精馏塔的节能控制-毕业设计说明书.doc

毕业设计题 目：精馏塔节能控制方案的设计与实施 姓 名： 陈双学 号： 指导教师(职称)： 陈国平(副教授) 专 业： 自动化(过程自动化方向)班 级： 2009级01班所 在 学 院： 电气信息学院 2013年5月目 录摘 要 . IIAbstract . III第一章 绪论. 11.1 精馏塔概述. 11.2 PLC概述.4第二章方案设计.72.1 对象特性分析.72.2 控制目标的实现问题.112.3 控制方案的实施.13第三章硬件设计.233.1 PLC的硬件结构.233.2 PLC的选型.243.2 仪表的选型.25第四章软件设计.274.1 STEP7软件编程.274.2 控制方案的编程实现.30总 结 .35致 谢 . 37参考文献 .39附录一 .41附录二 .49附录三 .51摘 要 本次设计的对象为精馏塔，要求在保证乙醇精馏所得产品的质量指标合格的前提下实现乙醇分馏过程的节能控制。根据精馏塔的对象特性和乙醇精馏过程的控制目标及要求，通过选取乙醇精馏过程中的不同参数为被控变量以实现相应的控制，本次设计共设计出了两套不同的控制方案。这两套控制方案均包含针六个控制模块，这些模块分别对应于精馏塔不同部分控制要求。这些控制模块中用到的控制策略有串级控制、前馈反馈控制、反馈控制。其中，方案一有五个控制模块为串级控制系统、一个模块为前馈反馈控制系统，方案二有四个控制模块为串级控制系统、一个控制模块为前馈反馈控制系统、一个控制模块为反馈控制系统。将这两套控制方案进行分析，比较二者对产品质量指标和节能指标控制的理论效果，得出最优控制方案。然后用S7-300软件对控制方案进行编程实现及功能仿真以确认分析结果。关键词：节能控制；串级控制；前馈反馈控制；反馈控制；可编程逻辑控制器AbstractThe design is aimed at energy-saving control for the rectifying tower of the ethanol fractionation process, premise which the quality indicators of the product from the ethanol distillation must be satisfied. According to the properties of the rectifying tower and the control objectives and requirements there are two control schemes which choose different parameters of the ethanol distillation process as the controlled variables to realize corresponding control objectives. The two schemes both include six Control modules for the requirements of the different parts of the rectifying tower which use control strategies like cascade control, feedforward - feedback control and feedback control. The scheme one has five cascade control systems and one feedforward - feedback control system, while the scheme two has four cascade control systems and one feedforward - feedback control system and one feedback control system. And then, the design will make an analysis of the two schemes and decide the better control scheme by comparing their expectations of product quality indicators and energy-saving indicators, and make sure the result by programming and simulating the control schemes with S7-300.Keywords：energy-saving control; cascade control; feedforward - feedback control; feedback control; PLC第一章 绪论 精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵变量也多。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，二是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。本次设计主要是针对乙醇的精馏过程，要求低浓度的乙醇分馏后得到乙醇浓度为75%的产品(塔顶馏出物)。分馏过程中选取的操作变量不同，设计出的控制方案也会不尽相同，本次设计的目的就是设计乙醇精馏的控制方案并分析比较各个方案最终得到节能效果最好的方案。控制方案确定之后，本次设计还会对控制方案进行编程实现和仿真分析，主要工具为西门子S7-300软件，后续章节会对本次设计的方案设计、硬件设计、软件设计等进行详细叙述。本章节主要是对被控对象精馏塔和方案编程实现所需的工具进行简要描述。1.1 精馏塔概述1.1.1精馏塔的工作原理精馏是一种使用广泛的分离混合物的方法，它是利用液体物质挥发度的不同，在塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝，来实现提高所需要物质纯度的。精馏用于许多工业领域，如生产汽油、蒸馏水、二甲苯、乙醇、石蜡、煤油和许多其他物质。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。精馏塔的主要组成部件有塔壳、填充件、冷凝器和再沸器。塔壳用于提供精馏所需密闭的场所；填充件，如塔盘或填料，用以强化组分的分离；再沸器用于提供必要的热量使液体蒸发；冷凝器用于冷却和冷凝从塔顶部出来的蒸气；回流罐可以使冷凝下来的液体回流到塔内，并出产品。精馏塔的工作实质是利用混合物中各组分的挥发度不同，即在同一温度下各组分的蒸汽压力不同之一性质，使液相中的轻组分和汽相中的重组分互相转移，从而实现分离的目的1。精馏塔的具体工作流程为：蒸气由塔底进入，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)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，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，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，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，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。1.1.2精馏塔分类精馏塔按塔内填充物的类型分为板式塔和填料塔。二者的区别为：(1)在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，从塔顶下来的液体，与底部上来的气体在塔盘上接触，进行物质和热量的交换，两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化，从而实现分离；(2)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。蒸气和液体之间在填料的表面进行接触，从而实现分离。填料塔又分为散堆填料和规整填料两种。筛板塔虽然结构较简单，适应性强，宜于放大，在空分设备中被广泛采用。但是，随着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔的趋势。    规整填料由厚约0.22mm的金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸气相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面积约是填料为筛板的30倍，液氧持留量仅为筛板的35%40%。而且，因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向浓度梯度的问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气体穿过填料液膜的压差比穿过筛板液层的压差要小得多，约只有50Pa。上塔底部压力的下降，必然可导致下塔压力降低，进而主空压机的出口压力相应降低，使整套空分的能耗降低。同时，规整填料液体的滞留量小，因此，对负荷变化的应变能力较强。归纳起来，规整填料塔与筛板塔相比，有以下优点：(1)压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/51/6；(2)热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；(3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%110%，筛板塔的调节范围在70%100%；(4)液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；(5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5%左右；(6)塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高10%15%。规整填料精馏塔一般分为35段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为110160mm，而规整填料的等板高为250300mm，因此填料塔的高度会增加。 一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于50mg/m2。在这样条件下，可认为铝填料塔和铝筛板塔用于氧精馏是同样安全的。当然，规整填料的成本要比筛板塔高，塔身也较高。但是，它的优点是突出的，所以，进入90年代后，许多空分设备生产厂首先在上塔和氩塔用规整填料塔替代了筛板塔，并且有进一步在下塔中也加以采用的趋势。精馏塔根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔2。间歇精馏塔采用间歇精馏操作方式，它具有操作灵活的特点。间歇精馏操作方式适用于混合液的分离要求较高而料液品种或组成经常变化的工作场合。连续精馏塔采用连续精馏操作方式，相比之下，连续精馏过程中料流连续进塔。它的特点是处理量大，是最常见的操作类型。我们主要讨论这种精馏方式。按处理的进料组分，连续精馏可划分为：(1)二组分精馏：进料只包含两个组分；(2)多组分精馏：进料包含两个以上的组分。如果另有其它进料时，连续精馏又可分为：(1)萃取精馏：向精馏塔顶连续加入高沸点添加剂，改变料液中被分离组分间的相对挥发度，使普通精馏难以分离的液体混合物变得易于分离的一种特殊精馏方法；(2)共沸蒸馏：两组分的挥发度非常接近时，需加入第三种组分，以提高各组分间相对挥发度的差别2。1.1.3精馏塔的应用及发展现状塔设备的广泛应用是伴随着十九世纪初期迅猛发展的炼油工业，并且随着炼油和石化企业的不断发展而成为主导的工业单元操作过程。设备塔的发展经历了五个发展阶段，如图1.1所示。 图1.1 精馏塔内件的发展 从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高的要求。伴随着炼油、石油加工和化学加工工业的历史发展，为了适应生产的需要，在不同历史时期相继成功地开发出数百种不同汽液接触结构、不同汽液流动型式的塔内件构型，以适应不同操作压力、设备规模、物系性质、操作特性和不同生产要求等的广谱的精馏过程。与之相应的大量的设备流体力学、传质特性的基础研究。在这些研究工作和工程经验不断积累的基础上，当今精馏塔的设计成功率已接近100%。当前填料塔技术已经基本可以满足不远未来的需求；国内外现有板式塔设备技术的发展是在传统简单机制技术基础上的深化和完善，并在当前工业应用中表现出优良的操作性能，获得了可以满足现有生产要求的操作效果，而板式塔技术依然是未来发展的主流。 精馏塔是石油、化学加工工业中使用量最大、能耗最高、应用面极广的分离单元操作设备，在如今资源日趋匮乏的时代，探讨其节能控制方案对石油、化学加工的发展意义重大。1.2 PLC概述1.2.1 PLC在工控中的应用及发展PLC(Programmable Logic Controller)是一种工业控制装置，中文名称为可编程控制器。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置3。上世纪60年代末，美国通用汽车公司为了汽车工业发展的需要，提出需要这样一种控制设备，即(1)它的继电控制系统设计周期短，更加容易，接线简单，成本低；(2)它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来，但编程又比计算机简单易学，操作方便；(3)系统通用性强。1968年，GM公司提出十项设计标准：(1)编程简单，可在现场修改程序；(2)维护方便，采用插件式结构；(3)可靠性高于继电器控制柜；(4)体积小于继电器控制柜；(5)成本可与继电器控制柜竞争；(6)可将数据直接送入计算机；(7)可直接使用115V交流输入电压；(8)输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；(9)通用性强，扩展方便;(10)能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB4。1969年美国DEC公司研制出第一台可编程控制器3，实现了上述的控制功能，但实际上只能进行逻辑运算，故称为“可编程逻辑控制器”，简称为PLC。20世纪80年代，由于计算机和微电子技术的迅猛发展，使得PLC功能日益增强，可进行模拟量控制、位置控制和PID控制等。所以现在的PLC 的功能已远远超出逻辑控制的功能，故称为“可编程控制器”，简称PC，但为了不和个人计算机混淆，故仍习惯用PLC 作为可编程控制器的缩写3。国际电工技术委员会IE(International Electro-technical Commission)分别于1982年11月和1985年1月颁布了PLC的第一稿和第二稿标准。以后PLC开始向小型化、高速度、高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在80年代工业控制领域中占据着主导地位。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。1987年，国际电工委员会(IEC)定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计5。PLC具有如下特点：(1)无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 ；(2)通用性强，控制程序可变，使用方便；(3)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；(4)编程简单(常用编程语言有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图和高级语言等)，容易掌握；(5)系统的设计、安装、调试工作量少；(6)维修工作量小，维护方便；(7)体积小，能耗低。由于这些特点，PLC在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业得以广泛应用，并成为现代化控制的三大支柱(即PLC、机器人和计算机辅助设计/制造)之一。现在PLC的发展趋势大体为：(1)向高速度、大容量、多种类发展；(2)丰富编程语言，开发用户友好界面；(3)开发智能模块；(4)加强联网通讯能力；(5)予留现场总线接口(现已有产品应用，如：SIEMENSSIMATICS7-400)；(6)拥有智能诊断等功能；(7)保护功能加强，有效保护用户信息，防止非法复制、修改；(8)对现场环境的适应能力更强7。目前PLC生产厂家很多，较出名的有三菱、西门子、欧姆龙、松下等，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致相同，主要组成部分包括CPU、RAM、ROM和输入/输出单元(I/O单元)、电源、编程器等。本次设计选用的是西门子公司的S7-300PLC。1.2.2 PLC工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。PLC的工作过程可分为五个阶段：自诊断阶段、与计算机或编程器等通信阶段、输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段。这五个阶段称为一个扫描周期。在PLC中，用户程序按照先后顺序存放在PLC中，工作时CPU从第一条指令开始执行，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始，不断循环。采用循环扫描的工作方式，是PLC 区别于微机和其他控制设备的最大特点。1.2.3 PLC的分类按照PLC中I/O 接口数的多少， PLC 分为超小型机 (64点以内)、小型机(64-256)、中型机(256-2048)和大型机(2048以上)5。按结构形式分，PLC可分为整体式PLC、模块式PLC、紧凑式PLC5。整体式PLC将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，它具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。紧凑式PLC兼具整体式和模块式的特点。按功能分，PLC分为低档PLC 、中档PLC和高档PLC。低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。中档PLC除了具有低档PLC功能外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能，有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC除了具有中档机功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等功能，高档PLC机具有更强的通信联网功能。图1.2. PLC的外观图第二章 方案设计2.1 对象特性分析一个典型的精馏装置，单一进料和两个采出产品的示意图如图2.1所示。图2.1 典型精馏装置精馏装置中，各个部分的配置如下：(1)再沸器、冷凝器、冷却器等换热设备的配置：再沸器的配置与所采用的加热方式有关，通常采用间接蒸汽加热，但有时也采用直接蒸汽加热；(2)冷凝器型式多采用列管式换热器，从经济核算的观点考虑，对于小塔，当面积小时常将冷凝器直接放在塔顶或塔顶附近，而当处理量较大时则将冷凝器移至地面，然后再用泵强制回流。对被控对象的特性有了充分的认识，才能根据相应的控制要求设计出合理的控制方案。精馏塔的对象特性分为静态特性和动态特性。2.1.1 精馏塔的静态特性由参考文献1可知，精馏塔的静态特性可以通过分析塔的基本关系来表述，即物料平衡和能量平衡关系。以图2.2所示的二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。1物料平衡关系 一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。图2.2所示的精馏过程，其物料平衡关系为：总物料平衡 (2.1)轻组分平衡 (2.2)由式(2.1)和(2.2)联立可得： 或 (2.3) 式中 、分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量； 、分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 同样也可写成： (2.4) 从上述关系可看出：当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即、下降。而当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即、上升。 然而，在(或)一定，且一定的条件下并不能完全确定、的数值，只能确定与之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定与两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。2能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度可用下式表示： (2.5) 从式(2.5)可见：随着分离度的增大，而减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量和进料量的比值等。对于一个既定的塔来说： (2.6) 式(2.6)的函数关系也可用一近似式表示： (2.7) 或可表示为： (2.8) 式中为塔的特性因子。 由式(2.7)、(2.8)可以看出，随着增加，值提高。也就是增加，下降，分离效果提高了。由于是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要和一定，这个它的分离结果，即与将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的1。精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。 图2.2二元简单精馏过程图 图2.3二元精馏塔第块塔板物料流动情况2.1.2 精馏塔的动态特性1动态方程的建立 精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。由参考文献1可知，要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。以图2.3所示二元精馏塔第块塔板为例说明如何建立单板动态方程。 总物料平衡： (2.9) 轻组分平衡： (2.10) 式中:表示回流量，下标指回流液来自哪块板；表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；指液相的蓄存量；分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。 2. 动态影响分析 通过上面的讨论，可知精馏塔动态方程的建立是复杂的，尤其建立一个精确而又实用的动态方程更是具有一定的难度。因此从定性的角度来分析精馏塔的动态影响，对合理设计控制方案有积极的指导意义。 (1)上升蒸汽和回流的影响 在精馏塔内，由于上升蒸汽只需克服塔板上极薄覆盖的液相阻力，因此上升蒸汽量的变化几秒钟内就可影响到塔顶，也就是说上升蒸汽流量变化的影响是相当快的。 然而由塔板下流的液相有相当大的滞后。当回流量增加时，必须先使积存在塔板上的液相蓄存量增加，然后在这增加的液体静压柱的作用下，才使离开塔板的液相速度增加，所以对回流量变化的响应存在着滞后。 由此可得出这样的结论：要使塔上的任何一处(除塔顶塔板外)的气液比发生变化，用再沸器的加热量作为控制手段，要比回流量的响应快。 (2)组分滞后的影响 和的变化，引起和的变化，都是通过每块塔板上组分之间的平衡施加影响的结果。由于组分要达到静态平衡需要一定的时间，所以尽管的变化可较快影响到塔顶，但要使塔顶组分浓度变化达到一个新的平衡仍要经过不少的时间。同样的变化也是一样。且需花费更多的时间。 组分滞后的影响是由于塔板上的组分要等到影响组分的液相或气相流量稳定较长时间后才能建立平衡。随着塔板上液相蓄存量的增加，组分滞后增加。因此塔板数的增加及回流比的增加，均会造成塔板上液相蓄存量的增加，从而导致组分的滞后也增加。当再沸器加热量的增加而引起的增加，通过改善气、液接触，可以减少组分的滞后。 (3)回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响 由物料平衡关系可知：在一定的情况下，改变和均能引起和的变化。实际上的变化是通过的变化(在回流罐液位不变时)才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量和。然而，回流罐有一定的蓄液量，从变化到的变化会产生滞后。同样的变化也是通过的变化(在塔釜液位不变时)才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量和。塔釜的蓄液量也会使的变化到的变化产生滞后，通常塔釜截面积要比回流罐小得多，所以，由于塔釜蓄液量引起的滞后要比回流罐的蓄液量引起的滞后小。 2.2 控制目标的实现问题2.2.1 控制要求分析要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标1。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，即使总收益最大，成本最小。精馏塔的控制目标一般从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。而任何精馏塔的操作情况同时受约束条件的制约，因此，精馏塔的控制要求还可以考虑约束条件的影响1。 1.质量指标精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。对于多元精馏而言，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。产品组分含量并非越纯越好，原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求就越高，操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使用要求适应。2.物料平衡控制进出物料平衡，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回流罐与塔釜液位一定(介于规定的上、下限之间)为目标的。3.能量平衡和经济平衡性指标要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。4.约束条件精馏过程是复杂传质传热过程。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。 气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。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的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。 操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。 临界温度限：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。本次设计主要是在保证产品质量合格的前提下，使塔的能耗最低，故主要考虑质量指标和能量消耗这两个方面。本次设计的控制对象为二元精馏，质量指标要求塔顶产品中轻组分乙醇的含量为75%。2.2.2扰动分析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15。影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、塔底换热器加热量和塔顶冷却器冷却量的变化及塔的环境温度的变化等。 扰动有可控的也有不可控的。 (1)进料流量和进料成分 进料流量通常不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。这时，可将进料流量作为前馈信号，对进料量的扰动进前馈控制。 进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也是难以测量的。 (2)进料温度和进料热焓值 进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。控制策略是采用进料管道口的温度为主变量，塔底换热器加热蒸汽流出管道口处的温度为副变量，构成串级控制系统实现对进料温度和进料热焓值的控制。 (3)塔底换热器加热蒸汽压力 塔底换热器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。控制策略是以加热蒸汽的流量作为副变量，釜内差压作为主变量，构成串级控制系统实现对加热蒸汽压力的控制。 (4)冷却水压力和温度 冷却水的压力和温度变化对系统的稳定性影响不大，但冷却水的流量却会影响塔顶馏出物的温度。一般塔顶馏出物出口处温度一定时，馏出物流量越大，需要的冷却水的量也就越多，所以，可以选取冷却水的流量为副变量，塔顶馏出物的流量为主变量，构成串级控制系统实现相应的控制目标。或者，选取冷却水的流量为副变量，馏出物出口处的温度或者乙醇浓度为主变量，构成串级控制系统，实现相应的控制目标。 (5)环境温度 环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。2.2.3节能的可行性分析精馏塔是石油、化学加工工业中使用量最大、能耗最高、应用面极广的分离单元操作设备。精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵变量也多。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，二是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。由精馏过程可得乙醇分流过程的能量流程图(热能)：电加热器原料液高浓度乙醇分馏液冷却水图2.4 能量(热能)流程图由能量流程图可知：可节能部分：塔顶换热器中的预热部分，可提高能量的利用率能量浪费部分：塔顶冷却器中冷却部分，能量流失除了消耗热能的部分外，消耗电能的部分有电加热器、泵和仪表。由精馏塔静态特性分析可知，塔内上升蒸汽量和进料量的比值增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。因此，在精馏塔的控制方案设计中，保证塔内上升蒸汽量和进料量的比值在合理的范围内，即可实现在保证产品质量的前提下达到节能控制的目的。在本次设计中，塔内上升蒸汽量与电加热器的耗电量及塔内的温度有关，所以可以通过控制电加热器和塔内温度及进料量来实现精馏塔的节能控制。节能的思考方向为：(1)预热部分：提高流经塔底换热器中被预热的原料流量，减少不预热原料的流量，可以减少电加热器的耗电量，提高热能的利用率。(2)冷却部分：降低高浓度乙醇流出精馏塔时携带的热量，可以减少塔顶冷却器需要的冷水量和泵P103使用的电量。2.3 控制方案的实施2.3.1控制流程概述原料罐中的原料(低浓度的乙醇)经泵P101流至压力指示仪表FI101后，分成两个部分，一部分流至塔底换热器进行预热，另一部分流经阀UV101后，与预热后的那部分汇合，混合夜温度由温度指示仪表TI101测量显示。混合液流经阀UV102后进入电加热器内进行加热分馏。 加热器中，低浓度的乙醇原料受热后产生乙醇蒸汽和水蒸气，混合蒸汽从加热器上部出口流至塔顶冷却器，加热器上部出口处混合蒸汽温度由温度指示仪表TI103测量显示，混合蒸汽压力由压力指示仪表PI102测量显示。因乙醇较水更易挥发，所以被加热器分馏后的原料液乙醇浓度比分馏前的乙醇浓度更低。分馏后的原料液从