第七章 精馏塔控制.ppt

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1、第七章第七章 精馏塔的控制精馏塔的控制n第一节：概述第一节：概述n第二节：精馏塔的特性（动态和稳态）第二节：精馏塔的特性（动态和稳态）n第三节：精馏塔受控变量的选择第三节：精馏塔受控变量的选择n第四节：精馏塔的基本控制第四节：精馏塔的基本控制第一节 概 述一、一、精馏精馏利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离如石油裂解气含多种成利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离如石油裂解气含多种成分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等耗分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等耗能占能占4050n 沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分n气液平

2、衡气液平衡气相中轻组分浓度高气相中轻组分浓度高 液相中重组分浓度高液相中重组分浓度高n多层塔板连续的气液平衡多层塔板连续的气液平衡提高产品纯度提高产品纯度 塔顶以气相形式抽出塔顶以气相形式抽出轻组分浓度高轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出塔底以液相形式抽出重组分浓度高重组分浓度高 n 塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好第一节 概 述一、精馏一、精馏利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离。如石油裂解气含利用各组分挥发度的不同，进行混合物分离。如石油裂解气含多种成分：甲烷、乙

3、烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、多种成分：甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丙二烯、乙炔、丙炔等，耗能占丙炔等，耗能占40405050n 沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分沸点低的为轻组分、沸点高的为重组分n 气液平衡气液平衡气相中轻组分浓度高气相中轻组分浓度高 液相中重组分浓度高液相中重组分浓度高n 多层塔板连续的气液平衡多层塔板连续的气液平衡提高产品纯度提高产品纯度 塔顶以气相形式抽出塔顶以气相形式抽出轻组分浓度高轻组分浓度高 塔底以液相形式抽出塔底以液相形式抽出重组分浓度高重组分浓度高 n 塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布梯度越大，则传质传热的过程

4、越充分，分离效果越好梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好n 泡点：泡点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物出现第一一定系统压力和液相组成下，液体混合物出现第一个气泡时的温度称为泡点个气泡时的温度称为泡点 露点：露点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化全一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化全部变成饱和气相的温度称为露点。部变成饱和气相的温度称为露点。精馏塔原理示意图精馏塔原理示意图1 1、工艺流程、工艺流程2 2、分类、分类q板式塔板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔筛板塔、泡罩塔、浮阀塔 穿流塔、浮喷塔、浮舌塔穿流塔、浮喷塔、浮舌塔q填料塔填料塔增加气液两相的接触面积增

5、加气液两相的接触面积乱堆填料，规整填料乱堆填料，规整填料3 3、机理复杂、控制难度大、机理复杂、控制难度大多输入多输出，滞后大，变量之间相互关联，机理复杂，控制多输入多输出，滞后大，变量之间相互关联，机理复杂，控制要求高要求高精馏塔物料流程图精馏塔物料流程图二、控制要求二、控制要求 在保证产品质量合格的前提下，在保证产品质量合格的前提下，回收率回收率最高，最高，能耗能耗最低最低 或总收益最大，或总成本最低或总收益最大，或总成本最低1 1、质量指标产品的纯度：、质量指标产品的纯度：二元组分精馏：二元组分精馏：多元组分精馏塔：通常只能控制其中的关键组分的浓度多元组分精馏塔：通常只能控制其中的关键组

6、分的浓度 轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分 重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分2 2、保证平稳操作、保证平稳操作 物料平衡：物料平衡：塔顶产品和塔底产品流量之和应等于进料量，塔顶产品和塔底产品流量之和应等于进料量，塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。能量平衡：能量平衡：进料热量塔底再沸器加热量塔顶产品热进料热量塔底再沸器加热量塔顶产品热量塔底产品热量塔顶冷凝器冷却热量热量损失量塔底产品热量塔顶冷凝器冷却热量热量损失 进料、冷剂、加

7、热剂的控制进料、冷剂、加热剂的控制3 3、约束条件、约束条件 液泛限：液泛限：气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，称为称为“雾沫夹带雾沫夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为流到上层塔板，称为液泛液泛。气相速度的上限称为液泛限。（另。气相速度的上限称为液泛限。（另外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛）外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛）漏液限：漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。度的下限称为漏液限。压力限

8、：压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。临界温差限：临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，不能保证正常传热。不能保证正常传热。4 4、节能与经济性、节能与经济性 回收率：回收率：例如：例如：丙烯丙烯丙烷塔，进料流量丙烷塔，进料流量F F，丙烯含量，丙烯含量E Ei i，塔顶丙烯，塔顶丙烯 产品流量产

9、品流量D D，则丙烯回收率，则丙烯回收率 D/(FED/(FEi i)100100 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。能耗产品纯度回收率的关系能耗产品纯度回收率的关系 能耗不变时，产品纯度能耗不变时，产品纯度，回收率，回收率 保证产品纯度时，能耗保证产品纯度时，能耗，回收率，回收率，但回收率增加，但回收率增加到一定程度时，提高的就不明显了。到一定程度时，提高的就不明显了。保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少些。佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽

10、量少些。4V/F=268产品回收率产品回收率产品纯度（对比）产品纯度（对比）三、精馏塔的扰动分析三、精馏塔的扰动分析（1 1）分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可）分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可以合理的设计控制方案。以合理的设计控制方案。（2 2）各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过）各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。之间又是相互影响的。（3 3）物料平衡影响因素：进料流量）物料平衡影响因素：进料流量 进料组成进料组成 塔顶，塔

11、底产品采出量及组成塔顶，塔底产品采出量及组成 能量平衡影响因素：进料温度能量平衡影响因素：进料温度 再沸器加热量再沸器加热量 冷凝器冷却器冷凝器冷却器 环境温度环境温度 （4 4）可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷）可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷却量，采出量。却量，采出量。不可控扰动：进料流量（主要扰动）不可控扰动：进料流量（主要扰动），进料组成（主，进料组成（主要扰动）要扰动），环境温度，环境温度四、精馏塔控制的特点四、精馏塔控制的特点 多入多出过程多入多出过程 动态响应慢动态响应慢 变量间互相关联变量间互相关联 第二节 精馏塔的特性一、物料平衡和内部的物料平衡（

12、静态）一、物料平衡和内部的物料平衡（静态）全塔的物料、各组分全塔的物料、各组分塔内部各段（进料板、精馏段、提馏段）总物料各组分塔内部各段（进料板、精馏段、提馏段）总物料各组分均应保持物均应保持物料平衡料平衡1、全塔物料平衡、全塔物料平衡对于二元精馏：对于二元精馏：F为进料流量（为进料流量（kmol/h）;D为塔顶馏出液采出量（为塔顶馏出液采出量（kmol/h）B为塔底釡液采出量（为塔底釡液采出量（kmol/h）ZF，xD，xB分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩尔分率。分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩尔分率。解得：解得：（7-3）或或 （7-4）表明：表明：xD与与xB之之间的关系受的

13、关系受F/D（或（或F/B）、）、ZF的影响。的影响。进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分组成关系一定。进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分组成关系一定。xD则xB，反之，反之，xB，xD。例：例：ZF=0.5 要求要求xD0.95,xB=0.05ZF变到变到0.4 时时此时必须减小此时必须减小D才能够达到质量要求才能够达到质量要求2、内部物料平衡、内部物料平衡精精馏塔塔计算中的重要假算中的重要假设：同一塔段（精同一塔段（精馏段或提段或提馏段）的上下塔板气相、液相摩段）的上下塔板气相、液相摩尔流量相同：流量相同：n-1nn+1（1）进料板物料平衡料板物料平衡提提馏段各板

14、：段各板：精精馏段在回流液的温度段在回流液的温度为沸点的情况下沸点的情况下各板：各板：从而从而进料板物料平衡：料板物料平衡：进料料为液相，且液相，且为泡点，泡点，则：进料料为气相，且气相，且为露点，露点，则：F LR VR LS VSF，ZFVRD，XDjxjk VR y j+1 LRVs y k Ls x k-1 LsB,xB物料平衡示意物料平衡示意图q：进料中的液体分率：进料中的液体分率其它情况下的进料较为复杂其它情况下的进料较为复杂，（2）精）精馏段的物料平衡段的物料平衡对于冷凝器：于冷凝器：任意塔板任意塔板j：定定义回流比：回流比：，则：可通可通过回流比回流比R和再沸器蒸汽量和再沸器蒸

15、汽量V内部物料平衡内部物料平衡yj+1回流比回流比R，yx斜率斜率全回流（全回流（R=，D=0）时，yj+1=xj为对角角线精馏段操作线方程（3）提镏段物料平衡）提镏段物料平衡 通过改变再沸器上升蒸汽量、回流量来改变内部物料平衡，通过改变再沸器上升蒸汽量、回流量来改变内部物料平衡，最终改变最终改变yj+1经过点经过点 和点和点提馏段操作线方程再沸器物料平衡：再沸器物料平衡：提馏段任一塔板：提馏段任一塔板：加料板物料平衡：加料板物料平衡：（4）进料热状态的影响和）进料热状态的影响和q线方程线方程加料板热量平衡：加料板热量平衡：两式联立得：两式联立得：令：令：五种进料状态下的五种进料状态下的q值值

16、 冷液进料：冷液进料：hF1泡点液体进料：泡点液体进料：hF=h,q=1汽液混合物进料汽液混合物进料：hhFH,0qH，q0精馏段操作线方程：精馏段操作线方程：q线方程线方程:精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹的方程精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹的方程提馏段操作线方程：提馏段操作线方程：当相交时，两式的变量相同，则当相交时，两式的变量相同，则q一定时，是直线，经过对角线上的一定时，是直线，经过对角线上的 斜率为斜率为 简化了提馏段操作线的绘制简化了提馏段操作线的绘制 q值的不同并不改变精馏段操作线，而只改变提馏段值的不同并不改变精馏段操作线，而只改变提馏段操作线的位置，操作线的位置，q

17、越小，提馏段操作线越靠近平衡线，越小，提馏段操作线越靠近平衡线，所需理论板数越多所需理论板数越多q线方程的作用线方程的作用二、能量平衡关系二、能量平衡关系 1、芬斯克、芬斯克(Fenske)方程方程 全回流时，由各塔板气液平衡关系可以推导出塔顶、塔底产品组成服全回流时，由各塔板气液平衡关系可以推导出塔顶、塔底产品组成服从从Fenske方程方程 n 理论塔板数理论塔板数 平均相对挥发度，与温度、压力有关平均相对挥发度，与温度、压力有关 挥发度：气相中分压与其平衡的液相中的摩尔分率之比，理想溶液中挥发度：气相中分压与其平衡的液相中的摩尔分率之比，理想溶液中各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压。各组分的挥

18、发度等于其饱和蒸汽压。2、分离度、分离度 不是全回流的一般操作条件下，定义分离度：不是全回流的一般操作条件下，定义分离度：(7-15)对于一个既定塔对于一个既定塔 平均相对挥发度平均相对挥发度 理论塔板数理论塔板数 n 塔板效率塔板效率 E 变化不大变化不大 进料板位置进料板位置 进料组分进料组分 对对S的影响比的影响比 小的多小的多从而有：从而有：（7-19）上式可近似为：上式可近似为：即：即：（7-20）（7-21）三、分析：三、分析：1、从物料和能量平衡、从物料和能量平衡（7-3）或（）或（7-4）和（）和（7-21）可知）可知 当当zF一定时，只要保证一定时，只要保证D/F和和V/F一

19、定（或一定（或D/F和和R一定），一定），则则 和和 就确定了就确定了2、进料组成、进料组成zF的变化：通过的变化：通过D/F、V/F来补偿来补偿 例如：例如：进料进料zF 增加，将导致增加，将导致 、都增加，此时可都增加，此时可增加增加D/F和减少和减少B/F补偿，也可减少补偿，也可减少LR，提高，提高VS加以补偿。加以补偿。（7-3）液相泡点进料，液相泡点进料，F增加，增加，LS增加，提馏段操作线斜率增加，提馏段操作线斜率上升，上升，xB增加增加气相露点进料，气相露点进料，F增加，增加，VR增加，精馏段操作线斜率增加，精馏段操作线斜率下降，下降，xD下降。下降。F增加，应按比例改变增加，应

20、按比例改变D,B,LR,VS,使得使得D/F和和R不变不变3、进料流量的变化、进料流量的变化四、二元物系精馏塔的动态特性四、二元物系精馏塔的动态特性 1、假设、假设进料为泡点饱和液相进料为泡点饱和液相采用全冷凝器，塔顶气相全部冷凝后进入回流罐采用全冷凝器，塔顶气相全部冷凝后进入回流罐回流罐内液体完全混合，成分为回流罐内液体完全混合，成分为xD,回流罐液体温度恰好是它的回流罐液体温度恰好是它的泡点温度泡点温度塔底再沸器上升蒸汽量塔底再沸器上升蒸汽量V，塔底和再沸器内的液体完全混合，且，塔底和再沸器内的液体完全混合，且有相同的成分有相同的成分xB,再沸器和塔底的总蓄液量是再沸器和塔底的总蓄液量是M

21、B每块塔板达到充分混合气液相均可作为集中参数系统每块塔板达到充分混合气液相均可作为集中参数系统塔内压力恒定塔内压力恒定每块塔板上的蓄液量是每块塔板上的蓄液量是Mn两组分的摩尔汽化潜热近似相等。两组分的摩尔汽化潜热近似相等。相平衡关系中，相平衡关系中，y与与x满足近似线性关系满足近似线性关系 2、各部分的动态物料平衡式、各部分的动态物料平衡式冷凝器及回流罐总物料平衡冷凝器及回流罐总物料平衡 冷凝器及回流罐易挥发组分物料平衡冷凝器及回流罐易挥发组分物料平衡 精馏段第精馏段第n板板 加料板加料板Ns,易挥发组分的物料衡算式易挥发组分的物料衡算式 提馏段第提馏段第j板易挥发组分的物料衡算式板易挥发组分

22、的物料衡算式 再沸器和塔底总物料平衡算式再沸器和塔底总物料平衡算式 再沸器和塔底易挥发组分的物料衡算式再沸器和塔底易挥发组分的物料衡算式 3、动态模型中变量数与方程数、动态模型中变量数与方程数变量数变量数 各塔板的成分各塔板的成分xn和和yn 2N 回流罐的蓄液量回流罐的蓄液量MD及液相成分及液相成分xD 2 回流量回流量LR和馏出量流量和馏出量流量D 2 再沸器内成分再沸器内成分xB和和yB 2 再沸器上升蒸汽量再沸器上升蒸汽量V和采出量和采出量B 2 再沸器的蓄液量再沸器的蓄液量 MB 1 总变量数：总变量数：2N+9方程数方程数 各塔板易挥发组分的物料衡算式各塔板易挥发组分的物料衡算式

23、N 相平衡关系（各塔板及再沸器）相平衡关系（各塔板及再沸器）N+1 回流罐总物料及易挥发组分的物料衡算式回流罐总物料及易挥发组分的物料衡算式 2 再沸器总物料及易挥发组分的物料衡算式再沸器总物料及易挥发组分的物料衡算式 2 总方程数：总方程数：2N+5q直接质量指标直接质量指标q间接质量指标间接质量指标1、采用温度作为间接质量指标、采用温度作为间接质量指标 成分压力温度成分压力温度 （1）塔顶或塔底温度控制）塔顶或塔底温度控制 （2）灵敏板温度控制）灵敏板温度控制 灵敏板：灵敏板：塔的操作经受扰动作用时，塔的操作经受扰动作用时，塔内各板的组分将发生变化，各板温度塔内各板的组分将发生变化，各板温

24、度也发生变化，一直达到新的稳态时，温也发生变化，一直达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板称为灵敏板度变化最大的那块塔板称为灵敏板 精馏塔温度分布曲线如图所示精馏塔温度分布曲线如图所示 灵敏板位置的确定灵敏板位置的确定精馏塔温度分布曲线精馏塔温度分布曲线第三节 精馏塔受控变量的选择2、采用压力补偿的温度作为间接质量指标、采用压力补偿的温度作为间接质量指标 消除微小压力变化对温度的影响消除微小压力变化对温度的影响（1）温差控制）温差控制 精密精馏中，产品纯度高，两组分精密精馏中，产品纯度高，两组分相对挥发度差值很小，压力引起的温相对挥发度差值很小，压力引起的温度变化要比成分引起的温度变化大，度变

25、化要比成分引起的温度变化大，要考虑温差控制要考虑温差控制 选择两块塔板的温差作为受控变量选择两块塔板的温差作为受控变量 例：异丁烷正丁烷二元精馏塔例：异丁烷正丁烷二元精馏塔 两板之间的温差变化小两板之间的温差变化小 一定程度上温差与成分成单一定程度上温差与成分成单值对应关系值对应关系 压力变化与各板温度分布压力变化与各板温度分布检测点的选择：检测点的选择：一个在塔顶，一个在灵敏板附近一个在塔顶，一个在灵敏板附近温差设定：不能太大温差设定：不能太大 产品纯度与温差之间的关系：非线性产品纯度与温差之间的关系：非线性（2）双温差控制）双温差控制负荷变化成分变化压降变化温差减小温差增加 双温差：精馏段

26、温差提馏段温差双温差：精馏段温差提馏段温差 消除压降变化的影响消除压降变化的影响 控制进料板附近的组成分布，它以保控制进料板附近的组成分布，它以保证工艺上最好的温度分布曲线为出发点，证工艺上最好的温度分布曲线为出发点，来代替单纯地控制塔一端温度或温差来代替单纯地控制塔一端温度或温差Shinskey的三条准则的三条准则（1）当仅需要控制塔的一端产品时应当选用物料平衡方式来控）当仅需要控制塔的一端产品时应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量；制该产品的质量；（2）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量；量；（3）当塔的两端产品均

27、需按质量控制时，一般对含纯产品较少，）当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制q物料平衡控制物料平衡控制q 能量平衡控制能量平衡控制 第四节 精馏塔的基本控制一、产品开环质量控制一、产品开环质量控制适用场合适用场合:控制要求不高，扰动不大的情况控制要求不高，扰动不大的情况1、固定回流量和蒸汽量固定回流量和蒸汽量 当进料流量及其状态恒定时，固定了LR和VS，D和B亦就确定了。2、固定馏出液量

28、固定馏出液量D和蒸汽量和蒸汽量VS 当回流比大的时候，控制D比控制LR有利。3、固定塔底采出固定塔底采出B和回流量和回流量LR 二、提馏段温度控制二、提馏段温度控制 适用场合适用场合:q 塔底产品为主要产品塔底产品为主要产品q 进料全部为液相，此时干扰首先进入提馏段进料全部为液相，此时干扰首先进入提馏段q 实际操作回流比较最小回流比大好多倍时实际操作回流比较最小回流比大好多倍时（1）能量平衡控制）能量平衡控制 受控变量：塔温受控变量：塔温T、塔压、塔压P、塔底液位、塔底液位LB、回流罐液位、回流罐液位LD、回流量回流量L 操纵变量：塔顶产品流量操纵变量：塔顶产品流量D、塔底产品流量、塔底产品流

29、量B、再沸器加热、再沸器加热蒸汽量蒸汽量H、冷凝器冷却量、冷凝器冷却量C、回流量、回流量L 变量的配对变量的配对 TH、C、L控制控制 PH、C控制控制 L对压力影响小，对压力影响小，B，D为液相，对塔压影响小为液相，对塔压影响小 塔顶产品相当不纯和冷凝器平均温差很小时，塔顶产品相当不纯和冷凝器平均温差很小时，H增大，塔压增大，塔压增大，同时气相中重组分增加，重组分在冷凝器中更易冷凝，又增大，同时气相中重组分增加，重组分在冷凝器中更易冷凝，又降低塔压降低塔压 LB B、H控制控制 LDH、D、C控制控制 可能的控制方案如下表可能的控制方案如下表方案序号操纵变量DBHCL1受控变量LDLBTPL

30、2LDLBPTL3LDLBPCT4LDLBHPT说明：说明：q 方案方案1可以采用可以采用q 方案方案2用用C控制控制T，条件稳定系统，不采用。对提馏段温控不适合，条件稳定系统，不采用。对提馏段温控不适合，T对对C的响应滞后太大的响应滞后太大q 方案方案3、4用用L控制控制T，不适合于提馏段温控，不适合于提馏段温控 图图722：方案：方案1的控制流程图的控制流程图q 优点：滞后小、反应迅速，对克服进入提馏段的扰动和保证塔底产优点：滞后小、反应迅速，对克服进入提馏段的扰动和保证塔底产品质量有利品质量有利q 缺点：物料平衡与能量平衡之间有一定的关联缺点：物料平衡与能量平衡之间有一定的关联（2）物料

31、平衡控制）物料平衡控制 受控变量：塔温受控变量：塔温T、塔压、塔压P、塔底液位、塔底液位LB、回流罐液位、回流罐液位LD、回流量、回流量L 操纵变量：塔顶产品流量操纵变量：塔顶产品流量D、塔底产品流量、塔底产品流量B、再沸器加热蒸汽量、再沸器加热蒸汽量H、冷凝器冷却量冷凝器冷却量C、回流量、回流量L 变量的配对变量的配对 TB，D控制控制 PH、C控制控制 LBH、B控制控制 LDH、D、C控制控制一种常见的控制方案如下表：一种常见的控制方案如下表：方案序号操纵变量DBHCL5受控变量LDTLBPL 图图724 物料平衡控制方案物料平衡控制方案q 优点：物料平衡与能量平衡之间的关联最小优点：物

32、料平衡与能量平衡之间的关联最小q 缺点：滞后较大，且液位控制回路存在反向特性缺点：滞后较大，且液位控制回路存在反向特性适用于适用于BD且且B20%V的塔的塔三、精馏段温度控制三、精馏段温度控制 适用场合适用场合:q 塔顶产品为主要产品塔顶产品为主要产品q 进料全部为气相进料全部为气相q 或塔底、提馏段塔板温度不能很好的反映成分变化或塔底、提馏段塔板温度不能很好的反映成分变化（1）能量平衡控制）能量平衡控制 一种可行控制方案如方案一种可行控制方案如方案6：方案序号操纵变量DBHCL6受控变量LDLBHPT 图图719：方案：方案6的控制流程图的控制流程图q 优点：滞后小，反应迅速，对克服进入精馏

33、段的干扰和保证塔顶产优点：滞后小，反应迅速，对克服进入精馏段的干扰和保证塔顶产品质量有利品质量有利q 缺点：物料平衡与能量平衡之间关联较大缺点：物料平衡与能量平衡之间关联较大适用于适用于L/D0.8的塔的塔（2）物料平衡控制）物料平衡控制一种常见的控制方案如下表：一种常见的控制方案如下表：方案序号操纵变量DBHCL7受控变量TLBHPLD 图图721 方案方案7的控制流程图的控制流程图q 优点：物料平衡与能量平衡之间的关联最小优点：物料平衡与能量平衡之间的关联最小 产品不合格时可自动切断产品产品不合格时可自动切断产品q 缺点：滞后较大，特别当回流罐很大时缺点：滞后较大，特别当回流罐很大时适用于

34、适用于D很小，回流罐容积适当的情况很小，回流罐容积适当的情况四、物料平衡控制与能量平衡控制的比较四、物料平衡控制与能量平衡控制的比较q 回流比较高时，顶部产品量相对塔内气相和液相流量相比较小，宜回流比较高时，顶部产品量相对塔内气相和液相流量相比较小，宜采用物料平衡控制，同理，当塔底产品量较小时，也采用物料平衡控采用物料平衡控制，同理，当塔底产品量较小时，也采用物料平衡控制。制。q 采用物料平衡控制，具有对再沸器加热量和进料热焓等能量扰动不采用物料平衡控制，具有对再沸器加热量和进料热焓等能量扰动不灵敏的优点。使塔的抗干扰能力增加，减少这些能量扰动对塔内部能灵敏的优点。使塔的抗干扰能力增加，减少这

35、些能量扰动对塔内部能量关系的影响。量关系的影响。q 在对进料流量等扰动设置前馈控制系统时，采用物料平衡控制的在对进料流量等扰动设置前馈控制系统时，采用物料平衡控制的方案，可以方便的按照物料平衡和能量关系式建立静态前馈模型。方案，可以方便的按照物料平衡和能量关系式建立静态前馈模型。q 采用物料平衡控制，当产品不合格时，可自动关闭出料阀（即全回采用物料平衡控制，当产品不合格时，可自动关闭出料阀（即全回流状态），自动切断产品流出。流状态），自动切断产品流出。q 物料平衡控制的响应比较缓慢，特别当回流罐较大时。一种改进的物料平衡控制的响应比较缓慢，特别当回流罐较大时。一种改进的方案如下图所示方案如下图

36、所示q 物料平衡控制是通过改变产品产量来进行控制的，可能对下一工序物料平衡控制是通过改变产品产量来进行控制的，可能对下一工序产生影响。此时应采用能量平衡控制，并对产品产量进行均匀控制产生影响。此时应采用能量平衡控制，并对产品产量进行均匀控制克服回流罐滞后的改进方案克服回流罐滞后的改进方案4、精馏塔的压力控制、精馏塔的压力控制影响因素：加热蒸气量、冷却剂流量、回流罐排气量、进料流量、成分和影响因素：加热蒸气量、冷却剂流量、回流罐排气量、进料流量、成分和温度的变化、回流量、回流液温度等温度的变化、回流量、回流液温度等精馏可在常压、减压、加压的情况下进行精馏可在常压、减压、加压的情况下进行（1）加压

37、塔的控制）加压塔的控制q 液相采出，馏出物中含有大量不凝物液相采出，馏出物中含有大量不凝物q 液相采出，馏出物中含有少量不凝物液相采出，馏出物中含有少量不凝物 当塔顶气相中不凝性气体量小于塔顶气当塔顶气相中不凝性气体量小于塔顶气相总流量的相总流量的2，或在塔的操作中，预计只，或在塔的操作中，预计只有部分时间产生干气时，就不能采用控制不有部分时间产生干气时，就不能采用控制不凝物排放量来保持塔顶压力凝物排放量来保持塔顶压力 采用冷却剂流量作为操纵变量，并采取采用冷却剂流量作为操纵变量，并采取分程控制分程控制q 液相采出，馏出物中含有微量不凝液相采出，馏出物中含有微量不凝物物 q 气相采出时气相采出

38、时 （2）减压塔的控制）减压塔的控制 泵抽真空泵抽真空（3）常压塔的控制）常压塔的控制可在回流耀或冷凝器上设置一个通大气的管道来平衡压力。可在回流耀或冷凝器上设置一个通大气的管道来平衡压力。六、复杂控制系统在精馏塔中的应用六、复杂控制系统在精馏塔中的应用实际精馏塔中，复杂控制系统是经常被采用的实际精馏塔中，复杂控制系统是经常被采用的1、串级控制系统、串级控制系统 q 以回流量、再沸器加热蒸汽量、塔顶采出量等为副变量以回流量、再沸器加热蒸汽量、塔顶采出量等为副变量q 直接质量指标对灵敏板温度的串级直接质量指标对灵敏板温度的串级q 串级结构的均匀控制串级结构的均匀控制2、前馈控制系统、前馈控制系统

39、 q 克服进料扰动克服进料扰动 前馈模型：前馈模型：保证保证D/F和和V/F恒定，即可保证产品的纯度，即克服恒定，即可保证产品的纯度，即克服F的扰动的扰动精馏塔的前馈反馈控制方案图如下：精馏塔的前馈反馈控制方案图如下：图图1132：精馏塔的前馈反馈控制方案图：精馏塔的前馈反馈控制方案图q 强迫内部平衡作用强迫内部平衡作用 物料平衡控制中，使物料平衡控制中，使LR随随D的变化而变化的变化而变化 图图1132：强迫内部平衡作用的前馈反馈控制方案：强迫内部平衡作用的前馈反馈控制方案3、选择性控制系统、选择性控制系统 q 满足某些约束条件的制约满足某些约束条件的制约例：防液泛和漏液例：防液泛和漏液 限

40、制再沸器加热蒸汽量在一定范围限制再沸器加热蒸汽量在一定范围 高值限幅和低值限幅高值限幅和低值限幅例：利用塔压差来控制液泛例：利用塔压差来控制液泛 压差过大，引起液泛压差过大，引起液泛 压差和产品成分的选择性控制，压差和产品成分的选择性控制，AC 正作用，正作用，PdC反作用，低反作用，低选器选器3、选择性控制系统、选择性控制系统 例：精馏塔自动开停车中应用例：精馏塔自动开停车中应用 开车阶段：开车阶段：塔顶：液位控制器通过塔顶：液位控制器通过LS取代压力控制器建立回流罐液位取代压力控制器建立回流罐液位 塔底：再沸器流量控制器与纯积分调节器的低选，避免突然塔底：再沸器流量控制器与纯积分调节器的低

41、选，避免突然开大蒸汽调节阀开大蒸汽调节阀 温度低限控制器：温度低限控制器：在开车阶段，防止塔底温度没达到规在开车阶段，防止塔底温度没达到规定值时输出不合格产品。在塔底温度没有达到规定值但塔底已有液位定值时输出不合格产品。在塔底温度没有达到规定值但塔底已有液位时，通过低选器取代液位调节器将培底部出料阀关闭。直到温度达到时，通过低选器取代液位调节器将培底部出料阀关闭。直到温度达到规定值，液位调节器才起正常调节作用规定值，液位调节器才起正常调节作用 液位高限控制器：液位高限控制器：与进料流量控制器的低选，与进料流量控制器的低选，T没达到没达到要求（此时不能通过增加要求（此时不能通过增加B的流量来降低

42、液位）而液位过高时，使进的流量来降低液位）而液位过高时，使进料量减少。料量减少。停车阶段：停车阶段：进料切断进料切断塔顶产品调节阀关闭（全回流），加热蒸汽塔关塔顶产品调节阀关闭（全回流），加热蒸汽塔关闭闭塔内物料全部转到塔底，由塔底温度低限控制器来控制产品调节塔内物料全部转到塔底，由塔底温度低限控制器来控制产品调节阀阀七、优化在精馏塔控制中的应用七、优化在精馏塔控制中的应用1 1、什么是优化、什么是优化p核心是使一个目标函数核心是使一个目标函数J最大或最小，如成本最低，收益最大。最大或最小，如成本最低，收益最大。p目标函数往往与经济效益有关目标函数往往与经济效益有关p最优值可以是最大，也可是最

43、小最优值可以是最大，也可是最小p目标函数取决于一些可以调整的自变量（操作变量），和一些环境条件变量。目标函数取决于一些可以调整的自变量（操作变量），和一些环境条件变量。p约束条件的存在约束条件的存在四个要素：目标函数、约束条件（模型）、操作变量的选择、最优化策略四个要素：目标函数、约束条件（模型）、操作变量的选择、最优化策略2 2、过程控制中优化的分类、过程控制中优化的分类p最优控制（控制优化）最优控制（控制优化）动态优化，目标函数为动态性能指标，如动态优化，目标函数为动态性能指标，如ISE,ITAE,IAE,二次型函数二次型函数p操作优化操作优化 稳态优化，目标函数往往体现的是经济效益稳态优

44、化，目标函数往往体现的是经济效益 给出控制器的设定值给出控制器的设定值p生产计划与调度的优化生产计划与调度的优化 计划年、季度、月的产量，以及原料、辅料、水、电、燃料、人力的需要计划年、季度、月的产量，以及原料、辅料、水、电、燃料、人力的需要 调度是计划的具体实现方案，确定每一时刻、每个设备的生产内容和任务，调度是计划的具体实现方案，确定每一时刻、每个设备的生产内容和任务，并确定原料、燃料、水电的调配等并确定原料、燃料、水电的调配等3、精馏塔优化控制举例精馏塔优化控制举例 目标函数：成本函数目标函数：成本函数 数学模型：物料平衡方程，能量平衡方程数学模型：物料平衡方程，能量平衡方程 优化策略：

45、优化策略：操作变量的选择：塔顶馏出液采出量，再沸器加热蒸汽量操作变量的选择：塔顶馏出液采出量，再沸器加热蒸汽量八、综合自动化系统八、综合自动化系统 CIMS（计算机集成制造系统，（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System)CIPS（计算机集成过程系统，（计算机集成过程系统，Computer Integrated Process System)企业生产的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理、到销企业生产的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理、到销售直至售后服务，作为一个整体考虑，数据的充分传递、共享，实现总体经售直至售后服务，作为一个整体考虑，数据的充分传递、共享，实现总体经济效益的最优。济效益的最优。综合自动化系统的原理框图综合自动化系统的原理框图