第七部分精馏塔的控制new方案

1、7 精馏塔的控制7.1 精馏塔的控制要求和扰动分析7.2 精馏塔的特性7.3 精馏塔的根本控制7.4 复杂控制系统在精馏塔中的应用精馏塔的控制本章讨论精馏塔的控制精馏是被应用极为广泛的传质传热过程精馏的目的是将混合物中的各组分别离利用不同组分有不同的挥发度来别离各组分即轻组分的挥发度大，易挥发重组分的挥发度小，不易挥发精馏是在精馏塔的装置中进行的本章重点分析精馏塔过程的控制，包括变量和扰动分析，控制方案和应用等 7.1 精馏塔的控制要求和扰动分析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，实现组分的别离。分类：按组分(二元精馏和多元精馏)； 按挥发度分(一般精馏和特殊精馏); 按结构分

2、(板式塔、填料塔)。 按操作的连续性分类(连续精馏和间歇精馏)。精馏过程设备： 再沸器 冷凝器 精馏塔。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，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂，例如，非线性、时变、关联；控制方案多样，例如，同一被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面广等。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。7.1 精馏塔的控制要求和扰动分析一、精馏塔的控制要求1.质量指标：2.产品质量3.约束条件二、精馏塔的扰动分析1.进料流量和进料成分2.进料温度或进料热焓3.再沸器加热蒸汽压力4.冷却水压力和温度5.环境温度三、操纵变量分析1.

3、改变采出量D或B 2. 改变回流量LR或回流比R3. 改变蒸汽量Vs 4. 改变冷量四、 精馏塔控制的特点1.对象非线性，系统动态响应慢2.多输入多输出，被控变量和操纵变量多3.控制系统间有关联控制系统要求高，控制方案多 7.1 精馏塔的控制要求和扰动分析一、 精馏塔的控制要求1质量指标 *塔顶或塔底产品的组分到达一定纯度指标 另一端产品在规定的范围内 *塔顶和塔底产品均到达一定的纯度指标2产品质量 *总物料平衡：进料量=塔顶馏出量+塔釜出料量3能量平衡和经济性指标 *输入和输出的能量应平衡 *塔压应维持恒定4约束条件：防止突变 液泛限和漏液限：气相速度的上限和下限 操作压力限：塔压得上限 临

4、界温度限：再沸器两侧温度差值的下限 7.1 精馏塔的控制要求和扰动分析 二、 精馏塔的扰动分析影响精馏塔操作因素：通过物料平衡和能量平衡进行影响物料平衡：进料量和进料成分变化、顶部馏出物及底部出料的变化影响能量平衡：进料温度或热焓的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的 变化、塔的环境温度变化精馏塔的扰动分析1进料流量和进料成分进料流量：可测不可控，根本恒定，采用均匀或前馈控制进料成分：不可控和难测量，外围控制使不变2进料温度或进料热焓进料温度：一般可测可控，不控制或进料热焓控制3再沸器加热蒸汽压力：一般可控可测，定值或串级控制4冷却水压力和温度：塔压定值或浮动塔压控制5. 环境温度：不控制或内回

5、流控制 7.2 精馏塔的特性 第二节精馏塔的特性一、物料平衡和内部的物料平衡1.物料平衡2.内部的物料平衡假设条件加料板物料平衡精馏塔精馏段的物料平衡精馏塔提馏段的物料平衡二、能量平衡芬斯克方程影响别离度的因素三、进料浓度zF和流量F对产品质量的影响1 进料浓度zF的影响2进料流量F的影响液相进料气相进料7.2 精馏塔的特性一、 物料平衡和内部物料平衡1物料平衡*总物料平衡：F = D + B*轻组分物料平衡： 和 、 分别是进料、塔顶和塔底出料中轻组分的轻组分含量。单位为摩尔分率。 由上两式子，得到： 影响 和 的因素； 和 是影响 、 的关键因素 是通过 和 影响 、 的因素2 内部物料平

6、衡假设条件： 加料板物料平衡： 精馏塔精馏段的物料平衡： 精馏塔提馏段的物料平衡 7.2 精馏塔的特性7.2 精馏塔的特性假设条件1 二元物系2塔顶和塔底均为液相3 恒分子流二组分的分子汽化潜热相等，当一个不易挥发的组分分子冷却时，必有一个易挥发组分的分子被汽化,使总的汽液相分子数不变，称为恒分子流4. 精馏和提馏段各板， 气相组分的摩尔数不变5回流液温度等于沸点加料板物料平衡物料平衡：液相沸点进料： 气相沸点进料： 7.2 精馏塔的特性精馏塔精馏段的物料平衡冷凝器：全凝器：精馏段j板：精馏段操作线斜率截距精馏塔提馏段的物料平衡再沸器：提馏段k板： 提馏段操作线斜率 1 截距7.2 精馏塔的特

7、性 能量平衡1、Fenske方程：表示全回流时，产品成分与相对挥发度、理论塔板数n 的关系2、别离度：对非全回流时，用别离度表示成分与别离度的关系根据所需到达的别离度s,与物料平衡关系，可计算控制量D/F或B/F根据所需到达的别离度s,与控制量D/F或B/F，可确定采出液的XD、XB别离度s恒定，那么控制D/F,可使XD恒定、XB也可恒定 同样，控制B/F，可使XB恒定、XD也可恒定 3.影响别离度的因素：s=f(,n,V/F,ZF,E,nF)对既定塔，,n,E,nF 是一定的或变化不大ZF对s的影响较V/F的影响要小得多：平均相对挥发度 n：理论塔板数7.2 精馏塔的特性结论1 XB、XD可

8、采用D/F 或B/F来控制2 当zF 一定时，如V/F和 B/F(或D/F)一定，那么XB和XD 也就确定3 当 zF 变化时，zF，那么XB和XD，可用增加D/F(或减小B/F)来补偿4 别离度s一定时，调节D/F或B/F可控制XB和XD，两者有关联 7.2 精馏塔的特性三、进料浓度和流量对产品质量的影响1.进料浓度的影响：回流比及D/F不变时，精馏段和提馏段操作线的斜率不变进料浓度减小时，产品的成分如图变化蓝红克服进料浓度变化影响的措施进料浓度减小时，为使产品成分不变，应改变操作线斜率即应减小D或增大LR，或增大B或减小VS公式表示 VS=K1zF; LR=K2zF;K10(zF, VS)

9、; K20(F, VS); K40(F, LR) 定性分析进料流量F增加，表示进料轻组分多，因此，塔釜再沸器加热量应增加，轻组分上升就会增加，塔釜出料也增加。同时，塔顶回流应增加，塔顶出料增加，轻组分的取出也就增加 气相进料VR = VS +F;Ls = LR;如FVRLR / VR 提馏段斜率XD7.2 精馏塔的特性结论：克服扰动的实施手段改变VS：VSLs/ VSXD改变LR：LRLR/ VRXD 改变D： DBF不变改变B: B当精馏段温度XD，控制手段是：LR；D； B当提馏段温度XB，控制手段是：VS；B；D； 7.2 精馏塔的特性7.3 精馏塔被控变量的选择直接质量指标：产品成分：

10、价格贵，可靠性差，滞后大间接质量指标：温度：二元物系：塔压固定时，与成分一一对应一、采用温度作为间接质量指标1、塔顶或塔底的温度控制使用场合本卷须知2、灵敏板的温度控制灵敏板本卷须知3、中温控制选用依据本卷须知二、采用压力补偿的温度作为间接质量指标1、温差控制2、双温差控制 3、根据压力补偿计算温度设定值的控制 7.3 精馏塔被控变量的选择一、采用温度作为间接质量指标塔顶或塔底的温度控制使用场合：当塔顶馏出物是产品时，采用塔顶温度控制当塔底馏出物是产品时，采用塔底温度控制本卷须知 ：该方案易受塔压影响微量杂质会影响沸点，从而影响产品质量控制时，为保证另一产品的质量，要有一定的操作裕度由于温度检

11、测装置灵敏度和监测点温度不灵敏，别离高纯产品有困难7.3 精馏塔被控变量的选择采用精馏段温度控制的场合对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分要求严格全部为气相进料塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化进料含比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质采用提馏段温度控制的场合对塔底产品成分的要求比对塔顶产品要求严格全部为液相进料塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质采用回流控制时，回流量较大变化会影响精馏塔平稳操作7.3 精馏塔被控变量的选择灵敏板的温度控制 灵敏板：静态：在扰动下，一个稳态到另一个稳态时塔板温度变化更大的塔板动态：灵敏板与上下塔板间的

12、浓度差最大 本卷须知：灵敏板应在正反扰动下有相近的温度差变化，以使系统有线性关系对既定塔和操作条件，可计算出大致灵敏板位置，再实际调整工况变化时，板效率变化，灵敏板位置也会变化中温控制：检测点位置：进料板稍上或稍下塔板温度作为被控变量选用依据：可较快的感受进料的变化，及时发现操作线的变化本卷须知：在北京有机化工厂有应用，日本也有较多应用进料浓度变化较大，别离要求较高时不宜采用不能及时反映塔顶和塔底的成分变化7.3 精馏塔被控变量的选择二、采用压力补偿的温度作为间接质量指标温差控制设计依据：塔压变化对两个塔板温度都有影响，用温差控制可减少压力变化的影响.通常选一个温度变化较小，如塔顶或稍下几板，

13、另一个选用灵敏板温度 本卷须知：对别离要求较高的精馏塔可采用温差控制温度检测点位置要选择适宜，温差的设定值要适宜，操作工况要稳定也可直接用压力进行补偿的控制方案主要用于消除塔压变化的影响，即压力变化时，温差不变例如，用于乙烯-乙烷塔、丙烯-丙烷塔、苯-甲苯-二甲苯塔温差差值双温差控制应用场合：当温度差与成分之间不是单值对应关系，即进料负荷变化引起 温度差的变化与引起的压力差变化不一致.依据：负荷变化引起塔压变化，在精馏段和提馏段均有相应的温度差用精馏 段温度差与提馏段温度差的差值可补偿塔压变化的影响.7.3 精馏塔被控变量的选择根据压力补偿计算温度设定值的控制设计依据:本卷须知;需合理设置补偿

14、公式中的系数项精确度不能满足产品纯度要求时，可增加幂次塔压信号需进行滤波温度检测点位置应适宜补偿系数应适宜组成根据塔压模型计算温度设定值的控制系统7.3 精馏塔的根本控制Shinsky精馏塔被控变量和操纵变量配对准那么准那么一当仅需一端的产品进行控制时，选用物料平衡控制来控制该段的产品质量准那么二当塔两端的产品流量较小时，应作为操纵变量控制塔两端的产品质量准那么三当塔两端产品均需质量控制时，通常对含纯产品较少、杂质较多一端选用物料平衡控制其质量，反之，用能量平衡控制物料平衡控制用塔顶或塔底的馏出物料作为操纵变量的控制能量平衡控制用塔顶回流量或再沸器加热量作为操纵变量的控制7.3 精馏塔的根本控

15、制精馏塔控制中变量配对准那么一、产品质量的开环控制固定回流量和蒸汽量固定塔顶馏出量和蒸汽量固定塔底采出量和回流量二、按精馏段指标的控制直接物料平衡控制间接物料平衡控制三、按提馏段指标的控制直接物料平衡控制间接物料平衡控制四、精馏塔的塔压控制压力控制的必要性和塔压的影响加压精馏塔的控制减压精馏塔的控制常压塔的控制7.3 精馏塔的根本控制产品质量开环的控制1、应用场合和控制方案的特点根据物料平衡关系，只要控制D/F(或B/F)和V/F就可控制产品成分 因此，在控制要求不高，扰动较小时可采用本控制方案特点：控制方案本身是没有质量指标即成分或温度的控制方案控制方案是以物料平衡和能量平衡为依据的2、控制

16、方案固定回流量LR比 LR/D 和再沸器加热蒸汽量VS如进料恒定，当回流量和再沸器加热量恒定，那么D和B也恒定如进料是上一塔出料，可用进料量为主动量回流量和再沸器加热量作为从动量组成比值控制固定塔顶采出量D和再沸器加热蒸汽量VS当回流比较大时，控制采出量D,能很好控制回流量固定塔釜采出量B和回流量LR当塔釜液位用再沸器加热量控制时塔釜采出量B固定，同样能控制B/F7.3 精馏塔的根本控制7.3 精馏塔的根本控制7.3 精馏塔的根本控制按精馏段指标的控制1、应用场合和控制策略对塔顶产品的质量要求较高进料是气相，直接影响塔顶组分精馏段温度提馏段无适宜的检测点控制策略用回流量间接或塔顶采出量D直接控制精馏段温度再沸器加热量可定值，塔釜液位控制塔底采出量7.3 精馏塔的根本控制2、间接物料平衡控制 选取塔顶温度或灵敏板温度作为被控变量 被控变量 操作变量回路1 精馏段温度 回流量LR回路2 再沸器加热蒸汽 再沸器加热蒸汽回路3 回流罐液位 塔顶