项目1 熟悉各种典型工艺过程掌握自动化控制设计内涵

任务1 精馏塔的基本结构与控制工艺设计要求

1.1.1 精馏塔的基本结构

精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分的不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中的轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。

（1）按需分离组分的多少可分为二元精馏和多元精馏；按混合物中组分挥发度的差异，可分为一般精馏和特殊精馏。精馏塔从结构上分，有板式塔和填料塔两大类。而板式塔根据结构不同，又有泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等，各种塔板的改造趋势是提高设备的生产能力，简化结构，降低造价，同时提高分离效率。填料塔是另一类传热设备，它的主要特点是结构简单、易用耐腐蚀材料制作、阻力小等，一般适用于直径小的塔。

（2）一般精馏装置由精馏塔塔身、冷凝器、回流罐以及再沸器等设备组成，如图1-1所示。再沸器为混合物液相中轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备，一般为圆柱形体，内部装有提供汽液分离的塔板或填料，塔身设有混合物进料口和产品出料口。

（3）精馏塔每块塔板有适当高度的液层，回流液经溢流管由上一塔板流至下一塔板；蒸汽则由底部上升，通过塔板上小孔由下一塔板进入上一塔板，与塔板上的液体接触。在每块塔板上，将同时发生上升蒸汽部分冷凝和回流液体部分汽化的传热过程，与此同时还发生易挥发组分不断汽化，从液相转入气相；而难挥发组分不断冷凝，从气相转入液相的传质过程。也就是说，在每块塔板上不断地进行传热、传质过程。从整个塔来看，易挥发组分浓度由下而上逐渐增加，而难挥发组分浓度则由上而下逐渐增加。在一定压力下，整个塔自下而上随着易挥发组分的增加，温度就逐渐减低。

工业中把这种过程称为精馏过程，把体现精流过程的重要设备叫做精馏塔。进料板把全塔分成两段，进料板以上叫做精馏段；进料板以下称为提馏段。精馏段塔板的作用是使塔顶获得较纯的易挥发组分；而提馏段塔板则是将易挥发组分蒸发上去，最后在塔底获得较纯的难挥发组分。精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高，能耗最低，即总收益最大，成本最小。

在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。对石油化工等大型生产过程，主要采用连续精馏。随着石油化工产生的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分离物料的组分越来越多，分离的产品纯度要求越来越高，对精馏过程的控制也提出了越来越高的要求，也越来越被人们所重视。

1.1.2 精馏塔的控制工艺要求

精馏过程是在一定约束条件下进行的，因此，精馏塔的控制要求可从保证质量指标、产品产量指标、能耗要求和经济性指标约束条件四方面考虑。

1.保证质量指标

质量指标（即产品纯度）必须符合规定的要求。一般应使塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度，另一个产品的纯度也应该维持在规定的范围内。在某些特定情况下，也有要求塔顶和塔底的产品均应保证一定的纯度要求的。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，是指塔顶产品中轻组分的含量和塔底产品中重组分的含量。对多元精馏而言，则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。

在精馏塔操作中使产品合格很重要。显然，如果产品质量不合格，其价值将远远低于合格产品。但绝不是说质量越高越好。由于质量超过规定，产品的价值并不因此而增加；而产品产量却可能下降，同时操作成本（主要是能量消耗）会增加很多。因此，总的价值反倒下降了。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应同时考虑产品的产量和能量消耗。

2.产品产量指标

化工产品的生产，要求在达到一定质量指标的前提下，应得到尽可能高的回收率。这对于提高经济效益显然是有利的。由精馏原理可知，用精馏塔进行混合物的分离是要消耗一定能量的，要使分离的产品质量越高，产品产量越多，所需的能量也就越大。故除了产品纯度与产品回收率之间的关系，还必须考虑能量消耗因素。

3.能耗要求和经济性指标

精馏过程中消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔和附属设备及管线也要散失部分能量。

在一定的纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的，但同时也意味着再沸器的能量消耗要增大。况且，任何事物总是有一定限度的。在单位进料量的能耗增加到一定数值后，再继续增加塔内的上升蒸汽，则产品回收率就增长不多了。精馏塔的操作情况必须以整个经济效益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的条件下应在控制过程中使产品的产量尽可能提高一些，同时能量消耗尽可能低一些。

4.精馏塔操作参数的约束条件

精馏过程是复杂的传质、传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件。常见的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。

（1）液泛限也称气相速度限，指精馏塔上升蒸汽速度的最大限值。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流。下层塔板的液相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象，破坏正常操作。

（2）漏液限也称最小气相速度限，指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层液相，造成漏液，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。

（3）压力限是指塔的操作压力限制。每一个精馏塔都存在最大操作压力限制，塔的压力不能过大，否则会影响塔内的汽液平衡，若严重超限甚至会影响安全生产。

（4）临界温差限是指再沸器两侧间的温差，保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常操作。当这一温差低于临界温差时，传热系数急剧下降，传热量也随之下降，无法保证塔的正常传热需要。

1.1.3 精馏塔的操作步骤

精馏塔的操作步骤如下。

（1）准备工作：检查仪器、仪表、阀门等是否齐全、正确、灵活，做好开始前的准备。

（2）预进料：先打开放空阀，冲淡置换系统中的空气，以防止进料时出现事故，当压力达到规定的指标后停止，先打开进料阀，打入指定液位高度后停止。

（3）再沸器投入使用：打开塔顶冷凝器的冷却水，再沸器通过蒸汽进行加热。

（4）建立回流：在全回路情况下继续加热，直到塔温、塔压均达到指标、产品质量符合要求为止。

（5）进料与采出产品：打开进料阀进料，同时从塔顶和塔釜采出产品，调节到指定回流比。

（6）控制调节：当塔板类型及结构尺寸与物系确定后，精馏塔控制与调节的实质是控制塔内气、液相负荷的大小，以保持塔设备良好的热传递，获得合格的产品，但气、液相负荷是无法直接控制的，生产主要通过控制温度、压力、进料量和回流比来实现。运行中要注意各参数的变化，及时调整。

（7）停车：先停进料，然后停再沸器，当质量不能达到质量指标时停止采出产品，最后停冷却水。

1.1.4 精馏塔的扰动分析

（1）精馏是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行的。物料平衡指进、出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上、下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。能量平衡要在保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。

（2）影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及底部出料量的变化。影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度变化等。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。

（3）精馏塔在生产上可能遇到的主要干扰有：①进料流量和进料成分；②进料温度和进料热焓值；③再沸器加热蒸汽压力；④冷却水压力和温度；⑤环境温度。

在上述各扰动因素中，有的扰动是可控的，有的扰动是不可控的。进料流量和进料成分的波动是精馏塔操作的主要扰动，而且往往是不可控的。其余扰动一般较小，而且往往是可控的（或者可以采用一些控制系统预先加以克服）。因此，在精馏塔的整体控制方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓值加以定值控制，则对精馏塔的平稳操作极为有利。

1.1.5 精馏塔的工艺流程及控制操作指标

精馏塔过程控制区（低、高沸点塔）是精馏生产过程装置中的一部分。工艺流程如图1-2所示。

由压缩机将氯化氢与乙炔合成反应后的粗氯乙烯单体，其组分主要有二氯乙炔打到全凝器中，经0℃水的冷凝后（压力为5.5kg/cm2，温度在20℃左右）通过中间槽除水后进入低沸点塔，其进料口应位于塔顶冷凝器的下层塔盘，精馏的过程是物理过程，是根据混合液沸点的不同将其分离出各种的物质，低沸点塔的任务是将混合液中的沸点最轻的乙炔及其轻组分从塔顶蒸出并排出塔外由另一工艺处理，剩下的其他部分由塔底部排出并进入高沸点塔继续精馏（应从塔中部入料）。而高塔的任务是将该塔的轻组分氯乙烯从塔顶蒸出经成品冷却器冷却后成为合格的中间产品。二氯乙炔及其他重组分则从塔底排出塔外由另一工艺处理，精馏过程的原理是将进入塔中的物料由塔釜再沸器加热到沸腾状态，低沸点塔釜的压力为5.0～5.4kg/cm2，温度在43℃左右；高沸点塔釜的压力为4.2～4.6kg/cm2，温度在32℃左右，两塔液位控制在总量程的50%～60%。上升到塔顶的气体通过塔顶冷凝器进行回流，将沸点高的部分冷却回塔中，低沸点塔的压力为4.8～5.2kg/cm2，温度为26～28℃；高沸点塔顶的压力为2.9～3.1kg/cm2，温度为22～25℃，通过各塔盘中上升的气体与下降的液体不断充分地传质、传热，从而建立塔内物料平衡和能量平衡及正常的压力梯度、温度梯度和组分梯度，使精馏系统达到稳定最优化的工作状态，使生产产量最大、质量最优、消耗最低，再加上意外事故紧急联锁系统，使生产的全过程安全可靠地运行。

1.精馏塔主要工艺指标

精馏塔主要工艺指标如下。

低沸点塔进料：P0=5.5kg/cm2

T 0=20～25℃

低沸点塔塔釜：P1=5.0～5.4kg/cm2

T 1=43℃

冷凝器回流至低沸点塔：P2=4.8～5.2kg/cm2

T 2=26～28℃

高沸点塔塔釜：P3=4.2～4.6kg/cm2

T 3=32℃

冷凝器回流至高沸点塔：P4=2.9～3.1kg/cm2

T 4=22～25℃

高沸点塔提馏段二氯乙烷与氯乙烯单体组分的灵敏板上的温度：T5=30℃

2.设备说明

图1-2所示流程图中各设备说明如下。

DT-201：低沸点塔

GT-301：高沸点塔

DE-202：低沸点冷凝器

GE-302：高沸点塔冷凝器

DV-203：低沸点回流罐

GV-303：高沸点塔回流罐

DE-204：低沸点再沸器

GE-304：高沸点塔再沸器