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精馏塔的质量指标

       精馏塔产品质量指标选择有两类:直接产品质量指标和间接产品质量指标。精馏塔直接的产品质量指标是产品成分。近年来,成分检测仪表发展很快,特别是工业色谱仪的在线应用,出现了直接控制产品成分的控制方案,此时检测点就可以放在塔顶或塔底。然而由于成分分析仪表价格昂贵,维护保养麻烦,采样周期较长(即反应缓慢,滞后较大).而且应用中有时也不太可靠,所以成分分析仪表的应用受到了一定的限制。因此,精馏塔产品质量指标通常采用间接质量指标。

       (1)采用温度作为间接质量指标

       温度是常用的间接质量指标。因为对于一个二元组分的精馏塔来说,在压力一定时,沸点和产品成分之间有单独的函数关系。因此,如果压力恒定,那么塔板温度就可以反应产品成分。而对于多元精馏塔来说,情况比较复杂。然而炼油和石油化工生产中,许多产品由碳氢化合物的同系物组成,在压力一定时,保持一定的温度,成分的误差就可以忽略不计。其余情况下,温度在一定程度上也能反映成分的变化。通过上述的分析可见,在温度作为反映质量指标的控制方案中,压力不能有剧烈的波动,除常压塔外,温度控制系统总是与压力控制系统联系在一起的。

       采用温度作为被控变量时,选择哪一点温度作为被控变量,应根据实际情况加以选择,主要有以下几种:

        ①塔顶(或塔底)的温度控制 

        一般来说,如果希望保持塔顶产品符合质量要求,也就是主要产品从顶部馏出时,应选择塔顶温度作为被控变量,这样可以得到较好的效果。同样,为了保持塔底产品符合质量要求。则应以塔底温度作为被控变量。为了保证另一产品质量在一定的规格范围内,塔的操作要有一定裕量。例如,如果主要产品在顶部馏出,操纵变量为回流量的话,再沸器的加热量要有一定富裕,以使在任何可能的扰动条件下,塔底产品的规格都在一定范围内。

        采用塔顶(或塔底)的温度作为间接质量指标,似乎能反映产品的情况,实际上并不尽然。当要分离出较纯的产品时,在邻近塔顶的各板之间温差很小,所以要求对温度检测装置有极高的要求(即要求有极高的精确度和灵敏度),但实际上很难满足。不仅如此,微量杂质(如某种更轻的组分)的存在,会使沸点有相当大的变化;塔内压力的波动,也会使沸点有相当大的变化,这些扰动很难避免。因此,除了像石油产品的分馏即按沸点范围来切割馏分的情况之外,凡是要得到较纯成分的精馏塔,往往不将检测点置于塔顶或塔底。

          ②灵敏板的温度控制 

          所谓灵敏板,是指当塔的操作经受扰动作用(或承受控制作用)时,塔内各板的组分都将发生变化,各板温度也将同时变化,当达到新的稳定状态时,温度变化量大的那块板就称为灵敏板。由于干扰作用下的灵敏板温度变化较大,因此对温度检测装置的要求就不必很高了,同时也有利于提高控制精度。

灵敏板的位置可以通过逐板计算或计算机仿真,依据不同情况下各板温度分布曲线比较得出。但是,由于塔板效率不容易估准,所以还需结合实践加以确定。通常,先根据测算.确定出灵敏板的大致位置,然后在它的附近设置若干检测点,然后在运行过程中选择其中合适的一个测量点作为灵敏板。

        ③中温控制 

        取加料板稍上、稍下的塔板,或加料板自身的温度作为被控变量,这种温度检测点选在中间位置的控制通常称为中温控制。这种控制方案虽然在某些精馏塔上已经取得成功,但在分离要求较高时,或是进料浓度ZF变动较大时,中温控制将不能保证塔顶或塔底的成分符合要求。

        (2)采用压力补偿的温度作为间接质量指标

        采用温度作为间接质量指标有一个前提,那就是塔内压力应保持恒定。尽管精馏塔的塔内压力一般设有压力控制系统进行控制,但压力也总会有些微小的波动,这对一般产品纯度要求不太高的精馏塔是可以忽略的,但是对精密精馏等控制要求较高的场合,微小压力的变化,将影响温度与组分之间的关系,使得产品质量难于满足工艺要求,为此需对压力的波动加以补偿,常用的有温差控制和双温差控制。

        ①温差控制

        在精密精馏时,温差控制可以提高产品的质量。在精馏中,任一塔板的温度是成分与压力的函数,影响温度变化的因素可以是成分,也可以是压力。在一般塔的操作中,无论是常压塔、减压塔,还是加压塔,压力都是维持在很小范围内波动,所以温度与成分有对应关系。但在精密精馏中,要求产品纯度很高,且塔顶和塔底产品的沸点相差又不大,此时压力变化引起温度的变化比成分变化引起的温度变化要大得多,所以微小压力的波动具有较大的影响,不能忽略。例如,苯-甲苯二甲苯分离时,大气压变化6.67 kPa,苯的沸点变化2℃,已超过了质量指标的规定。这样的气压变化是完全可能发生的,这就破坏了温度与成分之间的对应关系。所以在精密精馏时,用温度作为被控变量往往得不到理想的控制效果,为此应该考虑补偿或消除压力微小波动的影响。

        在塔压波动时。尽管各板上温度会有一定的变化,而两板间的温差变化却非常小。例如压力从1.176 MPa变化到1.190 MPa时,第52板和第65板的温差基本上维持在2.8℃。这样保持了温差与成分的对应关系。因此可采用温差作为被控变量来进行控制。

        在选择温差信号时,检测点应按下面方法进行选择。例如当塔顶馏出物为主要产品时,应将一个检测点放在塔顶(或稍下一些),即温度变化较小的位置,另一个检测点放在灵敏板附近,即成分和温度变化较大、比较灵敏的位置。然后取这两个测温点的温差作为被控变量。只要这两点温度随压力变化的影响相等(或十分相近),则压力波动的影响就几乎相抵消。

          在石油化工生产中,温差控制已成功应用于苯-甲苯、乙烯-乙烷等精密精馏系统。若要使温差控制得到较好的控制效果,则温差设定值要合理,不能过大,以及操作工况要稳定。

          ②双温差控制

           虽然温差控制可以克服由于塔内压力波动对塔顶或塔底产品质量的影响,但采用温差控制还存在一个缺点,就是进料流量变化时,上升蒸气流量发生变化,引起塔板间的压降发生变化。当进料流量增大时,塔板问的压降增大而引起的温差也将增大,温差和组分之间的对应关系就会变化,所以此时不宜采用温差控制。

           但此时可以采用双温差控制(或称温差差值控制),即分别在精馏段和提馏段选取温差,然后将这两个温差信号相减,得到温差的差值作为间接控制质标。由上面的分析可知,当进料流量波动时,塔压变化引起的温差变化,不仅出现于精馏段(顶部),也出现于提馏段(底部),因而精馏段和提馏段的温差相减后就可以相互抵消了,即消除了压差变化的影响。从国内外应用温差差值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。