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精馏过程的自动控制方法

精馏过程是石油和化工生产中应用极为广泛的生产过程，它是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离提取以达到规定纯度要求的产品。

精馏过程是一个非常复杂的过程，其关键设备是精馏塔。在精馏操作中，被控变量多，可以选用的操作变量也多，它们之间又可以有多种不同组合。所以，控制方案繁多。

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。当进料是汽液混相状态时，则只有当汽液两相的比例恒定时，进料热焓才能恒定，必要时应设置热焓控制的环节来维持。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。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。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。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。从调节理论可知，所选择的调节参数使得被调参数的静态增益越大，控制系统的静态灵敏度越高，克服外部扰动的效果也越好。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***，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。

温差控制及双温差控制

在精密精馏中，产品纯度要求很高，组分间的相对挥发度差值很小，因而组分变化不大，然而微小的压力波动会造成明显的温度变化。（2）设置质量调节系统实际上根据精馏塔静态特性考虑的按物料和能量平衡关系控制的方案，在具体应用时很难保证产品的质量，仅在产品质量指标并不严格的情况下才能使用。这样，就***了温度和组分间的对应关系。此时，采用温度作为被控变量的提馏段和精馏段温度控制就得不到很好的效果，而应当采用温差控制。

采用温差作为被控变量通常可以在塔顶（或塔底）附近的一块塔板上检测出该板温度，再检测出灵敏板上的温度，由于压力的波动对每块板的温度影响基本相同，只要将上述检测到的两个温度值相减，压力的影响几乎相互抵消。在实际应用中，温差控制的关键是正确选择测温点，合理给出温差设定值。这是因为温度与产品成分之间的关系不是线性的，同一温差在不同条件下可以有两个不同的组分。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。图18是正丁烷和异丁烷分离塔的温差和塔底产品中轻组分浓度的关系示意图。由图可见，曲线除1高点外，每一温差都有两个不同的组分浓度。1高点左侧部分对应的塔底产品纯度较高，而右侧则较低。因此，温差的工作点应位于曲线的左侧。