JPS5814802B2 - 蒸留装置の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は安定時のピンチ点が原料フイード位置に近いと
ころにある蒸留塔の少なくとも２塔以上から成る蒸留装
置の制御方法に関する。

更に詳細には応答特性が改善されたエネルギー損失の減
少した蒸留装置の新規制御方法に関する。

従来、複数の塔から成る蒸留装置まわりの制御回路は、
第１蒸留塔への原料フイードは上流側タンクの液位制御
一流量制御のカスケード制御系となっており、また第２
塔またはそれ以降の蒸留塔への原料フイードは前塔のボ
トム液位制御により供給し、各塔におけるボトム湿度は
手動制御またはりボイラーへ供給される熱媒とのカスケ
ード制御によっている。

すなわち、制御システムの一般原理は上流側の液位をベ
ースとなし、上流側で生じた変動を下流側で修正してい
くものである。

それ故、蒸留装置に外乱が入り塔内湿度が変動するとリ
フラツクス流量、リボイラーへの供給熱媒量を制御して
いる。

このような、従来の制御方法によれば以下のような不都
合がある。

■ 塔内温度変化でリボイラーへの熱媒流量を制御する
場合にはリボイラーでの伝熱の遅れに伴う蒸発の遅れ、
その後で各段での平衡を新たな状態に移しながら、塔頂
に向って外乱が除かれていくので修正動作が極めて緩慢
である。

また、熱媒量を増加した時と減少させたときの塔内混度
の応答は非線形、非対象でありフィードバックカスケー
ド系では整定時間が長くなる。

■ 原料フイード流量、濃度、湿度等の外乱の影響を小
さくするため通常の蒸留に際しては最小還流比の約１．
２〜２倍での運転が行われており、修正動作を緩慢にし
ているほかに非対称応答のためエネルギー損失が大きい
。

■ 塔内液ガス流量比の変動により操作曲線が変化し、
塔効率の悪化により塔頂または塔底からの流出液の品質
を悪化させている。

かかる不都合を解決する方法として本発明者等は先に安
定時のピンチ点が原料フイード位置に近いところにある
蒸留塔から成る蒸留装置等の制御系において安定時のピ
ンチ点近傍の塔内温度及びリボイラーへの供給エネルギ
ー量を検出し、これらを原料フイード量の調整用制御信
号とすることを特徴とする蒸留装置等の制御方法を提供
した。

該方法は単一の蒸留塔或いは複数個の蒸留塔がシリーズ
に連なった蒸留装置のいずれにも適用し得るものである
。

複数個の蒸留塔がシリーズに連なった蒸留装置の場合に
上記制御方法を適用する場合には一般には前塔からの流
出液を一担中間タンクに溜め次の蒸留塔に送る方式が採
られる。

ところが既存のプラントに於いては中間タンクを設ける
ようなスペースが無いような場合があり、適用が消極的
にならざるをえなかった。

本発明は上記のような不都合を解決した少なくとも２塔
以上で構成された蒸留装置の新規な制御方法を提供する
にある。

また本発明は生じた外乱を速やかに修正することができ
る簡単な構成のフイード・フォワード制御系で、整定時
間が短かくエネルギー損失の少ない制御方法を提供する
にある。

更に本発明は既存の蒸留装置に簡単に適用可能な制御方
法を提供するにある。

すなわち本発明は安定時のピンチ点がフイード位置に近
いところにある蒸留塔の少なくとも２塔以上で構成され
た蒸留系の制御系に於いて各蒸留塔への原料フイード量
を各蒸留塔の安定時のピンチ点近傍の塔内温度及びリボ
イラーへの供給エネルギー量を検出し、これらに応じて
各蒸留塔に供給する原料フイード量を調節し、及び第２
蒸留塔またはそれ以降の蒸留塔のりボイラーへの供給エ
ネルギー量を各蒸留塔の前にある蒸留塔の缶残液の液位
変動または各蒸留塔の前にある蒸留塔のトップコンデン
サーの後に設けられた液溜部の液位変動を検出し、これ
に応じて各蒸留塔のりボイラーへの供給エネルギー量を
調節することを特徴とする蒸留装置の制御方法を提供す
るにある。

以下に本発明方法をより詳細に説明する。

本発明方法の実施に当り、各蒸留塔への原料フイード量
は各蒸留塔の安定時のピンチ点近傍の塔内温度及びリボ
イラーへの供給エネルギー量ヲ検出し、これらに応じて
各蒸留塔に供給する原料フイード量を調節することが必
須である。

以下にその理由を記す。

一般に蒸留装置の運転は液ガス比 Ｋ＝液ガス比 Ｋ＝Ｌ／Ｖ・・・・・・・・・（１） Ｌ＝液流量 ■＝ガス流量 が一定となるように制御される。

それ故に外乱によりＫ値が変化した時の制御因子として
はＬと■がある。

Ｌと■の内容を分解すると、 Ｋｒ＝濃縮部液ガス比 Ｋｒ＝Ｌｒ／Ｖｒ Ｌｒ＝ 〃 液流量Ｖｒ＝
〃 ガス流量 ・・・・・・・・・（２） Ｋｓ＝回収部液ガス比 Ｋｓ＝Ｌｓ／Ｖｓ Ｌｓ＝ 〃 液流量Ｖｓ＝ 〃
ガス流量 となる。

先にも示したように既成の制御システムの一般原理は上
流側の液位をベースとなし、上流側で生じた変動を下流
側で修正していくものであるため、リフラツクス量によ
るＬｒ及びリボイラー供給熱量によるＶｓのいずれかま
たは両者により制御されており、Ｌｓは制御因子として
利用していない。

（１）及び（２）式から理解されるようにＫとＬは比例
関係に、またＫと■は反比例関係にある。

故にＫの変化量を修正するに要したＬの変化量の変動中
心と平均値が一致するが、一方■の変化は非対称応答の
ため変動中心より平均値の方が大きくなる。

変動中心より平均値が太きいということは蒸留系が不安
定な状態を意味し、安定するまでの整定時間が長くなり
、エネルギー損失が増大するという不都合を生じる。

このことから制御因子としてＬを利用することが望まし
いことが理解される。

公知の制御システムにおいてＬｒを採用していることは
上述の理由からすれば好ましい方向ではあるが、現実に
は充分な効果を発揮していない。

従来、制御因子として利用されていないＬｓを更に分解
してみると Ｌ ｓ ＝ Ｌ ｒ ＋ ｑ Ｆ ・−”（３）ｑ＝
フイード流体中の液比 Ｆ＝フイード流量 となる。

すなわち、ＦはＬｓの匍１御因子として利用できるので
ある。

Ｆを制御因子とした場合はＫと比例関係で応答し制御因
子として望ましいものである。

このことは■が一定の下において言えることであり、Ｌ
と■が共に変動するような系においてはＬと■が打消し
合うように■よりＦヘフイードフォワード制御をかける
必要性がある。

このようにして制御因子としてＦを選んで既存の蒸留装
置について実験を行なったところ、Ｆを制御因子として
利用した制御因子が応答特性、エネルギー利用率におい
て顕著に改善できることが判明した。

この理由は通常蒸留装置のピンチ点は原料フイード位置
に位置するように設計され（実稼動時には多少ずれる）
るためにリフラツクス留分の還流点からピンチ点までの
距離と原料フイード位置からピンチ点までの距離の違い
によっていることが判った。

故に安定時のピンチ点がリフラツクス還流位置よりも原
料フイード位置に近い蒸留装置においては原料フイード
流量を制御することが有効となるのである。

本明細書中において用いている“ピンチ点近傍”とはリ
フラツクス量の変化よりもフイード量の変化の方が応答
速度が速い領域を意味し、これらは予備実験により、或
いは設計資料より容易に求められる。

本明細書中において用いている“原料フイード”とは第
１塔目は粗製品、第２塔目またはそれ以降の塔への原料
フイードは各塔の前の塔からの流出物を意味する。

しかして、原料フイード流量の制御因子としてはピンチ
点近傍の温度とリボイラーへ供給されるエネルギー量と
が利用される。

ピンチ点近傍の温度を測定することによって、濃縮部操
作線、回収部操作線の安定度を知ることができ、またリ
ボイラーへ供給されるエネルギー量を測定することによ
って回収部ガス流量を推定し、そしてピンチ点近傍の湿
度とリボイラーへ供給されるエネルギー量とを組合せて
利用することにより全体のバランスを制御しているので
ある。

本発明方法は系の制御にＬを利用するために■の変動に
よるＫの変化をできるだけ無視し得るようにしておかな
ければならない。

そのため、リボイラーへ供給されるエネルギー量の変化
に対応させて原料フイード量を変化させる必要があるの
である。

以上の説明から各蒸留塔への原料フイード量の調節が理
解されたものと思う。

本発明方法の実施に当り、第２番目の蒸留塔またはそれ
以降の蒸留塔のリボイラーへの供給エネルギー量は各蒸
留塔の前にある蒸留塔の缶残液の液位変動を検出し、ま
たは各蒸留塔の前にある塔のトップコンデンサーの後に
設けられた液溜部の液位変動を検出し、これに応じて各
蒸留塔のリボイラーへの供給エネルギー量を調節するこ
とが必須である。

以下にその理由を詳述する。前記した各蒸留塔への原料
フイード量の調節を各蒸留塔間にカスケード関係なくし
て行なう場合には蒸留塔間に中間タンクを設けることが
必要となる。

なぜなら後段の蒸留塔のリボイラーへ供給される熱媒量
が減少すると前記説明からも明らかなように原料フイー
ド量は減少し、この場合前段の蒸留塔のリボイラーへ供
給される熱媒量が変らなかったとしたら、前段の蒸留塔
の流出液缶残液または凝縮液は増加する。

逆に後段の蒸留塔のリボイラーへ供給される熱媒量が増
加すると、原料フイード量は増大しこの場合前段の蒸留
塔のリボイラーへ供給される熱媒量が変らなかったとし
たら、前段の蒸留塔の流出液は減少する。

尚、前段の蒸留塔のリボイラーへ供給される熱媒量は変
らなかったと仮定したが、勿論実際には変動するもので
あるから、流出液の変動は頻繁に生じる時もある。

故に、各蒸留塔への原料フィード量の調節を各蒸留塔間
にカスケード関係なくして行なうとすれば各蒸留塔間に
中間タンクを設けなければならない。

このような中間タンクを設ける方法の場合には、現状プ
ロセスに対して余分な設備および敷地を必要とし、特に
既存設備に対しては適用が著しく消極的となる。

本発明は上記のような不都合を解決するためになされた
ものであり、第２番目の蒸留塔またはそれ以降の蒸留塔
のリボイラーへの供給エネルギー量は各蒸留塔の前にあ
る蒸留塔の缶残液の液位変動または各蒸留塔の前にある
塔のトップコンデンサーの後に設けられた液溜部の液位
変動を検出し、これに応じて各蒸留塔への供給エネルギ
ー量を調節する。

缶残液の液位変動または液溜部の液位変動の検出とリボ
イラーへの供給エネルギー量の調節用バルブとは検出値
に調節用バルブを直接的に作動するようにしてもよいし
或いは検出端子または制御器に不感帯を設け、液位変動
が所定の範囲を外れた時に調節用バルブが作動するよう
にしてもよい。

しかして、本発明のようにして第２塔またはそれ以降の
蒸留塔のリボイラーへのエネルギー供給量を調節するこ
とにより、原料フイード量を各蒸留塔の安定時のピンチ
点近傍の塔内温度及びリボイラーへの供給エネルギー量
を検出しこれらに応じて各蒸留塔に供給する原料フイー
ド量を調節する場合に生ずる中間タンク及びそれに伴う
敷地の問題等を解することができるという利点がある。

以下に本発明方法を図面により更に詳細に説明する。

第１図は缶残液を次の蒸留塔にフイードする蒸留装置の
制御方法を、第２図は塔頂流出液を次の蒸留塔にフイー
ドする蒸留装置の制御方法を示す説明図である。

第１図に於いて蒸留すべき原料がライン２８を通って蒸
留塔１に供給され、塔内で低沸留分と高沸留分とに分留
される。

原料の蒸留塔への供給量はフイード流量計１２の情報を
検知して信号線ｄによりフイード量調整バルブ３を制御
し、ほぼ一定流量に保たれるように構成されている。

蒸留塔１としてはシーブトレイ、バブルキャップ、充填
塔等の形式のものを用いることができる。

蒸留塔１の底にはボトム循環ライン２９が設けられてお
り、このボトム循環ラインの間にはライン３４を経て供
給される蒸気によって加熱されるところのリボイラー４
が設けられておりこれによって熱が供給されている。

蒸気の供給量は蒸気流量計１３の情報を検知して信号線
ｂ，ｇにより蒸気フイード量調整バルブ５を制御し一定
流量に保たれるように構成されている。

本例においては熱源として蒸気を用いる場合を示したが
、勿論これらは他の熱媒体を用いてもよい。

低沸点留分は低沸点留分取出しライン３１から取出され
コンデンサー６で凝縮液化され、液溜部７にためられ、
その一部がリフラツクス留分としてライン３２を経て蒸
留塔上部にリフラツクス流量計１４の情報を検知して信
号線ｅによりリフラツクス調整バルブ８を制御しリサイ
クルされる。

一方、残部は液溜部７の液位変動を信号線ｆにて製品取
出しバルブ９を制御し、ライン３３を経て製品として回
収される。

上記のような構成において、本発明方法はＡ点（ピンチ
点近傍）で検出された温度を信号線ａにより、及びリボ
イラーへの供給エネルギー量を蒸気流量計１３の情報を
検知して信号線ｂにより制御器１０に送り、制御器１０
から導かれた指示により信号線Ｃにより原料フイードバ
ルブ３を調整し、原料フイード量を調整し蒸留塔内温度
を修正する。

このフイード量の演算の一例としては、例えば、信号線
ｄからのフイード流量と信号線ｂからのスチーム流量よ
り、流量比（フイード量／スチーム量）を求め、これを
安定時のＬ／Ｖに対比させ、この偏差に信号線ｂからの
スチーム流量信号を乗算してフイード流量設定出力とし
、一方、信号線ａからの温度信号を設定値と比較し、偏
差を求め、フイード流量に対するフィードバック制御演
算を行ない、その出力を前述のフイード流量設定出力と
加算演算すればよい。

このようにして原料フイード量を調節することにより応
答速度が速く、また変動中心と平均値が一致するために
、従来の非対称応答に比較して整定時間が著しく短縮さ
れ、エネルギー効率が顕著に改善される。

高沸点留分はライン３０を経て取出され次の蒸留塔２の
原料として供給される。

第２蒸留塔２の底にはボトム循環ライン３５が設けられ
ており、このボトム循環ラインの間にはライン４０を経
て供給される蒸気によって加熱されるところのリボイラ
ー１６が設けられており、これによって熱が供給されて
いる。

蒸気の供給量は蒸気流量計２５の情報を検知して信号線
ｉ，ｎにより蒸気フイード量調整バルブ１７を制御し一
定流量に保つ。

前段の蒸留塔からの高沸点留分は前段の蒸留塔と同様に
Ａ′点（ピンチ点近傍）で検出された温度を信号線ｈに
より及びリボイラーへの供給エネルギー量を信号線ｉに
より制御器２２に送り、制御器２２から導かれた指示に
より信号線Ｊにより原料フイードバルブ１５を調整し、
原料フイード量を調整供給する。

第２蒸留塔への原料供給量はフイード流量計２４で検知
され、信号線ｋによりフイード量調整バルブ１５を制御
し、ほぼ一定流量に保つ。

該方式によって原料フイード量を調整することにより整
定時間を短縮し、エネルギー効率を顕著に改善できるの
である。

上記したような構成に加えて、本発明方法の実施に当っ
ては第１蒸留塔の缶残液の液位変動検出器１１を設け、
この検出器の指示が信号線ｐにより第２蒸留塔２のリボ
イラーへ供給される蒸気量の調節弁バルブ１７とカスケ
ードされる。

かかる制御方式を採用することによって第１蒸留塔１と
第２蒸留塔２間の液の流れを中間タンク無しの状態でス
ムーズに流すことができ、また既存の蒸留装置にも簡単
に適用できるという利点がある。

第２蒸留塔２において、低沸点留分は低沸点留分取出し
ライン３７から取出され、コンデンサー１８で凝縮液化
され液溜部１９にためられその一部がリフラツクス留分
としてライン３８を経て蒸留塔上部にリサイクルされる
。

リフラツクスはりフラツクス流量計２６の情報を検知し
て信号線ｌによりリフラツクス調整バルブ２０を制御し
リサイクルされる。

第１及び第２蒸留塔共リフラツクス量を流量制御するケ
ースを示したが、原料フイード量および／またはリボイ
ラーへの供給スチーム量からのフイードフォワードを使
用してもよい。

一万残部はライン３９を経て製品として回収される。

この場合、液溜部１９の液位変動を検出し、信号線ｍに
より製品取出しバルブ２１を制御し、取出すのがよい。

高沸点留分はライン３６を経て取出され、製品としてま
たは次の蒸留工程の原料として使用される。

この場合、蒸留塔２の缶残部の液位変動を、液位検出器
２３にて検出し、信号線ｑにより製品取出しバルブ２７
を制御し取出す。

しかして、本発明の要点は原料フイード量をピンチ点近
傍の温度及びリボイラーへの供給エネルギー量の変動に
基づき調節し、また第１蒸留塔と第２蒸留塔またはそれ
以降の蒸留塔の間を第１蒸留塔の缶残液の液位変動また
は第１蒸留塔のトップコンデンサーの後に設けられた液
溜部の液位変動を検出し、これに応じて第２蒸留塔への
供給エネルギー量を調節することにより、蒸留塔の安定
化及び従来の装置の簡単な変更により適用可能というこ
とを具体化したものである。

第２図は本発明の制御方法を第１蒸留塔の低沸点留分を
次の蒸留塔への原料フイードとして使用する場合の例を
示すものである。

第２図に於いて、蒸留すべき原料はライン２８を通って
蒸留塔１に供給され、塔内で低沸留分と高沸留分とに分
留される。

蒸留塔１の底にはボトム循環ライン２９が設けられてお
り、このボトム循環ラインの間にはライン３４を経て供
給される蒸気によって加熱されるところのリボイラー４
が設けられている。

高沸点留分は液位検出器１１により缶残液の液位制御し
ながら信号線ｒで製品取出しバルブ４２を制御し高沸点
留分取出しライン３０から製品として取出され、一部は
缶残液としてリサイクルされる。

原料フイード量はＡ点（ピンチ点近傍）で検出された湿
度を信号線ａにより及びリボイラーへの供給エネルギー
量を信号線ｂにより制御器１０に送り、制御器１０から
導かれた指示を信号線Ｃにより原料フイードバルブ３に
伝達し原料フイード量を調節し蒸留塔内温度を修正する
。

低沸点留分はライン３１を経て取出され、コンデンサー
６で凝縮液化され、液溜部７にためられ、その一部がリ
フラックス留分としてライン３２を経て蒸留塔上部にリ
サイクルされ、一方残部はライン４１を経て第２蒸留塔
２の原料として送られる。

前段の蒸留塔１からの低沸点留分は前段の蒸留塔と同様
にＡ′点（ピンチ点近傍）で検出された湿度を信号線ｈ
により及びリボイラーへの供給エネルギー量を信号線ｉ
により制御器２２に送り、制御器２２から導かれた指示
を信号線ｊにより原料フイードバルブ１５に伝達し原料
フイード量を調整供給する。

かかる構成の場合、本発明方法の実施に当って、第１蒸
留塔１のトップコンデ−６の後に設けられた液溜部７の
液位変動検出器４３を設けこの検出器の指示が信号線Ｓ
を経て第２蒸留塔２のリボイラーへ供給される蒸気量の
調節用バルブ１７とカスケードされる。

第２蒸留塔２において、低沸点留分は低沸点留分取出し
ライン３７から取出され、コンデンサー１８で凝縮液化
され、液溜部１９に溜られその一部がリフラツクス部分
としてライン３８を経て蒸留塔上部にリサイクルされる
。

一方、残部を製品としてまたは次の蒸留工程の原料とし
てライン３９から取出される。

高沸点留分はライン３６を経て製品として回収される。

なお第２図について上記において説明した以外のフロー
は第１図とほぼ同様である。

図においては蒸留塔が２塔のものについて説明したが、
勿論２塔以上の蒸留塔から成る蒸留装置についても上記
と同様な構成により適用可能である。

また、本発明の制御方法はその他の制御方法と適宜組合
せて実施することができる。

以上詳述したような本発明の制御方法によれば制御因子
としてＫ値に対して比例的に作用する原料フイード量を
用いているので応答速度が速く、また変動中心と平均値
が一致するために従来の非対称応答に比較して整定時間
が著しく短縮されエネルギー効率が顕著に改善されると
いう利益が発揮される。

また、本発明の制御方法によれば前段の蒸留塔の缶残液
の液位変動または前段の蒸留塔のトップコンデンサーの
後に設けられた液溜部の液位変動に基づき第２蒸留塔へ
供給されるエネルギー量をコントロールしているので、
中間タンク無しの状態でスムーズに流すことができ、既
存設備に容易に適用できるという利点も発揮される。

更に、このような本発明は計算機による自動制御等を用
いて行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の制御方法の適用例を示す
ものである。 １，２：蒸留塔、３，１５：フイード流量調整バルブ、
４，１６：リボイラー、５．１７：蒸気流量調整バルブ
、６，１８：コンデンサー、７，１９：液溜部、８，２
０：リフラツクス流量調整バルブ、９，２１，２７，４
２：製品取出しバルブ、１０，２２：制御器、１１，２
３，４３：液位変動検出器、１ ２ ， ２４ ：原料
流量計、１３，２５：蒸気流量計、１４，２６：リフラ
ツクス流量計、２８：原料フイードライン、２９，３５
：ボトム循環ライン、３０，３６，４１ ：製品取出兼
原料フイードライン、３１，３７：低沸留分取出ライン
、３２，３８：リフラツクスライン、３３，３９：製品
取出ライン、３４，４０：蒸気ライン、ａ，ｂ，ｃ，ｄ
，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，ｊ ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｐ，ｑ
，ｒ，ｓ：信号線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 安定時のピンチ点がフイード位置に近いところにあ
   る蒸留塔の少なくとも２塔以上で構成された蒸留装置の
   制御系に於いて、各蒸留塔への原料フイード量を各蒸留
   塔の安定時のピンチ点近傍の塔内湿度及びリボイラーへ
   の供給エネルギー量ヲ検出し、これらに応じて各蒸留塔
   に供給する原料フイード量を調節し及び第２蒸留塔また
   はそれ以降め蒸留塔のりボイラーへのエネルギー供給量
   を各蒸留塔の前にある蒸留塔の缶残液の液位変動または
   各蒸留塔の前にある塔のトップコンデンサーの後に設け
   られた液溜部の液位変動を検出し、これに応じて各蒸留
   塔への供給エネルギー量を調節することを特徴とする蒸
   留装置の制御方法。