过程控制工程-17精馏塔的控制

过程控制系统及工程第17章精馏塔的控制精馏塔的控制17.1概述17.2精馏塔的特性17.3精馏塔被控变量的选择17.4精馏塔的整体控制方案17.5精馏塔的新型控制方案第17章教学进程利用混合物中各组分的挥发度（沸点）不同，或在相同温度下，各组分的蒸汽分压不同，轻组分（液相中）和重组分（汽相中）相互转移根据结构不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等。17.1概述机理精馏塔系统特点：MIMO系统、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、能耗大-〉控制要求高机理17.1概述热剂釜液,B,xBLBF,zf冷剂LDD,xDLV二元精馏系统17.1.1精馏塔的基本关系（1）物料平衡F=B+DB、D：塔釜、塔顶馏出液Fzf=DxD+BxBxD、xB：塔釜、顶轻组分含量BBfDxxzDFx)(DDfBxxzBFx)(BDBfxxxzFDBDfDxxzxFB物料平衡、能量平衡二元精馏系统物料平衡方程：：xBxDB/F↑：xBxDD/F↑↓↑分离度s↑:xD↑xB↓能量平衡方程V：上升蒸汽量表征了s与V/F的关系V/F增加，s也增加，但能耗增加对于特定的塔，进料组分一定，只要D/F和V/F一定，塔顶和塔底的组分就可确定。)1()1(DBBDxxxxs)1()1(lnDBBDxxxxFVFVfs17.1.1精馏塔的基本关系（2）能量平衡17.1.2精馏塔的控制要求在保证产品合格情况下，总收益最大或总成本最小。（1）产品质量控制塔顶或塔底产品之一应达到规定的纯度。另一产品组成也应在要求范围之内。多元精馏的关键组份含量来描述质量指标。（2）物料平衡控制维持塔平稳操作，液位稳定（3）能量平衡控制操作压力稳定（4）约束条件控制塔的正常操作必须满足一定约束条件，如最大处理量下产品质量好，产量高，能耗小。确定目标函数使收效最大，能耗最小。∴对塔最大气速操作压力，加热、温差、冷却温差等都有限制。17.2精馏塔的特性jj+1j-1dtdMVVLLjjjjj11dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj][111117.3精馏塔被控变量的选择●间接指标——温度压力一定情况下，温度与产品的成分有单值对应的关系直接指标和间接指标●直接指标——产品成分在线成分仪表价格贵，并且可靠性差●间接指标——温差控制在精密蒸馏时，要求产品纯度很高，组份之间的相对挥发度差异很小，组份变化引起的温度变化有时比压力变化引起的温度变化还小，∴对塔压控制要求很严格。●有时为了兼顾塔顶、塔底产品，可以取进料板温度17.3精馏塔被控变量的选择温度点位置●塔顶分离物为产品时，温度放在塔顶——精馏段控制●塔底分离物为产品时，温度放在塔底——提馏段控制●塔顶温度受压力限制，变化很小，因而，有时取灵敏板温度温度控制恒定时，压力的微小波动，对产品的成分影响很大17.3精馏塔被控变量的选择压力补偿温度KpOz=T-Kp+KpOPKpTT（1）直接压力补偿17.3精馏塔被控变量的选择（4）推断控制（2）温差控制压力的变化，塔顶各板的温度同时变化，某两点温差控制，可消除压力影响，关键是温差的取值大小。（3）双温差控制17.4精馏塔的整体控制方案物料平衡控制方案无质量控制（无温度控制）P332图17-1017-11LCLCFCFCFCDLQVFB17.4精馏塔的整体控制方案共同特点：恒定控制塔顶或塔底回流量，有利于平稳操作质量指标控制通过温度控制成分控制手段：塔顶、塔底回流、塔釜加热量DLQVFB（1）方案1、2在保证塔釜温度和液位基本稳定，控制精馏段温度17.4精馏塔的整体控制方案2、L控制温度下降1、D控制温度优点：物料与能量平衡之间的关联最小缺点：温度控制滞后大温度升高→D升高减小→液位→L增大→温度17.4精馏塔的整体控制方案（2）方案3、4通过控制提馏段温度，控制精馏塔的温度分布塔顶回流和馏出的定值控制4、B控制温度温度升高→B减小→温度下降缺点：温度控制滞后大3、Q控制温度温度升高→Q减小→温度下降缺点：温度控制与物料平衡控制有关联17.4.3复杂控制系统的应用（4）前馈控制把进料作为对温度的一个主要扰动，提前控制（1）串级控制温度与塔釜加热介质（蒸汽）流量的串级控制，图17-20（A）、（B）（2）均匀控制多个串联操作时，要考虑液位与流量的均匀控制（3）比值控制回流比D/F控制17.4.3复杂控制系统的应用FYFCFVQBP223根据精馏关系，在塔的压力恒定的情况下，才能采用温度作为间接参数控制成分指标，因此希望塔压恒定。精馏一般可在负压、常压、正压下进行。17.4.3塔的压力控制塔顶汽相压力塔顶汽相出料：出口管线上直接节流塔顶液相出料：（1）正压塔PC气相出料17.4.3塔的压力控制（1）正压塔液相含有微量不凝聚物：几乎全部冷凝，通过改变凝聚量控制，图17-23三种方案。改变冷凝水、改变冷凝量、旁路控制PC17.4.3塔的压力控制PCPC（1）正压塔液相含有大量不凝聚物：气体较多，通过汽相排除控制压力图17-24。PCLD17.4.3塔的压力控制PCLD液相含有少量不凝聚物：界于以上两种情况之间，采用两个操纵变量控制，冷凝剂量和放空量。（1）正压塔17.4.3塔的压力控制PCLD分程调节图17-25（2）负压塔塔顶设置抽真空系统图17-26（A）直接节流抽气管（B）控制旁路17.4.3塔的压力控制抽真空PC空气惰性气体抽真空PC一般只在回流罐或塔顶冷凝器上与大气接通即可（3）常压塔17.4.3塔的压力控制大气精馏塔的控制17.1概述17.2精馏塔的特性17.3精馏塔被控变量的选择17.4精馏塔的整体控制方案17.5精馏塔的新型控制方案第12章教学进程17.5精馏塔的新型控制方案17.5.1内回流、热含控制17.5.2解耦控制当精馏塔塔顶、塔底产品均有质量要求时，通常希望进行两端控制，T1CT2CDLFB问题：解耦装置的动态特性很难获得，因此，一般采用静态解耦，或再进行一定的动态补偿。L*LxDV*VxBGDGBD11D21D12D22G11G21G12G22L*LxDV*VxB17.5.2解耦控制问题：两套系统关联（耦合）严重解决办法：解耦控制多点温度的质量推断控制17.5.3推断控制17.5.4精馏塔的节能控制精馏塔是能量消耗大户，节能控制对于提高经济效益有很大意义。通常，精馏塔的控制以增加回流量，加大蒸汽加热量，换取一个较宽的操作范围，保证产品合格——能耗增加。降低能耗——质量的卡边控制C、塔压不能出现突变17.5.4精馏塔的节能控制（1）浮动塔压的控制方案①浮动塔压的目的：在可能的条件下，尽量降低塔压B、使汽液平衡温度温度下降，提高再沸器加热效率A、可以增加组分间的挥发度，使再沸器加热量下降。②塔压浮动的条件A、选择尽量不受塔压影响的控制指标，直接取质量指标最好，取温度，要考虑压力补偿措施。B、冷凝器的冷凝能力的限制③控制实施阀位极限值冷却水VPCPCLFD17.5.4精馏塔的节能控制图17-29分析：增加了一个阀位控制系统1VPC作用使塔压不会突变作用2保证冷凝器总在最大负荷下工作，阀门开度90%（VPC设定）突然降温引起压力下降时，PC关小阀门，开度小于90%，压力迅速回升，使塔压不会突变，然后VPC工作，缓慢降低PC设定值，直到阀门开度回到90%，塔压降到与外界环境相应的值。17.5.4精馏塔的节能控制燃料油V1热油V2T2CVPCT1CB17.5.4精馏塔的节能控制（2）化学热力学观点实现的方案P228图12-29分析：T1升高—T1C使V2关小—VPC动作，降低T2C给定值—V1关小—温度下降，V2开大到原来的阀位（90%左右）充分利用塔顶汽相的热量。17.5.4精馏塔的节能控制使再沸器加热热油控制阀总保持在尽量打开的状态方法：热油控制阀位控制、热油温度控制（尽量低）（2）化学热力学观点实现的方案17.5.5精馏塔的最优控制（2）控制方法依赖于模型，动态模型获得困难，通常进行静态优化P230~231QCPPFP$FQCFBxFcBBD)($保证质量指标的条件下，使某种经济指标最优。单塔最优、机组最优、全厂/车间最优关键：目标函数、优化方案（1）目标函数利润指标函数成本指标函数