过程控制-9-精馏塔控制

第九章精馏塔控制内容精馏塔的控制目标精馏塔的静态特性精馏塔质量指标的选取精馏塔的基本控制方案精馏塔的复杂控制方案讨论精馏塔控制思考题1、掌握简单精馏塔的控制问题与分解方法；2、掌握精馏塔的静态特性；3、了解精馏塔对象中操作变量对主要被控变量的动态影响程度与速度；4、针对塔顶、塔底产品质量不同的要求，掌握基本控制系统的分析与设计方法；5、了解精馏塔的复杂控制与先进控制方法。连续精馏装置的工艺流程精馏塔冷却剂回流罐回流顶部产品底部产品再沸器原料图9-1连续精馏装置流程工艺简介精馏过程---将组分复杂的混合物通过传热、传质分离成纯度相对较高的单一化工产品的过程原理-----利用混合物中各组分相对挥发度不同，在一定的温度、压力下通过蒸发与冷凝，使液相中的轻组分和气相中的重组分互相转移，从而实现分离。操作目的：通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。操作代价：消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔顶需要冷却使塔顶组分冷凝；连续精馏装置的工艺流程质量指标：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。物料能量平衡：塔顶、底产品平均采出量之和应等于平均进料量。负荷变化力求平稳缓慢，影响物料平衡的因素应控制稳定。约束条件：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。独立变量：精馏过程的变量数Nv多于描述该过程的方程数Ne，两者之差为独立变量个数：Nt＝Nv－Ne精馏过程的控制要求连续精馏装置的控制要求精馏塔的静态特性F,xFVB,xBD,xDBDF总与轻组分的物料平衡方程：BDFBxDxFx能耗与分离度S的关系：)1()1(lnlnDBBDxxxxSFVBDFDBDBFxxxxFBxxxxFD或结论：对于给定的进料，若D/F和V/F保持一定，则该塔的分离结果xD,xB就完全确定。精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系120100806040200809095989999.599.8产品回收率*100%产品纯度*100%2FV468产品回收率：进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量；能耗指标：用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示；定性规律：若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；若产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回收率越高。精馏塔的动态特性F,xFVB,xBD,xD总物料平衡：dtdMVVLLjjjjj11dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj][1111轻组分平衡：精馏塔操作的主要影响因素ZT、、FPRLRVSVsQCQDXDBXB1.塔压波动P2.进料量波动F3.进料组成波动Fx4.进料温度或状态Fz5.再沸器加热量Qs6.冷凝器冷却量Qc7.塔顶采出量波动D8.塔底采出量波动B塔压波动的影响①精馏操作一定要保持P恒定。因P与汽液平衡关系密切。塔压稳定能保证分离的经济性和高纯度。P波动汽液平衡破坏，塔操作不良，进而影响物料平衡。P↑入不敷出。P↓物料积累。②用温度作间接被控变量，压力必须稳定。P恒定，t－x图才能具有单值关系，才能以T代替成份控制。tx汽0P液汽液精馏塔操作的主要影响因素进料波动的影响设P、Qs、LR不变，分几种情况讨论：a：液相进料进料F↑→提馏段L2↑→T2↓→塔底产品xB↑→B↑→塔内上升蒸汽v1v2轻组份↑同时，总上升蒸汽量↓→T1↓→xD↑所以，液相进料，F↑时整个塔T↓由于提馏段最先感受进料的波动，测温元件应放在提馏段，液相进料带入热量少，塔操作需较多的Qs通常以控制加热量为调节系数，构成系统调节通道短，滞后小，动态性能好。ZT、、FPRLRVSVsQCQDXDBXB精馏塔操作的主要影响因素b.全部气相进料F↑→V1↑→D↑→R↓（R=L/P)→T1↑→yD↑（塔顶重组份）L1、L2中重组份↑→T2↑→B中yB↑∵气相进料F↑先影响T1然后导致整个塔的T↑→yD↑yB↑∴气相采用精馏温度控制，测温元件在精馏段，调节手段为改变回流量。c.汽液二相混合进料•F（汽相）↑→V1↑→T1↑→yD↑→XD↓•（液相）→L2↑→T2↓→yB↓→XB↑•∴F↑会使全塔T1↑（XD↓，yD↑），T2↓（XB↑,yB↓)•对全塔带来了相反：严重影响•视汽液比等因素定方案。精馏塔操作的主要影响因素3.进料组成波动Qs、L恒定时，Fx↑（进料中轻组份）→T1T2↓→xD↑xB↑→全塔T↓塔顶底产品轻组份含量都会增加。当Fy↑过程相反。Fy↑→T1T2↑→xD↓xB↓*当进料中混有比轻组份更轻的介质时，杂质的微小变化会显著影响塔顶温度，进而影响T－x关系，会使温度点设在塔顶的温控系统失调。轻杂质↑塔顶T↓→L↓→R↓→yD↑精馏塔操作的主要影响因素4.进料温度波动的影响Ft↓→xB↑这远大于再沸器的影响。5.塔的气速和热量波动塔的蒸汽速度关系到经济性与效率，空塔速度大，传质效率高。实际板数↓组份分离随气速而得到改善。最佳气速：液泛速度80％影响气速因素是再沸器加热量。精馏塔操作的主要影响因素L↓→T顶↑→塔顶yD↑正常操作除把回流作为调节手段外，一般令回流稳定。P冷↓→F冷↓→蒸汽冷凝量↓，若D恒定，则R＝L/D↓，若冷凝器兼有过冷作用，则冷剂Qc↓→TR↑→yD↑所以Qc要定值控制。6.回流及冷剂量的波动精馏塔被控变量的选择直接质量指标（1）产品质量在线分析仪/软测量仪间接质量指标*（1）温度控制，包括精馏段温度控制、提溜段温度控制以及灵敏板温度控制。与塔顶/塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；（2）温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；（3）双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶/塔底产品纯度均适中。（4）根据压力补偿计算温度设定值精馏塔被控变量的选择1、塔顶或塔底的温度控制使用场合：当塔顶馏出物为产品时，采用塔顶温度控制。当塔底馏出物为产品时，采用塔底温度控制。注意事项：该方案易受塔压影响微量杂志会影响沸点，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。由于温度检测装置灵敏度和检测点温度不灵敏，分离高纯度产品有困难。精馏塔被控变量的选择2、灵敏板的温度控制灵敏板：静态：在扰动下，从一个稳态到另一稳态时塔板温度变化最大的塔板。动态：灵敏板与上下塔板间的浓度差最大注意事项：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。精馏塔被控变量的选择3、中温控制使用场合：检测点位置：进料板稍上或稍下塔板温度作为被控变量可较快地感受进料的变化，及时发现操作线的变化。注意事项：进料浓度变化较大，分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。精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量D回流量R塔底采出量B再沸器上升蒸汽量V冷凝器冷却量QC塔顶汽相采出量DV塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位LR塔顶压力P外部扰动(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量被控变量精馏塔简化的控制问题精馏塔塔顶采出量D回流量R塔底采出量B再沸器上升蒸汽量V精馏段灵敏板温度TD塔底液位LB回流罐液位LR外部扰动(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量被控变量提馏段灵敏板温度TB*考虑被控过程的静态与动态特性，结合就近原则，可将控制问题分解简化为两个相对独立的子系统。精馏塔物料平衡控制问题精馏塔DLBQHLBLDFW特点：仅保证塔的物料平衡要求，而不对塔顶、塔底产品质量作严格控制。开环控制适应场合：（1）对产品质量要求不高；（2）处理量与进料性质变化不频繁或变化幅度小。物料平衡控制方案之一DLCFBLCFCFCQHFC精馏塔L物料平衡控制方案之二DFBLCFCQHFC精馏塔LFCLC按精馏段指标的控制方案被控变量：TD,LR,LB(即只对塔顶产品质量指标进行控制；而对塔底产品质量指标不作严格要求)控制变量：D,R,B(而保持再沸器加热量V为定值)控制结构（1）方案1：B—LB，D—LR，R—TD；（2）方案2：B—LB，R—LR，D—TD。精馏段控制方案之一DLCFBLCFCFCTC应用场合：a.塔顶产品纯度比塔底要求高b.全部为气相进料c.塔底或提馏段板上温度不能很好反映组成变化。（组成变化，板上温度变化不灵敏）或进料中含有重组份杂质。精馏段控制方案之二DLCTCFBLCFCFC按提馏段指标的控制方案被控变量：TB,LB,LR(即只对塔底产品质量指标进行控制；而对塔顶产品质量指标不作严格要求)控制变量：V,B,D(而保持回流量R为定值)控制结构（1）方案1：D—LR，B—LB，V—TB；（2）方案2：D—LR，V—LB，B—TB。测温元件与控制手段均在提馏段。对克服首先进入提馏段的干扰有利，提馏段温控时，塔顶采用定回流，回流的流量要足够大。最大进料时，该回流量也能保证塔顶产品的纯度。提馏段控制方案之一DLCFBLCFCFCTC图9-7提馏段直接物料平衡控制提馏段控制方案之二图9-7提馏段间接物料平衡控制DLCTCFBLCFCFC精馏塔的压力控制FLDPC图9-9液相采出，塔顶产品不凝气多FLDPCV1V2图9-10液相采出，塔顶产品含少量不凝气图9-11(a)(b)(c)液相采出时塔压控制方案（塔顶产品含微量不凝气）精馏塔的压力控制方案（a）用塔压控制冷却水量，最节省冷却水量。方案（b）用冷凝液面控制冷却量，动态响应差。方案（c）用热旁路，改变进入冷凝器的气体推动力，即改变冷凝器两端的压差，动态响应较灵敏。(a)(b)(c)FLDPCFLDPCFLDPC图9-12：气相采出时塔压控制方案当气相采出是下一工序进料时，可采用塔压为主被控变量、气相出料流量为副被控变量的串级均匀控制系统。精馏塔的压力控制FLDPCLC减压精馏塔的压力控制FLDPC图9-13减压塔压力控制---冷剂法FLDPC图9-14减压塔压力控制---不凝气回流法精馏塔的其他控制方案内回流控制：为克服冷回流返塔温度对精馏塔产品质量的影响，可采用内回流的计算指标控制；进料热焓控制，以克服进料温度与进料状态对产品质量的影响；进料前馈反馈控制，以适应进料量的变化，并提高控制质量；浮动塔压控制：尽可能降低塔压，以节约能耗；但应相应改变灵敏板温度控制的设定，以保证产品合格。产品质量指标的“卡边”控制：关键技术：在线分析仪(软测量仪)+先进控制系统精馏塔的复杂控制精馏塔的复杂控制精馏塔的复杂控制DFBFC×FCTCTC×精馏塔的复杂控制精馏塔的复杂控制精馏塔的复杂控制精馏塔的复杂控制按塔顶塔底两端质量指标控制被控变量：TD,TB,LR,LB(即同时对塔顶/塔底产品质量指标进行控制)控制变量：R,V,D,B对象特性：BDVRLLTTBRBD*0**0***00**00**控制结构：R——TDV——TBD——LRB——LB精馏塔多回路控制系统精馏塔解耦控制系统练习题TC进料顶产品底产品气开PBPDΔPm精馏塔提馏段灵敏板温度控制回路很可能引起液。假设液泛可以用塔底和塔顶压力之差来表征（压差太大表示很可能存在液泛）。请在此基础上设计一个液泛约束控制系统，以保证正常操作时按提馏段温度调节加热蒸汽量，而当塔出现液泛时则要求调节加热蒸汽量确保不发生液泛。要求画出带控制点的流程图与对应的方块图，并选择调节器的正反作用。