选取必须适应塔压浮动的需要。

b.塔压降低的限度受冷凝器最大冷却能力的制约。

c.塔压浮动而不能出现突变。

③塔压浮动控制的实施

恒压塔的控制方案

浮动塔压的控制方案

（3

节能的提馏段温度控制