基于HYSYS的酒精精馏系统建模与控制研究.docx

基于 HYSYS 的酒精精馏系统建模与控制研究 2第一章绪论 21.1 研究背景及意义 21.1.1 研究背景 21.1.2 课题意义 21.2 国内外研究现状 31.3 论文的主要内容和目标 41.3.1 课题研究内容 41.3.2 课题研究目标 4第二章酒精生产工艺概述 52.1 酒精产品的性质 52.2 酒精的生产工艺 52.3 酒精精馏过程 82.3.1 精馏过程概述 82.3.2 酒精精馏系统的设备和工艺流程 92.3.3 影响精馏系统的因素与调节 17第三章 Hysys 酒精精馏系统的模拟与分析 213.1 Hysys 软件介绍 213.2 酒精精馏系统稳态模型的建立 213.2.1 酒精精馏系统稳态模型构建 213.2.2 酒精精馏系统稳态模型参数设置 213.2.3 酒精精馏系统稳态模型数据分析 213.3 酒精精馏系统的动态模型建立 223.3.1 酒精精馏系统稳态模型到动态模型的转换 223.3.2 酒精精馏系统的动态模型建立 22第四章酒精精馏系统的模型控制方案及优化 234.1 酒精精馏系统的控制方案研究 234.2 酒精精馏系统的控制流程优化 234.3 酒精精馏系统仿真研究 23第五章结论与展望 235.1 结论 235.2 展望 23参考文献 24基于 HYSYS 的酒精精馏系统建模与控制研究第一章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景通常， 酒精生产过程是将淀粉质原料经过粉碎， 然后高温蒸煮浆化后得到醪 液，将醪液里加入曲霉菌，曲霉菌可将其分解变成可发酵性糖(如：果糖、葡萄 糖、麦芽糖、蔗糖、麦芽三糖)，再由酵母发酵变成酒精和二氧化碳，此时发酵 醪液中含固形物和杂质以及酒精， 经过蒸馏将其中的酒精提纯出来， 再经过粗馏 和精馏提高酒精浓度， 最终得到合乎规格的酒精和副产物杂醇油， 剩下还有大量 酒糟予以排除1。酒精精馏是利用精馏塔上下两端高纯度气液两相回流， 分别在上部精馏段得 到轻组分产品， 在下部提馏段得到重组分产品， 最终保证上下两端产品符合要求。 精馏按塔的多少在实际中分为单塔精馏、双塔精馏、三塔精馏和多塔精馏。本课题以实验室酒精精馏系统为对象，设计系统的控制方案，基于 Hysys 建立精馏系统的稳态模型和动态模型， 仿真研究高级控制系统的控制效果， 使系 统安全经济平稳运行。1.1.2 课题意义酒精精馏是酒精加工过程中非常重要的一个部分， 其动态过程用数学描述会 相当复杂， 需要由一组高维数和高刚性度的微分方程组及非线性代数方程组来描 述。 有关精馏动态模型的研究和应用到目前已经相当丰富， 然远非完善， 建立精 馏过程完善数学模型和实现真正的实用目的仍有很工作要做。由于精馏塔的复杂性、 多样性以及蒸馏过程机理的非线性、 时变性导致建立 一个保证平衡操作、 提高控制控制品质的优秀动态模型和控制方案非常复杂。 虽 然， 精馏塔的动态特性已经大量研究， 但建立简洁的优化控制模型， 却一直悬而未决。 不断涌现的化工软件为人们提供了解决思路， 可以利用它建立精馏装置的 稳态及动态模型，高度模拟真实的实际生产情况。然后按规定的目标进行优化， 并调整相关参数， 使装置达到最优。 同时还可以在动态模型上添加控制器， 变换 操作条件以及施加干扰， 研究动态特性， 或实施不同的控制策略， 对比控制效果， 从而找到最优的控制方案。世界著名公司(Hyprotech) 开发的大型专家系统软件(Hysys)能够很好的 用稳态和动态模型来模拟油气加工过程，并且这两个过程能够自由转换。应用 Hysys 软件可进行精馏塔的设计与仿真， 界面操作友好， 智能化程度较高。 Hysys 软件具有较强的开放性和二次开发的能力， 具有方便与外部软件数据交换数据的 功能， 通过外部其他软件开发的控制模块可以实现对 Hysys 模型的控制， 为后续 先进控制与优化的仿真及实施打下一个良好的基础。1.2 国内外研究现状长期以来，为了更加真实模拟蒸馏塔机理，人们更多的采用“平衡”级假设 理论来建立基本的 MESH 方程， 并用板效率 (Murphree) 对它进行修正2-3。 1947 年 pigfall 等人提出利用微分方程来描述分离过程4 ，随后的 30 多年里，人们在 建立蒸馏塔的动态模型时多以“平衡级”假设为基础。 1985 年出现了非平衡级 模型，完全抛开了“相平衡”、“热平衡”假设而使用完整的传质传热理论，更准 确地预估塔板上的浓度和温度分布。 1995 年 Kooijman 和 Taylor 提出了一种板式 蒸馏塔的非平衡级动态数学模型， 该模型可以直接计算质量和能量传递速率， 是 一种更先进、更准确地动态建模体系5。通常， 描述蒸馏过程的动态模型相当复杂， 它是一组维数很高、 刚性度很大 的非线性代数方程组和微分方程组组成的，要保证数字仿真的收敛性和可靠性， 其解答过程要采用非常有效的积分方法。 当利用一般的积分方法来求解时， 时间 往往很多长， 因为其计算步长很小， 要缩短计算时间就必须改进积分算法， 这导 致人们发明了各种改进的积分算法。 Gear 法和由其改进得到的 EPISODE 软件包 在蒸馏计算上的应用相当广泛， 且比较成功。 杨健将小参数法用于求蒸馏塔动态 模型， 由于小参数法是一种单步法， 按稳定性及计算精度要求能自调整步长， 故 具有良好的稳定性， 其最大优点是无需计算 Jacobian 矩阵、 矩阵求逆及矩阵与向量的乘积运算。宋海华等充分利用六类典型蒸馏过程的稳态模型，以此为基础， 提出了 6 类典型非稳态蒸馏模型， 并模拟计算了动态蒸馏过程的开环响应。 1995 年， 黄克谨等充分吸收隐含数值积分方法优点提出一种混合模型， 这种模型结合 了稳态与动态数学， 既能进行静态特性模拟， 还能研究动态特性， 更重要的是还 能将静态与动态联合起来模拟，大大将蒸馏塔动态数学模型的应用范围扩宽了。在仿真软件方面，国外比较著名的是 ASPEN 公司的 Hysys 等系列软件、 PRO/II 和美国 Chemstations 公司开发的 ChemCAD 系列软件等， 对整个化工流程 进行了仿真模拟，在国内也有很多公司和大学在做这样的软件。1.3 论文的主要内容和目标1.3.1 课题研究内容本课题的研究对象燃料酒精精馏系统的动态模型建立和控制系统仿真， 主要 包括以下几个方面：1. 根据燃料酒精精馏系统的工艺流程， 分析精馏塔的操作条件、干扰因素， 对控制精度、建模条件进行规划。2. 应用 Hysys 流程模拟软件建立燃料酒精精馏系统的动态模型，对精馏系 统实现稳态模拟和动态仿真。3. 针对精馏装置的控制要求和操作条件，设计系统的控制方案，对所设计 的控制系统进行仿真研究。4. 改进现有的控制方案， 应用先进控制技术对精馏系统进行控制仿真研究。1.3.2 课题研究目标通过本课题的研究和应用，开发燃料酒精精馏系统的动态模型和控制方案， 预计成果：1、基于 Hysys 建立具有较高精度的燃料酒精精馏系统的动态模型，能够比 较真实反映精馏系统的操作过程。2 、建立精馏系统的仿真环境，可以实现精馏系统先进控制仿真研究。3 、设计完整的精馏系统的控制方案，应用高级控制策略对系统进行控制，提高控制精度。第二章酒精生产工艺概述2.1 酒精产品的性质2 5酒精是化学物乙醇的俗称， 分子式为 C H OH。它是一种无色透明、 易挥发、易燃烧、不导电、有较强吸湿性的液体。酒精能以任何比例与水、乙醚、氯仿和 甲醇等混溶，是一种非常重要的溶剂。工业酒精含乙醇约95%，含乙醇 99.5%以 上的酒精称为乙醇，当酒精中含 96.5%的乙醇和 4.4%水时，称为恒沸混合液， 它们的共沸点为 78.15。乙醇蒸汽与空气以特定的比例混合后在一定条件下会 产生爆炸， 爆炸极限浓度的体积分数为 3.5%18.0%。酒精浓度的体积分数为 70% 时具有很好的消炎灭菌作用， 同时还可以防腐等。 处于临界状态时有着极强的溶 解能力，可以实现超临界萃取。2.2 酒精的生产工艺工业上生产酒精的方法通常可分为微生物发酵法和化学合成法两大类。(一)微生物发酵法微生物发酵法就是利用微生物(主要是酵母菌)所含的酒化酶系将可发酵性糖 (主要是葡萄糖、麦芽糖、果糖、蔗糖等)通过发酵作用转变为酒精。在实际的生 产工艺过程中，一般可分为原料处理、酒精发酵和酒精提取三大步骤。根据所采用的原料的不同， 发酵前对原料的处理方式也有所不同。 由于酒精酵母 不能够直接利用淀粉、 纤维素及半纤维素这类多糖， 因此以这类成分为主的原料 在进行酒精发酵之前， 必须将原料中的多糖水解为酒精酵母可利用的单糖或双糖。 对于淀粉质原料而言这一过程通常称为“糖化”、而对于纤维原料而言这一过程 通常称为“水解”。以淀粉质原料生产酒精的工厂， 以往都是自行生产麸曲、 液体曲等糖化剂来 进行淀粉的糖化。 近年由于酶制剂工业的发展、 酶产品的使用不断普及， 现在大多数的酒精工厂都是直接采用商品酶制剂来进行淀粉的糖化。淀粉质原料生产酒精总的化学反应式如下：(C H O ) + nH O 粉化 nC H O6 10 5 n 2 6 12 6C H O 化系2C H O + 2CO6 12 6 2 6 2纤维原料可能通过酸法水解或酶法水解将原料中的纤维素、半纤维素等多糖转化 为葡萄糖等可发酵性糖。 但是由于纤维原料的水解比较困难， 糖转化率较低， 目 前工业化生产成本较高， 尚未能达到大规模的工业应用程度。 由于纤维原料是地 球上最具潜力的可再生资源， 因此采用纤维原料生产酒精是未来酒精工业的重要 发展方向。糖质原料主要是指制糖工厂的副产物废糖蜜，内含 50左右的可发酵性糖，在 经过适当处理和补充养料后，就可被酒精酵母发酵制取酒精。无论采用哪种原料， 发酵成熟醪液中的酒精含量一般都只有百分之几到百分之十 几。酒精发酵工作一般都是采取蒸馏的方法从发酵成熟醪液中提取酒精。淀粉质原料及废糖蜜原料生产酒精的一般工艺流程如图 2-1 和图 2-2 所示。图 2-1 淀粉质原料生产酒精工艺流程图 2-2 废糖蜜原料生产酒精工艺流程(二)化学合成法顾名思义， 化学合成法即是采用化学反应方法来制造酒精。 原料通常采用石油或 天然气的裂解气、 某些工矿企业的废气以及电石等。 工业生产上最常用的方法是 以石油裂解生成的乙烯为原料， 通过水合法合成酒精， 此法称为乙烯水合法。 除 此之外也采用乙醛加氢法。1乙烯水合法乙烯水合法分为间接水合法和直接水合法两种。(1)间接水合法第一步，乙烯与硫酸作用生成硫酸氢乙酯或硫酸二乙酯：CH = CH +H SO CH CH OSO OH2 2 2 4 3 2 42CH = CH + H SO (CH CH O) SO2 2 2 4 3 2 2 2第二步，硫酸酯水解重新释放出硫酸并生成酒精：CH CH OSO OH + H O CH CH OH十H SO3 2 2 2 3 2 2 4(CH CH O) SO + 2H O 2CH CH OH十H SO3 2 2 2 2 3 2 2 4(2)直接水合法乙烯和水在催化剂和高温高压(78 MPa、 280300)条件下 直接水合生成酒精：CH = CH + H O 附硅土) CH CH OH2 2 2 3 22乙醛加氢法乙醛加氢法则根据乙醛的来源不同又分为乙烯氧化法和电石法两种。(1)乙烯氧化法以乙烯为原料，通过氯化钯和氯化铜的催化作用使乙烯被空气 或氧直接氧化成乙醛， 乙醛在铜催化剂存在下于 160200加入氢而制得酒精：2C H + O 2CH CH O2 4 2 3 2CH CHO + H CH CH OH3 2 3 2(2)电石法电石即是 CaC 的俗称，电石放入水中会与水会发生化学反应产生 2乙炔， 如果采用硫酸汞作为催化剂， 乙炔与水会发生反应生成乙醛， 再将乙醛中加入氢气从而生成酒精：CaC + 2H O C H + Ca(OH )2 2 2 2 2CH = CH + H O CH CHO2 3CH CHO + H CH CH OH3 2 3 22.3 酒精精馏过程2.3.1 精馏过程概述精馏的基本原理是利用醪液混合物中各组分的挥发差异来分离其中的各组分， 即混合物在气液两相中各组分浓度的不同， 通过加热或热交换的方式使得混 合液中的乙醇、水、杂醇、醛、酸和酯等组分分开，这个过程在精馏塔内需要经 过多次部分气化和部分冷凝， 才能实现将各组分彼此分离。 下面简单介绍酒精精 馏的过程，以便将酒精精馏原理展示出来。如图 2-1 所示为连续精馏过程图， 图中所示塔中间部位箭头所指的位置为原 料投入口， 此口将塔分为两个部分： 上段精馏段和下段提馏段。 上段装置在塔顶 的冷凝装置提供液体的回流的通路， 下段装置在塔底的再沸装置则提供蒸气回流 的通路。 在上部精馏段， 轻组分随着气体在不断上升的过程中浓度不断加大， 而 逐渐得到精制， 最终在到达塔顶时获得轻组分产品。 在下部提馏段， 随着液体的 不断下降， 其中的轻组分不断地在下降过程中被提馏析出去， 使得液相中的重组 分随着下降在不断地浓缩，最终在塔底得到重组分产品。与其他蒸馏过程相比， 塔上下两端高纯度气液两相回流为精馏过程提供了传质必要条件。图 2-1 连续精馏过程图2-2 所示为塔板示意图如图 2-2 所示为塔板示意图。它有如下的功能： 使上升气体与下降液体混合； 为液体沿塔向下流动提供路径， 同时给气体沿塔向上流动提供通路； 塔板上混合 满足了两种功能， 即气体和液体相互之间进行质量传递和热量传递， 传递的结果 使得气体中重组分在上升的途中不断液化而进入液相组， 而液体在下降过程中其 中轻组分不断气化析出进入气相组。这些不同组分的挥发度差异造成了混在其中 的气液不断进入相应的部分的这种现象，从而达到分离的目的。2.3.2 酒精精馏系统的设备和工艺流程2.3.2.1 酒精精馏设备精馏塔主要分为两种类型，即板式塔和填料塔，如图2-3 所示。最早出现的是板式塔，酒精精馏中板式塔板通常有筛孔塔板、泡罩塔板等，如图2-4 所示；填料 塔引起人们重视是在大规模启用规整填料后才发生的， 目前常用的填料塔是金属 波纹板规整填料。当然，酒精精馏除了塔设备外，还需要一些辅助设备。(1) 醪液预热器醪液预热器是充分利用精馏塔或醪塔塔顶酒精蒸汽的余热来预热发酵成熟 的醪液， 使起达到较高温度， 以减少蒸馏时所需的能量， 这其实是增加能量利用 效率。二是在预热的同时， 高温的酒精蒸汽碰到醪液， 温度通过热交换传给醪液， 使自身得到冷凝，起着部分冷凝器的作用。通常醪液是在换热管中流动， 醪液预热器的工作原理是使管外的酒精蒸气换热管 内的醪液产生能量交换， 而将能量传递给醪液。 料和气在塔内是呈现逆向独立运 动。 预热器外表通常采用立式圆柱形结构， 醪液从预热器的底部流入并顺着列管 不断上升， 最终由顶部出口排出进入下一环节的工艺设备； 而酒精蒸气则顺着预 热器从顶部流入， 在管外通过预热管与管内的醪液发生热交换， 最终从塔底部排 出，通常会将排出的气体进一步冷却并回流再利用。(2) C02 分离器发酵成熟醪中通常含有一定量的不凝气体， 所谓不凝气体即是这些 CO2、 空 气等， 它们冷凝器中不仅不会凝结， 而且当它们在醪液中受热析出时， 还会增加 其中析出上升气体的体积， 这些混在其中的不凝气体不仅会严重影响冷凝器的热 交换效果， 而且还会增加塔内压力形成气阻， 影响进料管的进料， 和精馏系统的 正常运行， 最终严重影响酒精产品的质量。 为保障酒精质量， 保证系统的正常运 行，必须在在预热过的醪液与醪塔之间设置 CO2 分离器，这样在在醪液预热后 进入醪塔前，先用 C02 分离器对醪液进行处理，尽最大可能把混在其中的不凝 气体先行分离出来并排出， 减少不凝气体进入醪塔。 在分离出来并排出的气体中 通常混有少量的液体， 为充分利用资源， 要尽可能回收这部分液体， 因此可设一 小型冷凝器对其进行冷凝，最后将所得冷凝液送入醪液暂储容器中储存起来。2-3 所示为塔板类型和结构(3) 杂醇油分离器从精馏塔、 醛塔杂醇油聚集段出来的混合液和混合气体当中含有杂醇油和酒精， 杂醇油分离器即是将杂醇油分离出来。 首先将混合液体和气体经冷凝冷却器 冷却， 使温度降到一定范围， 然后再在其中添加水来稀释， 这些就可以使杂醇油 析出并产生分层现象， 上层是杂醇油， 下层是淡酒精液层， 然后将杂醇油从上部 导出， 淡酒精从下部放出， 再送入醪液暂贮池或者进行预热后返入精馏塔中的脱 水段进行脱水处理。(4) 再沸器再沸器是一种换热器，这种换热器能够耐高压蒸汽。再沸器通过换热的方式 利用来自锅炉的一次蒸汽与精馏物料产生热交换， 从而间接加热精馏物料。 目前 看来，整个精馏系统全部采用再沸器间接加热已成为设计趋势。差压精馏技术的随着时代的发展而不断更新升级， 再沸器与冷凝器也由最初的相 互矛盾对立而转变成现在的统一互补的设备。最初的精馏塔塔釜利用再沸器的热 交换来加热， 塔顶通过冷凝器的降温水冷却。 当前大部分的差压精馏系统中是通 过精馏塔(采取正压操作)给醪塔(采取负压操作)加热，称为醪塔塔釜的再沸器的热源是精馏塔的塔顶酒精蒸气， 也就是说， 醪塔的再沸器成了精馏 塔塔顶酒精蒸气的冷凝器。这种设计既节约蒸汽，又节约冷却水。(5) 冷凝器冷凝器是一种用来给塔顶物料降温的换热器， 一般是用低温水作为冷却介质。利用冷凝器将精馏塔顶的高温气体冷凝， 并将冷凝后产生的液体流回到塔的最上 一层塔板， 从而来保障精馏塔正常运行所需要的回流比。 在冷凝过程中还可分离 出不凝杂质(称头级杂质或尾级杂质)，能够纯化酒精。通常精馏塔顶会有几个冷凝器互相配合使用，当酒精蒸汽经过第一个冷凝器时， 会将 70的酒精蒸气冷凝下来，冷凝过程得到的冷凝液会回流到塔中，酒精蒸 气会流入下一个冷凝器直至结束， 在实际当中的最后一台冷凝器通常用来排除醛 类及其它杂质的功能。为了节约能源并减少投资，在一些大型差压精馏系统中， 冷凝器常会当作再沸器给下一个互补塔预热。2.3.2.2 酒精精馏工艺流程提高酒精质量是我国当前酒精工业所要解决的一个重大问题， 精馏工艺的好坏在 很大程度上影响成品酒精的质量，要提高酒精质量的通常需要增加蒸汽消耗量， 这就加大了能源消耗， 为此一个重要的研究方向出现了， 它要求在精馏流程中保 证酒精质量的前提下，尽可能降低能源消耗。下面就简单介绍酒精精馏流程。 (1)单塔流程单塔精馏即是利用一个塔从成熟醪中分离制备酒精成品的过程。该塔塔底排酒精 糟液， 塔顶引出粗酒精。 这个制作流程适合对酒精产品质量和浓度要求不高的工 厂， 一般国外生产浓度为 88(体积分数)的粗酒精时常用单塔流程。 当前我国制 作的酒精工厂通常都不采用这种单塔精馏流程工艺。(2)双塔流程若利用单塔流程制备浓度为 95(体积分数)以上的酒精成品， 则塔的塔板数数量 很大， 最终必须建造较高的塔身， 从而大大提高了对厂房建筑的要求。 这种单塔 所得的酒糟数量很大，但其中固形物较少，对酒糟的综合利用和处理也不方便。 为此， 人们将酒精的蒸馏和精馏两个过程分别在两个塔内进行， 这就是双塔蒸馏 工艺流程(粗馏塔(粗塔、醪塔)、精馏塔)。粗馏塔的作用是初步将酒精从成熟醪中分离出来，同时并排除酒糟的过程。 精馏塔的作用是在粗馏塔的基础上进一步浓缩酒精， 增加酒精浓度并排除其中大 部分的杂质， 最终使产品质量达到要求。 总体来讲， 以双塔流程生产的酒精比以 单塔流程生产的酒精的质量要好得多， 但是质量还不够高， 一般难以达到食用酒 精的标准。2-6 两塔差压精馏流程图(3)三塔流程双塔流程的主要缺点是成品酒精的质量不够高， 无法生产出优质的高纯度精馏酒 精或食用级酒精。为了解决双塔流程带来的种种问题而提出了三塔流程。通常的三塔流程包括三个塔， 这三个塔分别是粗馏塔、 排醛塔和精馏塔。 排醛塔 又叫水萃取塔， 因为它需要将粗馏塔中过来的粗酒精加水稀释， 使得混合溶液的 浓度较底， 增大了混合溶液的精馏系数， 这样有利于将酒精混合液中醛酯类等中 级和头级杂质去除， 醛酯类头级杂质的精馏系数较大， 在排醛塔中分离头级杂质 比在精馏塔顶部分离头级杂质的效果要好。当精馏塔中脱醛酒精的头级杂质含量 较低时， 就会降低成品酒精液层的酒精蒸气中的头级杂质， 自然而然就提高了成品酒精的质量。2-7 三塔差压精馏流程图(4)多塔流程多塔流程是根据实际情况在双塔或者三塔流程的基础之上， ，增加具备专门功能 的附加塔，进而导致塔的总数增加到四个、五个、六个，相应称之为四塔、五塔 乃至六塔流程。实际当中通常有以下三种附加塔的情况。1、水萃取塔醪塔、精馏塔或含杂馏分处理塔中的精酒精的浓度通常较高， 体积分数达到 84-93，水萃取塔就是这些浓度较高的粗酒精先加水稀释再 萃取精馏， 以便进一步将粗酒精中的头级和中级杂质去除。 经过水萃取塔的处理 后， 可以使粗酒精中大部分醛类和中级杂质进入水萃取塔的顶部， 导致水萃取塔 顶部的酒精浓度的体积分数可达 35，这样一来，水萃取塔底部的中级和头级 杂质浓度就会相应较低，酒精浓度的体积分数大约为 15，然后将这些杂质浓 度和酒精浓度都较低的混合溶液送至精馏塔精馏浓缩处理。2、脱甲醇塔精馏塔来的混合溶液里酒精体积分数通常高达 95以上，此时 甲醇的精馏系数也会很大， 非常有利于将混合溶液里甲醇去除。 脱甲醇塔即是在 酒精浓度较高的条件下除去里面混杂的甲醇和其他头级杂质如乙醛等。混合酒精溶液经过脱甲醇塔处理能够显著提高酒精产品的质量。 首先， 经过脱甲 醇塔处理后， 混合酒精溶液里的甲醇被大量析出， 含量显著降低， 而且混杂在其 中的其他头级杂质如乙醛等的含量也明显减少， 杂质的减少必然大大提高了酒精 的色度、酸度和外观等技术指标，非常有助于生产合格品质酒精产品。3、含杂馏分处理塔体积分数为(3060的低浓度酒精含杂醇油较多，必 须予以去除才能进行下一步处理， 含杂馏分处理塔的功能即是把这种低浓底酒精 中的杂醇油以及其它杂质尽最大可能去除， 以提高酒精品质， 满足实际需求， 实 际当中为进一步提高产量还可以将处理后的酒精溶液再经水萃取塔处理。在含杂 馏分处理塔处理后得到的杂醇油混合物进一步处理， 即经过冷却和分离后分离出 杂醇油和淡酒精，杂醇油采取回收处理，淡酒精则进入水萃取塔提纯。2-8 四塔差压精馏流程图2-9 五塔差压精馏流程图2-10 六塔差压精馏流程图2.3.3 影响精馏系统的因素与调节由于混合溶液中的各组成部分的挥发度有差异， 精馏原理就是充分利用这些 差异， 多次利用部分汽化和部分冷凝的方法使混合液中各组成成分分离为单一成 分的操作过程。回流比 R 的计算方法为精馏塔中塔顶回流量和产出量 D 的比值。精馏段是指 精馏塔进料板以上的部分，精馏段的主要作用是增加气相易挥发组分(轻组分)的 浓度。提馏段是指进料板以下部分(包括进料板)，提馏段的作用主要是把液相中 易挥发组分(轻组分)提取出来，这样易挥发组分浪费的数量就变少，从而使得 塔釜中的产品质量合乎要求。由上面讨论可知，精馏分离的基本条件是混合液中各组成成分挥发度存在差异。 精馏塔中主要利用每块板上的汽化和冷凝两种方法， 汽化即传质， 它使得混合溶 液中的易挥发组分从液相转化而气相， 难挥发组分由液相转变为气相； 冷凝即热 交换， 它即利用冷凝使蒸气凝结， 同时蒸汽的热量使冷凝液体汽化， 从而达到将 不同组分相互分离的目的。终上可知精馏过程的实质上是一个能量交换和质相转 换的过程。2.3.3.1 操作压力任何精馏塔的设计、 操作都要根据被处理物料的性质确定操作压力， 再根据确定 的该操作压力下的气、 液平衡数据计算。 减压精馏通常适用于那些沸点高， 高温 时性质不稳定， 易分解、 聚合结焦的物料或在常压下相对挥发度较小， 有剧毒的 物料。 如苯酚精馏、 苯乙烯的精馏均采用减压精馏， 减压操作降低了物料沸腾温 度。加压蒸馏的方法通常适用于被分离的混合物在常温常压下是气体或沸点较低 的情况可以采用，如氯乙烯的精馏、石油气裂解、深冷分离等等。确定操作压力应同时考虑塔及其他设备的机械性能和综合经济指标， 这些综合经 济指标包括相应的造价、塔的耐压性能、操作费用等。例如，当原料常压下是液 体时，为了使设备更简单，附属设备投入更少，则一般尽可能地采用常压操作， 这样有利于减少总体投资，提高经济性。当操作压力经计算确定后， 就要尽最大可能保持压力的恒定。 通常， 如果在运行 过程中， 压力发生大幅度的变化， 会破坏精馏过程中正常运行的气液平衡， 从而 导致整个操作出现问题。 而当压力只在小幅度情况下变化时， 则对气液平衡的变化无影响。塔顶压力的影响因素还包括增大塔顶冷凝器中的冷却剂用量和回流比。2.3.3.2 操作温度在一定的操作压力下气液的组成也会对气液平衡的温度产生较显著的影响， 组成 决定气液平衡的温度。组成一定则温度一定，如塔顶和塔底温度；塔顶、塔釜的 气液平衡组成就决定了产品的质量， 与它们相对应的平衡温度， 就被确认为塔顶、 塔釜的温度指标。 当操作压力不发生变化时， 温度也要相对保持不变。 产品的质 量和产量会随着温度的改变而改变。 当塔顶温度升高时， 就会相应增加其中难挥 发组分含量，导致产量升高，质量下降。操作温度会受多种因素影响， 而不仅仅是操作压力。 例如： 蒸馏塔釜中加热 蒸汽量、冷凝器中冷却剂量、回流量、釜液面高度、进料等条件均会引起操作温 度变化。这也表明了在精馏过程中决定最终质量的温度恒定是一个综合因素平衡 的过程，可以通过调节不同因素维持操作温度的恒定。2.3.3.3 回流比从精馏塔引出的气相经全凝后， 一部分经过塔顶作为产品而排出， 另一部分作为 回流液通过回流装置返回到塔顶参与新循环。液体的回流在精馏操作的过程中是 非常必要的，它不仅是蒸气部分冷凝的冷却剂，同时又不断补充塔板上的液体， 使精馏操作连续稳定地进行。在精馏操作中， 回流比的大小会显著影响精馏塔塔板数和进料位置的设计， 在实 际操作中人们也往往用调节回流比来控制产品的质量。如果塔顶馏分中难挥发组分含量增高时， 为提高提高塔顶产品的质量， 可以 采用增加回流比和塔内下降的液体流量， 提高上升蒸气中难挥发组分冷凝。 较大 回流比不仅降低产能而且影响产品质量， 因此， 应在一定范围内提高回流比是有 利的， 超过一定范围会造成液泛的发生。 对于内外回流塔的回流比有不同的调节 方式， 内内回流塔通过调节冷凝器中冷却剂来调节回流比， 外回流塔通过控制塔 顶产品采出量和塔顶冷凝量调节其回流比。2.3.3. 4 采出量(1)塔顶采出量的影响收液槽液面不变，进料量随着精馏塔塔顶采出量增大而增大。采出量必须跟随进料量及组成变化而改变， 否则就不能维持塔内物料平衡而保持正常运行。 但 是采出量变化范围也必须是在一定的范围内， 一旦超出允许的弹性范围， 就应及 时调节进料量和热负荷， 以此将回流比稳定在指标允许的范围内。 若塔顶采出量 增大。超出弹性范围。必定会对原有的物料平衡产生了破坏，重组分上移，并且 回流比减小，减少了各板上的回流液量，气液接触不好，导致传质效率降低，同 时也降低了操作压力， 最终导致改变了各板上的气液相组成， 重组分被带到塔顶， 导致塔顶产品的质量不满足要求， 塔内温度间接衡量组分变化， 精馏段灵敏板温 度会会出现上涨现象。(2)塔釜液采出量的影响精馏塔釜液采出量的变化同样会影响塔的物料平衡。 当进料不变， 塔釜液采出量 增加时会造成塔釜液面减低， 甚至会抽空， 使再沸的釜液循环量减少， 塔釜温度 下降，轻组分进入釜液中，造成塔釜产品不合格。釜液采出量少，将造成塔釜液 面过高，甚至出现淹塔现象，增加了釜液循环阻力，同样要影响传热传质效果， 使产品不合格。故塔顶塔釜产品的均衡采出是非常重要的。2.3.3.5 原料(1)进料状态的影响进料共有五种可能的热状态存在：即过冷液体(温度低于泡点)、饱和液体、饱和 气液混合物(温度介于泡点和露点之间)、饱和蒸气、过热蒸气(温度高于露点) 。 进料与产品的组成一定时， 进料状态对塔板数的影响不大。 但对塔板在精馏段和 提馏段的分配比例却有明显影响。当进料汽化率(进料中气相量与液相量比值)大 时，精馏段需要塔板数多，提馏段相应减少，汽化率小时，则相反。同理，汽化率大时，若进料位置不变时，要保证产品质量，回流比就要增大，因 此冷凝负荷要增加。当回流、进料量一定时，汽化率大，可使再沸器负荷减少； 反之，汽化率小，则再沸器负荷增加。进料的状态如何，直接影响到进料位置，同时又关系到能量合理利用。因此，在 选择精馏操作的条件时，应全面地综合考虑，尽可能使其达到最优化。(2)进料温度的影响进料温度的变化对精馏操作是有一定影响的。 进料温度降低， 将增加塔釜再沸器 的热负荷， 减少塔顶冷凝器冷负荷。 进料温度升高则相反。 当进料温度变化的幅度过大时， 将会影响全塔的温度分布， 从而改变气液平衡。 如果进料温度变化到 改变了进料状态时， 将引起精馏段、 提馏段理论板数分配的改变。 对于进料状况 固定的某一个塔来说，进料状况的改变将会影响到产品质量。(3)进料组成的影响在一定的操作压力下气液平衡的温度与其组成有关， 高沸点组分的含量越高， 其 平衡温度越高。因此，塔进料组成变重，进料口就应该下移。在分馏塔进料口位 置不变的情况下， 进料组成变重， 气液平衡温度升高， 必然影响塔的精馏段理论 板数，即造成精馏段塔板数减少。此外，也与组分的变化幅度有关，组分变化过 大才会有上述情况明显发生。进料组成变重会造成塔顶馏分中重组分含量增加， 顶温上升。解决的办法是：加大冷剂量，降低回流温度，加大回流比或进料口下 移，以保证分离效果。如果进料组成中轻组分增加， 提馏段塔板数就会显得不够， 使釜液中轻组分含量 增大。解决的办法是：增加加热蒸汽量，减小回流比或进料口上移，从而保证分 离效果。如进料组成变化太大，将使精馏操作破坏。理想的进料温度、进料组成 必须与进料板的温度、组成相同，即使有波动，也应控制在产品质量范围内。(4)进料量大小的影响应该将进料量的变化限制在一定的允许范围内而不得超出。若进料量增加超 出了范围， 会使上升气流量、 釜液采出量大为增加。 当塔顶冷凝器和塔釜再沸器 热负荷能力不能再承受时，塔顶、塔釜温度将发生变化，从而导致塔顶、塔釜产 品组成有较大地改变。如果进料量变化时，再沸器、冷凝器能承受负荷变化，而 塔本身结构、尺寸不能承受此负荷变化，将发生漏液、淹塔、液泛、雾沫夹带等 不正常现象，其结果使塔的平衡遭到破坏，塔顶、塔釜产品都会不合格。当进料 量很小， 低于操作下限时， 必须加大回流量或以全回流方式进行操作。 进料量只 有在规定的范围内变化，同时及时调节热、冷剂量和塔顶、塔釜采出量，使顶温 釜温不会有明显的改变，才能保持一定的分离效果。第三章 Hysys 酒精精馏系统的模拟与分析 3. 1Hysys 软件介绍3.2 酒精精馏系统稳态模型的建立3.2.1 酒精精馏系统稳态模型构建3.2.2 酒精精馏系统稳态模型参数设置3.2.3 酒精精馏系统稳态模型数据分析3.3 酒精精馏系统的动态模型建立3.3.1 酒精精馏系统稳态模型到动态模型的转换3.3.2 酒精精馏系统的动态模型建立第四章酒精精馏系统的模型控制方案及优