第9章 典型化工生产过程控制系统

1、第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 一、传热设备的控制一、传热设备的控制1、概述、概述根据工艺要求，温度的变化与控制需要传热过程，根据工艺要求，温度的变化与控制需要传热过程，是工业生产过程极其重要的组成部分。是工业生产过程极其重要的组成部分。1）传热设备的结构类型）传热设备的结构类型定义定义：实现冷热流体换热的设备。：实现冷热流体换热的设备。分类分类：直接、间接：直接、间接间壁式传热间壁式传热：列管式、蛇管式、夹套式、套管式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控

2、制系统统 2）热量传递的三种方式热量传递的三种方式温度差是传热的的推动力。温度差是传热的的推动力。（1）热传导）热传导傅里叶定律傅里叶定律：单位时间内出传到的热量与温度梯度：单位时间内出传到的热量与温度梯度和垂直于热流体方向的截面积成正比。和垂直于热流体方向的截面积成正比。在单位时间内通过单层平壁传导的热量与导热系数在单位时间内通过单层平壁传导的热量与导热系数、传热面积和平壁两侧的温差成正比，而与平壁的厚度、传热面积和平壁两侧的温差成正比，而与平壁的厚度成反比。成反比。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （2）对流传热）对流传热常见于流体与固体壁之间的传热，传热的速率

3、与流常见于流体与固体壁之间的传热，传热的速率与流体性质及流动边界的状况密切的相关。体性质及流动边界的状况密切的相关。传热膜系数传热膜系数是对流传热的主要参数，对其影响因素是对流传热的主要参数，对其影响因素有：流体的种类、性质、运动状况以及流体对流的状况有：流体的种类、性质、运动状况以及流体对流的状况。一般来讲，蒸汽冷凝传热膜系数较大，液体的传热一般来讲，蒸汽冷凝传热膜系数较大，液体的传热膜系数较小，而气体的传热膜系数最小。因此，在蒸汽膜系数较小，而气体的传热膜系数最小。因此，在蒸汽加热器中必须注意冷凝水与蒸汽中不凝气体的排除问题加热器中必须注意冷凝水与蒸汽中不凝气体的排除问题。第第9章章 典型

4、工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （3）热辐射）热辐射热辐射热辐射：热能以电磁波的形式向空间发射，到达另一物体：热能以电磁波的形式向空间发射，到达另一物体被部分吸收又转变为热能。被部分吸收又转变为热能。在热量传递过程中伴有能量形式的转化，与导热和在热量传递过程中伴有能量形式的转化，与导热和对流传热的差异在于不需要任何介质进行传递。对流传热的差异在于不需要任何介质进行传递。工业上的两固体之间的相互热辐射，当一固体发射工业上的两固体之间的相互热辐射，当一固体发射热，另一固体只能部分吸收并部分反射，多次吸收和反热，另一固体只能部分吸收并部分反射，多次吸收和反射的过程，使得热从高温传向低温

5、物体。射的过程，使得热从高温传向低温物体。净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身的性质有关。体本身的性质有关。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 在实际进行的传热过程中，很少是以一种传热方式在实际进行的传热过程中，很少是以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成。单独进行，而是由两种或三种方式综合而成。例如例如 间壁式传热：对流或热传导间壁式传热：对流或热传导 管式加热炉：辐射室以辐射传热为主，对流室以对流管式加热炉：辐射室以辐射传热为主，对流室以对流为主。为主。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工

6、业生产过程控制系统统 3）传热设备的动态特点）传热设备的动态特点（1）传热设备的）传热设备的分布参数分布参数特征特征对象的输出（被控变量）不仅与时间有关，而且是物理位置对象的输出（被控变量）不仅与时间有关，而且是物理位置的函数。的函数。分布参数的分类：分布参数的分类：A、传热壁面两侧流体都无相变地进行传热传热壁面两侧流体都无相变地进行传热，且两侧流体都没有轴向，且两侧流体都没有轴向混合时，两侧的温度将是距离和时间的函数，也就是说，两侧都混合时，两侧的温度将是距离和时间的函数，也就是说，两侧都是分布参数对象，列管式、套管式换热器均属于此类。是分布参数对象，列管式、套管式换热器均属于此类。B、两侧

7、物流在传热过程中都有相变两侧物流在传热过程中都有相变，两侧的温度可近似为集中参数，两侧的温度可近似为集中参数，流体温度取决于所处的压力，而不是传热量。，流体温度取决于所处的压力，而不是传热量。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 C、一侧物流有相变一侧物流有相变，则相变侧为集中参数，另一侧视为混合情况而，则相变侧为集中参数，另一侧视为混合情况而定。定。不少传热对象具有分布参数对象，遇到分布参数时须用偏微不少传热对象具有分布参数对象，遇到分布参数时须用偏微分方程来表示，但处理起来比较麻烦，此时也可用集中参数特性分方程来表示，但处理起来比较麻烦，此时也可用集中参数特性来近似

8、，如可将进出口温度平均值作为流体温度来看待（简单，来近似，如可将进出口温度平均值作为流体温度来看待（简单，精度差）。精度差）。（2）纯滞后纯滞后及滞后（时间常数）较大及滞后（时间常数）较大工艺要求传热过程物质不接触，无物质交换，所以采用间壁工艺要求传热过程物质不接触，无物质交换，所以采用间壁式换热器。传热的过程属于多容对象，带有较大的滞后，可近似式换热器。传热的过程属于多容对象，带有较大的滞后，可近似认为是认为是具有纯滞后的多容对象具有纯滞后的多容对象。测温元件测温元件的滞后，其的滞后，其保护套保护套的滞后，给传热设备的自动控制的滞后，给传热设备的自动控制增加了滞后时间。增加了滞后时间。第第9

9、章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 二、换热器的控制二、换热器的控制换热的目的换热的目的有以下有以下4种：种： 使工艺介质达到规定的温度使生产过程正常进行；使工艺介质达到规定的温度使生产过程正常进行； 如：重油催化裂化原料油预热，要求温度在如：重油催化裂化原料油预热，要求温度在 160220之间。之间。 在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量；在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量； 如：催化裂化再生器温度控制。如：催化裂化再生器温度控制。 在工艺过程中改变物料状态；在工艺过程中改变物料状态； 如：常减压装置加热炉。如：常减压装置加热炉。 热量回收。热量回收。 如：

10、分馏塔塔底换热器。如：分馏塔塔底换热器。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 为了保证出口温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热为了保证出口温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节。有以下几个途径：量进行调节。有以下几个途径： 调载热体的流量调载热体的流量目的目的：改变传热速率方程中的传热系数和平均温差。改变传热速率方程中的传热系数和平均温差。 载热体在传热过程中不发生相变，主要改变传热系数；载热体在传热过程中不发生相变，主要改变传热系数； 载热体在传热过程中发生相变，主要改变平均温差。载热体在传热过程中发生相变，主要改变平均温差。TC101TT101方案一

11、凝液蒸汽TC第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 特点：方案简单、适用于载热体上游压力平稳及负荷变化小特点：方案简单、适用于载热体上游压力平稳及负荷变化小的场合。的场合。 载热体上游压力不平稳时，采用温度与流量的串级控制载热体上游压力不平稳时，采用温度与流量的串级控制（方案二） 当主要扰动为负荷、且对出口温度控制要求高，采用前馈当主要扰动为负荷、且对出口温度控制要求高，采用前馈-反反馈控制馈控制（方案三）FC101TC101FT101TT101方案二TC101FT101TT101方案三)(sGff第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 调节传热平均

12、温度差调节传热平均温度差 注意：气氨出口调节阀的作用注意：气氨出口调节阀的作用阀开度变化时，汽化温度的变化改变了阀开度变化时，汽化温度的变化改变了传热平均温差。传热平均温差。液位控制回路的目的：液位控制回路的目的：维持液位不超限，维持液位不超限，保证足够的蒸发空间。保证足够的蒸发空间。特点：滞后小，反应迅速。特点：滞后小，反应迅速。TCLC氨气液氨第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 调节传热面积调节传热面积当当 不变时，改变不变时，改变A 可以改变传热量。可以改变传热量。调节阀的安装位置和作用：调节阀的安装位置和作用：位置：出口位置：出口(冷凝液冷凝液)管线上管线上作

13、用：开度变化，液位变化，面积变化作用：开度变化，液位变化，面积变化缺点：缺点：冷凝液液位影响传热面积，变化冷凝液液位影响传热面积，变化缓慢，是一滞后的过程，调节不及时，不利于缓慢，是一滞后的过程，调节不及时，不利于控制器参数整定，控制器参数整定， 影响调节品质。影响调节品质。适用场合：适用于传热量小、被控温度适用场合：适用于传热量小、被控温度 较低的较低的场合场合为改善对象特性，我们可以利用串级为改善对象特性，我们可以利用串级 控制系控制系统的特点设计串级控制方案。（如右下图统的特点设计串级控制方案。（如右下图所示）所示）mTAqTC101TT101蒸汽冷凝TC101TT101蒸汽冷凝LT10

14、1LC101mT、第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 采用旁路控制采用旁路控制部分工艺介质经换热器，另一部分走旁部分工艺介质经换热器，另一部分走旁路。路。特点特点：反应迅速及时，该方案不适用于：反应迅速及时，该方案不适用于介质流量较大的场合，适合于能量回介质流量较大的场合，适合于能量回收系统。收系统。采用一般直通阀，设计时旁路流量占总采用一般直通阀，设计时旁路流量占总流量的流量的1030%。阀位控制系统阀位控制系统（如右下图所示）（如右下图所示）旁通量动态响应较快、控制及时，存在旁通量动态响应较快、控制及时，存在能量浪费。能量浪费。旁路流量响应较快，提高了系统的动态旁

15、路流量响应较快，提高了系统的动态品质，品质，VPC的特点是作用缓慢，逐渐的特点是作用缓慢，逐渐改变载热体阀的开度。最终的目标使改变载热体阀的开度。最终的目标使旁路阀开度最小。旁路阀开度最小。TC101TT101TC101VPCSP出口温度BVTT101AV第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 三、三、加热炉的控制加热炉的控制加热炉是石油化工生产过程的主要设备之加热炉是石油化工生产过程的主要设备之一。一。作用：作用：工艺介质的升温或气化工艺介质的升温或气化结构形式：结构形式：箱式炉、立式炉、圆筒炉箱式炉、立式炉、圆筒炉工作原理：工作原理：燃料燃料(油油)分几路分几路(雾化

16、喷嘴雾化喷嘴)进入进入炉膛燃烧，炉膛火焰辐射给炉管，炉管炉膛燃烧，炉膛火焰辐射给炉管，炉管经热传导和对流再传热给工艺介质。经热传导和对流再传热给工艺介质。 对象特点：对象特点：炉膛热容量大、时间常数大、炉膛热容量大、时间常数大、滞后时间长；属多容过程；可用一阶加滞后时间长；属多容过程；可用一阶加纯滞后环节近似描述；理论分析比较困纯滞后环节近似描述；理论分析比较困难。难。操作特点：操作特点：温度过高使炉管内物料可能分温度过高使炉管内物料可能分解、结焦，因此，严格控制加热炉出口解、结焦，因此，严格控制加热炉出口温度。温度。 TT101燃料工艺介质FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质第第9章章

17、 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 1、加热炉的单回路控制、加热炉的单回路控制1）扰动分析）扰动分析主要控制指标：主要控制指标：工艺介质的出口温度。工艺介质的出口温度。操作手段：操作手段：燃料油或燃料气的流量。燃料油或燃料气的流量。干扰因素：干扰因素：负荷量、进料温度、组分；燃料负荷量、进料温度、组分；燃料油油(气气)压力、性质、雾化状况；空气量，压力、性质、雾化状况；空气量，喷嘴阻力等。喷嘴阻力等。2） 控制回路控制回路 主要控制系统：主要控制系统：出口温度控制。出口温度控制。 辅助控制系统：辅助控制系统： 工艺介质的流量控制系统；工艺介质的流量控制系统；FC控制控制 燃料压

18、力控制系统；燃料压力控制系统；P1C控制控制 燃料油雾化蒸汽压力控制。燃料油雾化蒸汽压力控制。P2C控制控制 燃料油流量较平稳时，、两个回燃料油流量较平稳时，、两个回路即可满足工艺要求。路即可满足工艺要求。燃料工艺介质FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 流量波动较大时，单回路不能保证良好雾流量波动较大时，单回路不能保证良好雾化，可采用右下图两方案：化，可采用右下图两方案： 用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽；调节雾化蒸汽； 燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制燃料油阀后压力与雾

19、化蒸汽压力比值控制。（前提条件：管道应畅通）此外，还可。（前提条件：管道应畅通）此外，还可采用流量比值控制。采用流量比值控制。由于加热炉负荷大、时间常数和滞后由于加热炉负荷大、时间常数和滞后时间较大，故单回路控制很难满足要求，时间较大，故单回路控制很难满足要求，炉出口温度波动较大。炉出口温度波动较大。PDT101PDC101至喷嘴燃料油雾 化 蒸 汽PT101PC102PT102K燃料油至喷嘴雾 化 蒸 汽第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 单回路控制适用场合单回路控制适用场合 对炉出口温度要求不高的场合；对炉出口温度要求不高的场合； 干扰较小，且不频繁的场合；干扰较

20、小，且不频繁的场合； 炉膛容量较小，滞后小的场合。炉膛容量较小，滞后小的场合。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 2、加热炉的串级控制、加热炉的串级控制炉子出口温度对炉膛温度的串级控制；炉子出口温度对炉膛温度的串级控制；炉子出口温度对燃料流量的串级控制；炉子出口温度对燃料流量的串级控制；炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制；炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制；采用压力平衡式控制阀的控制。采用压力平衡式控制阀的控制。 炉出口温度对炉膛温度的串级控制炉出口温度对炉膛温度的串级控制TCTC燃料油进料出料干扰（燃料压力、性质等）先影响炉膛温度，继而影响炉出口温度，故炉干扰（燃料

21、压力、性质等）先影响炉膛温度，继而影响炉出口温度，故炉膛温度比出口温度滞后小。膛温度比出口温度滞后小。用副回路来克服干扰，减小对出口温度的影响。用副回路来克服干扰，减小对出口温度的影响。优点：优点：有利于克服燃料性质变化。有利于克服燃料性质变化。注意：注意： 炉膛温度的检测点位置，选择有代表性且反应较快的点；炉膛温度的检测点位置，选择有代表性且反应较快的点； 副控制器参数不应整定得过于灵敏；副控制器参数不应整定得过于灵敏； 副控制器不引入微分作用；副控制器不引入微分作用； 炉膛温度不应有大的波动；炉膛温度不应有大的波动； 炉膛温度测温元件及保护套管应耐高温。炉膛温度测温元件及保护套管应耐高温。

22、第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 炉出口温度对燃料流量的串级（右炉出口温度对燃料流量的串级（右下图所示）下图所示）优点优点：有利于克服燃料量变化。还可有利于克服燃料量变化。还可做出口温度、炉膛温度、燃料量三做出口温度、炉膛温度、燃料量三参数串级（如右上图所示）。参数串级（如右上图所示）。特点特点：关联回路多，实施困难。关联回路多，实施困难。 出口温度对燃料阀后压力的串级出口温度对燃料阀后压力的串级优点优点：当燃料量小、粘度大时，流量当燃料量小、粘度大时，流量测量困难；而压力测量却比较方便测量困难；而压力测量却比较方便。（如右下图所示）。（如右下图所示）特点特点：应用

23、较广。应用较广。 应注意管道堵塞应注意管道堵塞FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 采用压力平衡式控制阀采用压力平衡式控制阀这种阀本身兼有压力控制器这种阀本身兼有压力控制器功能，相当于炉出口温度对燃料功能，相当于炉出口温度对燃料压力的串级。压力的串级。例如：催化裂化装置加热炉例如：催化裂化装置加热炉控制系统控制系统要求：要求：把原料油加热到一定温度送给把原料油加热到一定温度送给反应器。反应器。操作：操作：开工时燃料为气体，出口温度开工时燃料为气体，出口温度控制浮动阀；而正常生产后燃料控制浮动阀；而正常生产后燃料改为重质油，采用

24、炉出口温度与改为重质油，采用炉出口温度与燃料阀后压力串级。燃料阀后压力串级。TC进料出料燃料油第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 燃料油燃料油来自初馏塔来自初馏塔常压塔常压塔加热炉加热炉PT101PC101FT101FC101FT102FC102PT102PC102TC101TT101TT102TC102TC103TC104TT103TT104 举例：常减压装置加热炉控制系统举例：常减压装置加热炉控制系统 工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。 要求：炉出口温度稳定。要求：炉出口温度稳定。温度控制：温度控制：炉出口温度对炉

25、膛炉出口温度对炉膛温度的串级控制温度的串级控制负荷控制：负荷控制：单回路流量控制单回路流量控制燃料干扰：燃料干扰：单回路压力控制单回路压力控制第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 FCFCTCPCPCPC自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气( 热裂解气 )催化裂解装置加热催化裂解装置加热炉自动控制系统炉自动控制系统第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 反馈控制反馈控制 实际生产中，有时会遇到进料量、进料温度变化频繁、幅度较大，实际生产中，有时会遇到进料量、进料温度变化频繁、幅度较大， 炉子时间常数大、滞后时间长等情形。用单

26、回路或串级均很难满足要炉子时间常数大、滞后时间长等情形。用单回路或串级均很难满足要求。求。设计前馈设计前馈 反馈控制系统反馈控制系统这里前馈主要用来克服进料流量（或温度）干扰。这里前馈主要用来克服进料流量（或温度）干扰。)(sGdFT101 TT101TC101FT102FC102 )(sGdTT101TC101FT101第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 3、加热炉的安全联锁、加热炉的安全联锁保护系统保护系统 联锁保护系统的作用：为安联锁保护系统的作用：为安全生产、防止事故。全生产、防止事故。 燃气加热炉燃气加热炉 工艺介质流量过小或中工艺介质流量过小或中断，切断燃

27、料气；断，切断燃料气； 某种原因灭火时，切断燃某种原因灭火时，切断燃料气；料气； 燃料气压力不能过低，流燃料气压力不能过低，流量不能太小；量不能太小； 燃料压力不能过高，否则燃料压力不能过高，否则会引起脱气灭火。会引起脱气灭火。TCPCLSGL2BSGL1燃料进料出料LS：低选器；低选器；BS：火焰检测器；火焰检测器；GL1：燃料气流量过低联锁装置；燃料气流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。进料流量过低联锁装置。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 燃油加热炉燃油加热炉 工艺介质流量过小或中工艺介质流量过小或中断，切断燃料油；断，切断燃料油； 燃料油压力过低

28、会回火，燃料油压力过低会回火，流量不能太小；流量不能太小； 燃料油压力过高会脱火；燃料油压力过高会脱火； 雾化蒸汽压力过低或中雾化蒸汽压力过低或中断，造成燃料油雾化不良无法断，造成燃料油雾化不良无法燃烧。燃烧。加热炉加热炉雾化蒸汽燃料油FT102FSL102PT102PSL102BS101PT101PC101LSFT101FSL101TC101TT101第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 9.2 精馏过程控制精馏过程控制n板式塔板式塔 筛板塔、泡罩塔、筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、穿流塔、浮阀塔、穿流塔、浮喷塔、浮舌塔浮喷塔、浮舌塔n填料塔填料塔增加气液两相的接触增加气液两

29、相的接触面积，乱堆填料，面积，乱堆填料，规整填料规整填料精馏塔物料流程图精馏塔物料流程图回流泵回流泵冷凝器冷凝器气液分离器气液分离器精精馏馏塔塔进料进料再沸器再沸器釜液釜液馏出液馏出液冷剂冷剂热剂热剂B,xBD,xDF,zFLLBLDV第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 一、精馏塔的控制目标一、精馏塔的控制目标精馏是应用极为广泛的精馏是应用极为广泛的传质过程传质过程。目的目的是将混全液中的各组分进行分离，使之达到规是将混全液中的各组分进行分离，使

30、之达到规定的纯度。定的纯度。精馏是一个精馏是一个多参数输入和输出多参数输入和输出的对象，通道多，动的对象，通道多，动态响应缓慢，内在机理复杂，参数间互相关联，控制又态响应缓慢，内在机理复杂，参数间互相关联，控制又要求高的工程。精馏塔是工厂的制高点，控制也同样。要求高的工程。精馏塔是工厂的制高点，控制也同样。 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 精馏的工艺要求精馏的工艺要求 对于一个正常操作的精馏塔，一般应当使塔顶或塔底产对于一个正常操作的精馏塔，一般应当使塔顶或塔底产品中的品中的一个产品达到规定的纯度要求一个产品达到规定的纯度要求，另，另一个产品的成一个产品的成分亦应

31、保持在规定的范围内分亦应保持在规定的范围内。为此，应当取塔顶或塔底。为此，应当取塔顶或塔底的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制质量控制系统系统。 质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 为了保证塔的为了保证塔的平稳操作平稳操作，必须把进塔之前的主要可，必须把进塔之前的主要可控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。的主要干扰。 为了维持塔的为了维持塔的物料平衡物料平衡，必须控制

32、塔顶馏出液和釜，必须控制塔顶馏出液和釜底采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变底采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。化要缓慢，以保证塔的平稳操作。 塔内的塔内的持液量持液量应保持在规定的范围内。控制应保持在规定的范围内。控制塔内压塔内压力稳定力稳定，对塔的平稳操作是十分必要的。，对塔的平稳操作是十分必要的。 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。耗均是要控制的目标。 其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前其中质量指标是必

33、要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。时能量消耗尽可能低一些。 为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。防止泛液、漏液，压力限，临界温差约束条件。防止泛液、漏液，压力限，临界温差限等。限等。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 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，称为气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，称为“雾沫雾沫夹带夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称，雾沫夹带现象严重

34、时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为为液泛液泛。气相速度的上限称为液泛限。（另外液体量过大、溢流管堵。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）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。气相速度的下限称气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。为漏液限。 压力限压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离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。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。温差越大，传热主要指再沸器

35、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，不能保证正常传量越大，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。热。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 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）第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 二、精馏塔的静态特性和动态特性二、精馏塔的静态特性和动态特性塔操作影响因素塔操作影响因素各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，扰动对产品纯各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，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

36、响的度、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之间又是相互影响的。，并且物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。物料平衡影响因素物料平衡影响因素：进料流量、进料组成、：进料流量、进料组成、 塔顶，塔底产品塔顶，塔底产品采出量及组成。采出量及组成。 能量平衡影响因素能量平衡影响因素：进料温度、再沸器加热量、：进料温度、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。可控扰动可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷却量，采：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷却量，采出量。出量。 不可控扰动不可控扰动：进料流量（主要扰动）：进料流量（主要扰

37、动） ，进料组成（主要扰动），进料组成（主要扰动） ，环境温度环境温度第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 1、精馏塔的静态特性、精馏塔的静态特性（1）全塔物料平衡）全塔物料平衡总物料平衡：总物料平衡：F=D+B 轻组分平衡：轻组分平衡：F xF=D xD+B xBFBDBxxDFxx联立联立 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） xF，xD，xB分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩分别表示进料、馏出液、釡液中轻组分的摩尔分率。尔分率。第第9章章

38、典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （2）能量平衡）能量平衡 在建立静态能量平衡关系时，首先要了解分离度在建立静态能量平衡关系时，首先要了解分离度的概念。所谓的概念。所谓分离度分离度S可用下式表示：可用下式表示：(1)(1)DBBDxxSxx 随着随着S的增大，的增大，xD也增大，也增大，xB而减小，说明塔系统的而减小，说明塔系统的分离效果增大。分离效果增大。 影响分影响分离度离度S的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升塔内上升蒸汽量蒸汽量V和和进料进料F

39、的比值等。的比值等。(9-2-6)第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 对于一个既定的塔来说：对于一个既定的塔来说：()VSfF上式的函数关系也可用一近似式表示：上式的函数关系也可用一近似式表示：lnVSF或可表示为：或可表示为：(9-2-7)1()1(lnDBBDxxxxFV式中式中为塔的特性因子为塔的特性因子第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 )1()1(lnDBBDxxxxFV(12-8) 由上式可以看到，随着由上式可以看到，随着V/F的增加，的增加，S值提高，也就值提高，也就是是xD增加，增加， xB下降，分离效果提高了。下降，分离效果

40、提高了。 由于由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际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，故称为是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关能量平衡关系式系式。由上分析可见，。由上分析可见， V/F的增加，塔的分离效果提高，的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。能耗也将增加。 对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D/F和和V/F一定，这个塔的分离结果，即一定，这个塔的分离结果，即xD和和xB将被完全确定。将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能

41、量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶与塔底组分待定因素。方程式，可以确定塔顶与塔底组分待定因素。 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定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。了分离结果是一致的。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 (3)内部物料平衡内部物料平衡精馏塔计算中的假设：精馏塔计算中的假设：同一塔段（精馏段或提馏段）的上下塔板气相、液同一塔段（精馏段或提馏段）的上下塔板气相、液相摩尔流量相同。相摩尔流量相同。 1、从物料和能量平衡可知：当、从物料和能量平衡可知：当xF一定时，只要保证一定时，只要保证D/F和和V/F一定则一

42、定则 xB xB和和 xD就确定。就确定。2、进料组成、进料组成xF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xF 增加，将导致增加，将导致xB、xD 都增加，此时可增都增加，此时可增加加D/F和减少和减少B/F补偿偿。补偿偿。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 2、动态影响分析、动态影响分析对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连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接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。精馏塔动态方程的建立是复杂的，尤其建立一个精精馏塔动态方程的

43、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。案有积极的指导意义。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 (1)上升蒸汽和回流的影响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

44、当快的。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。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塔板外）的气液比发生变化

45、，用再沸器的加热量作为控制手段，要比回流量的响应快。制手段，要比回流量的响应快。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （2）组分滞后的影响）组分滞后的影响V和和L的变化，引起的变化，引起xB和和xD的变化，都是通过每块塔板上组的变化，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，所以尽管需要一定的时间，所以尽管V的变化可较快影响到塔顶，但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。同样时间。同样

46、D的变化也是一样。且需花费更多的时间。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导致组分的滞后也增加。当再沸器加热量的增加而引起V的的增加，通过改善气、液接触

47、，可以减少组分的滞后。增加，通过改善气、液接触，可以减少组分的滞后。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （3）回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响）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：由物料平衡关系可知：n在在F一定的情况下，改变一定的情况下，改变D和和B均能引起均能引起xB和和xD的变的变化。实际上化。实际上D的变化是通过的变化是通过F的变化（在回流罐液位的变化（在回流罐液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量品的质量xB和和xD 。n然而，回流罐有一定的蓄液量，从然而，回流罐有一

48、定的蓄液量，从D 变化到变化到L的变化的变化会产生滞后。同样会产生滞后。同样B的变化也是通过的变化也是通过V的变化（在塔的变化（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控制产品的质量xB和和xD 。n塔釜的蓄液量也会使的变化到的变化产生滞后，通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蓄液量引起的滞后要比回流罐的蓄液量引起的滞后小。小。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统

49、三、精馏塔质量指标的选取三、精馏塔质量指标的选取直接质量指标直接质量指标-产品纯度产品纯度：测量过程滞后较大，反应慢：测量过程滞后较大，反应慢、分析仪器可靠性差。、分析仪器可靠性差。间接质量指标间接质量指标-温度温度：测温点的选取很重要。：测温点的选取很重要。产用方案有以下几种产用方案有以下几种：温度点的位置温度点的位置顶部馏出液为主要产品，温度检测点放在塔顶，构成顶部馏出液为主要产品，温度检测点放在塔顶，构成精精馏段温控系统馏段温控系统；塔底产品符合质量要求，温度检测点放在塔底，实施塔底产品符合质量要求，温度检测点放在塔底，实施提提馏段温控系统馏段温控系统。中温控制中温控制：把温度检测点放在

50、进料板附近的塔板上。目：把温度检测点放在进料板附近的塔板上。目的是及时发现操作线的移动情况，的是及时发现操作线的移动情况，兼顾塔顶和塔底组分兼顾塔顶和塔底组分变化变化。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 TCLCFCLCFCFBDVQL精馏段温度控制第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 提馏段温度控制TCLCLCFCFCFBDVQL第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 TCLCFCLCFCFBDVQL切割塔的温度控制第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 1、灵敏板的温度控制、灵敏板的温度控制采用塔

51、顶（或塔底）温度作为间接质量指标时，实际上把采用塔顶（或塔底）温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测放置在塔顶（或塔底）是极为少数的。而是把温温度检测放置在塔顶（或塔底）是极为少数的。而是把温度检测点放在进料板与塔顶（底）之间的灵敏板上。度检测点放在进料板与塔顶（底）之间的灵敏板上。 所谓所谓灵敏板灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即为灵敏，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即为灵敏板。板。 灵敏板的位

52、置先根据测算，确定大致位置，然后在它灵敏板的位置先根据测算，确定大致位置，然后在它的附近设置多个检测点，从中选择最佳的测量点作为灵敏的附近设置多个检测点，从中选择最佳的测量点作为灵敏板。板。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （2）温差控制）温差控制采用压力补偿的温度作为间接质量指标，可以采用压力补偿的温度作为间接质量指标，可以 消除微消除微小压力变化对温度的影响。小压力变化对温度的影响。 1.126 2.8 1.155 2.8 1.190 2.8Mpa 52646560707580 塔板序号塔顶产品纯度不变压力变化与各板温度分布压力变化与各板温度分布精密精馏中，产精

53、密精馏中，产品纯度高，两组品纯度高，两组分相对挥发度差分相对挥发度差值很小，压力引值很小，压力引起的温度变化要起的温度变化要比成分引起的温比成分引起的温度变化大，要考度变化大，要考虑温差控制。虑温差控制。 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 选择温差作为被控变量时，需要注意温差给定值选择温差作为被控变量时，需要注意温差给定值合理（不能过大），以及操作工况稳定。合理（不能过大），以及操作工况稳定。 温差与产品纯度并非是单值对应关系曲线有最高温差与产品纯度并非是单值对应关系曲线有最高点点M1，在，在M1点的两侧，温差与浓度之间的关系是反向点的两侧，温差与浓度之间的关系是反

54、向的，所以温差选得过大，或操作不平稳，均能引起温的，所以温差选得过大，或操作不平稳，均能引起温差失控的现象。差失控的现象。TxM1 温度检测点的位置，对于温度检测点的位置，对于塔顶馏出液为主要产品时，塔顶馏出液为主要产品时，一一个测温点应放在塔顶个测温点应放在塔顶（或稍下（或稍下一些），即温度变化较小的位一些），即温度变化较小的位置；而置；而另一点放在灵敏板附近另一点放在灵敏板附近，即成分和温度变化较大、较灵即成分和温度变化较大、较灵敏的位置上。敏的位置上。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 （3）双温差控制）双温差控制为了克服温差控制中的不足，提出了双温差控制，即为

55、了克服温差控制中的不足，提出了双温差控制，即分别在精馏段和提馏段上选取温差信号。然后把两个分别在精馏段和提馏段上选取温差信号。然后把两个温差信号相减，以这个温差的差作为间接质量指标进温差信号相减，以这个温差的差作为间接质量指标进行控制。行控制。精精馏馏塔塔TddTT1dTT2dT2T T xM1M2第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 采用双温差控制后，若由采用双温差控制后，若由于进料流量波动引起塔压变于进料流量波动引起塔压变化对温差的影响，在塔的上化对温差的影响，在塔的上、下段同时出现，因而上段、下段同时出现，因而上段温差减去下段温差的差值就温差减去下段温差的差值就消

56、除了压降变化的影响。从消除了压降变化的影响。从国内外应用双温差控制的许国内外应用双温差控制的许多装置来看，在进料流量波多装置来看，在进料流量波动影响下，仍能得到较好的动影响下，仍能得到较好的控制效果。控制效果。 温差控制受温差控制受两个因素两个因素的影响：一是的影响：一是进料组分进料组分的波动的波动，另一个是因，另一个是因负荷变化而引起塔板的压降负荷变化而引起塔板的压降变化变化。前者若使温差减少，则后者当压降增大时，。前者若使温差减少，则后者当压降增大时，温差反而增加，所以是有矛盾的，在这种情况下温差反而增加，所以是有矛盾的，在这种情况下就难以控制。就难以控制。第第9章章 典型工业生产过程控制

57、系典型工业生产过程控制系统统 4、 精馏塔的基本控制方案精馏塔的基本控制方案精馏塔的精馏塔的控制目标控制目标是使塔顶和塔底的产品满足工艺是使塔顶和塔底的产品满足工艺生产规定的质量要求。为简化讨论，这里仅介绍常见的生产规定的质量要求。为简化讨论，这里仅介绍常见的塔顶和塔底均为液相且没有侧线采出的情况。塔顶和塔底均为液相且没有侧线采出的情况。对于有两个液相产品的精馏塔来说，质量指标控制对于有两个液相产品的精馏塔来说，质量指标控制可以可以根据主要产品的采出位置不同根据主要产品的采出位置不同分为两种情况：一是分为两种情况：一是主要产品从主要产品从塔顶馏出时可采用按精馏段质量指标塔顶馏出时可采用按精馏段

58、质量指标的控制的控制方案；二是主要产品从方案；二是主要产品从塔底流出时则可采用按提馏段质塔底流出时则可采用按提馏段质量指标量指标的控制方案。的控制方案。第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 (1)当仅需要控制塔的一端产品时，应当选用物料平衡方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式来控制该产品的质量(2)塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的质量质量(3)当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品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

59、制，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，杂质较少的一端的质量控制选用能量而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制。平衡控制。 当选用塔顶部产品馏出物流量当选用塔顶部产品馏出物流量D或塔底采出液量或塔底采出液量B来作为操纵变量控制产品质量时，称为来作为操纵变量控制产品质量时，称为物料平衡控制物料平衡控制； 而当选用塔顶部回流而当选用塔顶部回流L或再沸器加热量或再沸器加热量Q（V）来作）来作为操纵变量控制产品质量时，称为为操纵变量控制产品质量时，称为能量平衡控制能量平衡控制。 第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 1、物料平衡控制

60、、物料平衡控制FCLCFCLCFCFBDVQL固定回流量固定回流量L和加热蒸汽量和加热蒸汽量Q（V）第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 LCFCLCFCFCFBDVQL固定馏出液流量固定馏出液流量D和加热蒸汽量和加热蒸汽量Q（V）第第9章章 典型工业生产过程控制系典型工业生产过程控制系统统 一般说来，精馏塔的质量指标只设定一个，分一般说来，精馏塔的质量指标只设定一个，分别称为精馏段控制和提馏段控制。别称为精馏段控制和提馏段控制。 能量平衡控制的操纵变量为能量平衡控制的操纵变量为L或或Q（V）；）； 物料平衡控制的操纵变量为物料平衡控制的操纵变量为D或或B。 被控变量除