精馏塔精馏段温度控制设计方案

精馏塔精馏段温度控制设计方案1.课题研究的背景和意义石油化工生产常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。分离互溶液体混合物有许多种方法，精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏过程通过反复的汽化与冷凝，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量消耗，因此精馏塔的自动控制问题长期以来一直受到人们的高度重视[1]。精馏过程是由精馏装置来实现的，精馏装置一般是由精馏塔、再沸器（重沸器）、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。石油化工等大型生产过程主要采用的连续精馏。精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸溜的原理是蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其内在机理复杂，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[1]。2.课题研究的现状随着生产过程向着大型、连续和强化方面发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制，采用传统的单回路PID控制往往不能达到控制要求，为此，需要在简单控制系统的基础上，采取其他设施，组成复杂控制系统，也称多回路控制系统。在这种控制系统中，或是由多个测量值、多个控制器；或是有多个测量值、一个控制器、一个补偿器或一个解耦器等组成多个回路的控制系统。如串级控制系统、补偿控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择性控制系统和解耦控制系统等。3.课题研究的内容本文的研究任务是精馏塔精馏段的控制方案以及建模与仿真研究。首先，本文简述了精馏塔的一些基本概述以及本设计所选的精馏塔的塔型；其次，熟悉板式精馏塔分离苯-甲苯的工作原理及工艺流程，通过对精馏塔精馏段的控制分析，综合控制要求和扰动等各方面因素考虑，采用温度作为间接质量指标；再次，由于精馏塔属于多输入多输出、大滞后和扰动较大的系统，简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求，而串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势，所以本文采用串级控制系统来对精馏塔精馏段的温度进行控制；最后，建立控制系统的数学模型，通过MATLAB进行仿真，对精馏塔精馏段中的控制方案进行分析，得出结论。第1章苯-甲苯精馏塔概述1.1苯-甲苯精馏塔在化工生产中的作用和地位精馏塔是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在精馏塔中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，精馏塔的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，精馏塔的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，精馏塔的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。1.2苯-甲苯精馏塔的分类及一般构造苯-甲苯精馏塔经过长期发展，形成了型式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对苯-甲苯精馏塔进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分类的。但是长期以来，最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类，还有几种装有机械运动构件的塔。在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料，细分为多种塔型。装有机械运动构件的塔，也就是有补充能量的塔，常被用来进行萃取操作，液有用于吸收、除尘等操作的，其中以脉动塔和转盘塔用得较多。苯-甲苯精馏塔的构件，除了种类繁多的各种内件外，其余构件则是大致相同的。（1）塔体塔体是苯-甲苯精馏塔的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和低盖的椭圆形封头所组成。随着化工装置的大型化，渐有采用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体除满足工艺条件（如温度、压力、塔径和塔高等）下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工等的影响。对于板式塔来说，塔体的不垂直度和弯曲度，将直接影响塔盘的水平度（这指标对板式塔效率的影响是非常明显的），为此，在塔体的设计、制造、检验、运输和吊装等各个环节中，都应严格保证达到有关要求，不使其超差。（2）塔体支座塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分。它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的操作。为此，它应当具有足够的强度和刚度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座（简称为“裙座”）。（3）除沫器除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重物料、提高分离效率、改善塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。（4）接管苯-甲苯精馏塔的接管是用以连接工艺管路，把苯-甲苯精馏塔与相关设备连成系统。按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表接管等。（5）人孔和手孔人孔和手孔一般都是为了安装、检修检查和装填填料的需要而设置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的设置要求。（6）吊耳苯-甲苯精馏塔的运输和安装，特别是在设备大型化后，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便，可在苯-甲苯精馏塔上焊以吊耳。（7）吊柱在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔内件的运送。1.3本设计所选的板式塔的塔型及其要求与特点作为主要用于传质过程的精馏塔，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，精馏塔还得考虑下列各项要求。（1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。（2）操作稳定、弹性大。当苯-甲苯精馏塔的气（汽）液复合量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且苯-甲苯精馏塔应保证能长期连续操作。（3）流体流动的阻力小，即流体通过苯-甲苯精馏塔的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面具有独到之处。人们对于高效率、生产能力大、稳定操作和低压力降的追求，推动着苯-甲苯精馏塔新结构型式的不断出现和发展。板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。根据目前国内外实际使用的情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。20世纪50年代起，浮阀塔已大量用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数有数百块之多。浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有下列特点。（1）处理能力大浮阀在塔盘上可安排得比泡罩更紧凑。因此浮阀塔盘的生产能力可比圆形泡罩塔盘提高20％～40％。（2）操作弹性大浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，而气缝速度几乎不变，因之能在较宽的流量范围内保持高效率。它的操作弹性为3～5，比筛板和舌形塔盘大得多。（3）塔板效率高由于气液接触状态良好，且蒸气以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少。因此塔板效率较高，一般情况下比泡罩塔高15％左右。（4）压力降小气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。在常压塔中每层塔盘的压力降一般为400～666.6Pa。浮阀的型式很多，国内已采用的浮阀，如V-1型、V-4型、V-6型、十字架型和A型，其中常用的是V-1型和V-4型。本设计所选的苯-甲苯精馏塔为浮阀板式塔，浮阀塔盘操作时的气液流程和泡罩塔相似；蒸气自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。第2章苯-甲苯精馏塔的工艺生产流程2.1精馏原理所谓精馏，就是把一定浓度的溶液送到精馏装置中，使之不断进行部分冷凝和部分汽化，从而得到预期的塔顶与塔底产品的一种操作过程。精馏操作迫使混合物的气、液两相在精馏塔体中作逆向流动，在互相接触过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相。精馏过程本质上是一种传质过程，也伴随着传热。在此过程中，大致需要如下设备：①精馏塔；②冷凝器；③再沸器；④回流罐；⑤回流泵[3]。石油化工行业中的精馏装置大多采用的事连续运行的方式，具体流程图见下图2.1所示。图2.1连续精馏装置流程图连续精馏的具体运行流程如下：①原料从进料板(即为精馏塔中段的某块塔板)上进入，进料板将整个精馏塔分为精馏段(进料板以上的部分)和提馏段(进料板以下的部分)；②溶液进入精馏塔之后，因各组分具有不同的沸点，从而导致低沸点低组分(即易挥发组分)汽化较易而往上升腾，而高沸点组分(即难挥发组分)则大多随着液体向下流。并和精馏塔内上升的蒸汽在各层塔板上进行充分接触，从而进行传热、传质过程：③向F流的液体到达塔釜之后，部分被连续引出从而成为塔底产品。部分经加热汽化之后又返回到精馏塔中；④精馏塔内的上升蒸汽依次经过全部塔板，从而使蒸汽中的易挥发组分的浓度逐渐增高，上升至塔顶的蒸汽在冷凝器中被冷凝成为液体，经过回流泵和回流罐之后，部分被连续引出从而成为塔顶产品，部分则作为塔内冷却液而被引回至顶部塔板上，这一过程称为回流[2]。2.2精馏装置的作用（1）精馏段的作用加料版以上的塔段为精馏段，其作用是逐板增加上升气相中的易挥发组分的浓度。（2）提馏段的作用包括加料版在内的以下塔板为提馏段，其作用是逐板提取下降的液相中易挥发组分。（3）塔板的作用塔板是供气液两相进行传质和传热的场所。每一块塔板上气液两相进行双向传质，只要有足够的塔板数，就可以将混合液分离成两个较纯净的组分。（4）再沸器的作用其作用是提供一定流量的上升蒸气流。（5）冷凝器的作用其作用是提供塔顶液相产品并保证有适当的液相回流。回流主要补充塔板上易挥发组分的浓度，是精馏连续定态进行的必