精馏塔的控制

《过程控制工程》课程组《过程控制工程》课程组精馏塔概述主要内容1.比精馏塔的工艺流程2.精馏塔的分类3.精馏塔的特点4.精馏塔的控制目标5.精馏塔的扰动分析通过这讲的学习，我们可以得到以下收获：《过程控制工程》课程组精馏塔的工艺简介精馏过程是现代化工、炼油等工业生产中应用极为广泛的一种传质过程，其目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离并达到规定的纯度要求。《过程控制工程》课程组精馏塔的工艺简介回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐精馏就是将一定浓度的混合溶液送入精馏装置，使它反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作。完成这一操作过程的相应设备除精馏塔本体外，还有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等辅助设备。《过程控制工程》课程组精馏塔的工艺简介《过程控制工程》课程组精馏塔的分类——精馏操作按不同方法进行分类根据混合物的组分数分——二元精馏、多元精馏根据是否在混合物中加入影响汽液平衡添加剂——普通精馏、特殊精馏（共沸精馏、萃取精馏、加盐精馏）根据塔的结构分——板式塔（泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、浮喷塔等）、填料塔根据操作的方式分——连续精馏、间歇精馏《过程控制工程》课程组精馏塔的特点过程变量多——被控变量多，操纵变量也多；过程动态和机理复杂——非线性、滞后大、时变、变量之间相互关联、分布参数特征等；控制难度大，控制要求高。《过程控制工程》课程组精馏塔的控制目标控制总目标：要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。一般说来，精馏塔的控制目标，应该在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。因此，精馏塔的工艺要求应该从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。(1)质量指标（纯度）(2)产量指标（收率）(3)能耗指标（成本）《过程控制工程》课程组要求馏出物达到规定的质量指标。例：二元精馏塔使塔顶轻组分纯度或塔底重组分纯度符合要求，而另一产品也应该保证在规定的范围内。精馏塔的控制目标——质量指标《过程控制工程》课程组多元精馏塔：采用“关键组分”的概念，选择某二组分。以它在D、B中的浓度作为指标。例：脱乙烷塔C2H6挥发度较大——轻关键组分。C3H6挥发度较小——重关键组分。多元塔的质量指标是控制塔顶总产品中轻关键组分含量和底部产品中重关键组分含量。精馏塔的控制目标——质量指标《过程控制工程》课程组回收率Ri=P/FZi或Zi—组分i在原料中的浓度。P—产品产量（合格即可）（非纯组分）（注意：Ri只与合格的产品产量P有关，与产品组成没有严格关系，故回收率Ri可能大于100%）精馏塔的控制目标——收率、能耗％的流量进料中组分的产品流量组分100iiRi《过程控制工程》课程组精馏塔的控制目标——收率、能耗例:Zi=50%=0.5，P/F=0.7∴Ri=0.7/0.5=140%产品合格条件下，P愈大愈好，但能耗将相应增大。实际上，产品纯度和能耗间有相当复杂的密切关系，当进料热焓一定时，可用V/F代表能耗。V—再沸器产生的上升蒸汽量。能耗指标用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示。《过程控制工程》课程组120100806040200809095989999.599.8产品回收率*100%产品纯度*100%2FV468定性规律：1.若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；2.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。精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系《过程控制工程》课程组精馏塔的控制目标——约束条件为确保精馏塔的正常、安全运行，必须使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。《过程控制工程》课程组精馏塔的控制目标——约束条件液泛限：气相速度过高，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为液泛。气相速度的上限称为液泛限漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。《过程控制工程》课程组精馏塔的控制目标——约束条件压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。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。《过程控制工程》课程组精馏塔的扰动分析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。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之间又是相互影响的。物料平衡影响因素：进料流量、进料组成塔顶，塔底产品采出量及组成能量平衡影响因素：进料温度、再沸器加热量冷凝器冷却量、环境温度《过程控制工程》课程组精馏塔的静态特性精馏塔操作的影响因素：（1）进料量（2）进料浓度（3）进料温度和状态（4）塔顶采出量D（5）塔底采出量B（6）再沸器加热量（7）冷凝器冷却量（8）回流量温度、流量（9）塔顶压力《过程控制工程》课程组（1）全塔物料衡算及能量衡算F,VB,D,Y1X1Z1总物料衡算：F=D+B轻组分1衡算：FZ1=DY1+BX11111XYXZFD1111或YXYZFB①改变D/F或B/F，X1、Y1随之改变。②若保持X1、Y1一定，当Z1不变时，则D就随F成比例变化（这是FFC根据）（保持D/F,B/F不变）③若F不变，则Z1↑，D应随之↑，X1、Y1可不变。精馏塔的静态特性《过程控制工程》课程组热衡算：看不出X1,Y1的关系。定义分离度：塔的特性因子（塔结构、进料等有关）BDCFHBHDHQFHQ111111YXXYS)1()1(lnln1111YXXYSFV:能耗与分离度S的关系：1111XYXZFD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X1,Y1就完全确定。精馏塔的静态特性《过程控制工程》课程组（2）内部物料衡算i)进料段的物料衡算上升汽量：回流量：泡点进料，e=0，进料不产生上升汽。露点进料，e=1，进料全部汽化。两相进料，0e1FeVVsreFLLrs1过冷液相进料，e1过热汽相进料：e1.可见，进料e变化，影响塔内汽液相流量，影响分离效果。精馏塔的静态特性《过程控制工程》课程组ii)对精馏段，第n层以上部分作衡算式中：回流比DnrnrDXXLYV1DLVrr或DrnrrnXVDXVLY1DrnrrnXDLDXDLLY1DnXRXRR111DLRrYn-1：第n-1层板上升汽相中轻组分浓度。Xn：第n块塔板上的液相轻组分浓度。精馏塔的静态特性《过程控制工程》课程组iii)对提馏段，第i层以下部分作衡算BisisBXXLYV1BsissiXVBXVLY1Yi：第i层板上升气相中轻组分浓度。Xi+1：第i+1块塔板上的液相轻组分浓度。精馏塔的静态特性《过程控制工程》课程组精馏塔物料平衡控制方案《过程控制工程》课程组物料平衡控制F=D+B①进料F和D流量控制，适用于DB；②进料F和B流量控制，适用于DB；③进料D和B流量控制，不适用。不能F、D、B同时流量控制，易不平衡。一般，F流量可以控制恒定，选用①②。当F流量不能恒定时，要考虑F做前馈信号。C精馏塔物料平衡控制方案《过程控制工程》课程组被控变量：F:进料D:顶出B:底采出LB:塔底液位LD:回流罐液位P:塔压QH:再沸器加热量QC:冷凝器冷却量L：回流量操纵变量：FDBBL,DQC,QHQHQCL精馏塔物料平衡控制方案CHQCQ《过程控制工程》课程组精馏塔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。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。精馏塔物料平衡控制方案《过程控制工程》课程组精馏塔物料平衡控制方案《过程控制工程》课程组物料平衡控制方案之一（1）方案1：D—LD,L—L,QH—V，B—LB；精馏塔物料平衡控制方案DLCFBLCFCFCQHFC精馏塔L《过程控制工程》课程组物料平衡控制方案之二（2）方案2：D—D,L—LD,QH—V，B—LB；精馏塔物料平衡控制方案DFBLCFCQHFC精馏塔LFCLC《过程控制工程》课程组精馏塔物料平衡控制方案物料平衡控制方案之三（3）方案3：D—LD,L—L,QH—LB，B—B；HQFLDBFCLCFCFCLC《过程控制工程》课程组精馏塔的质量指标控制方案质量指标选取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）灵敏板温度，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。《过程控制工程》课程组FLDPCFLDPC塔顶汽相采出量DV—塔压P冷凝器冷却量QC—塔压P精馏塔的压力控制精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组被控变量TD,LD,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,L,B(而保持再沸器加热量QH为定值)控制结构（1）方案1：B—LB，D—LD，L—TD；（2）方案2：B—LB，L—LD，D—TD。1按精馏段指标的控制方案精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组DLCTCFBLCFCFC（1）方案1：B—LB，D—LD，L—TD控制滞后小，反应快，有利于克服进入精馏段的扰动和保证塔顶产品要求：TC为PI控制，加热量足够大。精馏段能量平衡控制，最常用的方法。精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组DLCFBLCFCFCTC（2）方案2：B—LB，L—LD，D—TD控制滞后大，反应慢，影响控制质量的提高，同时,要求加热量足够大。精馏段物料平衡控制，有利于塔的平稳操作。精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组2按提馏段指标的控制方案被控变量TB,LB,LD(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QH,B,D(而保持回流量L为定值)控制结构（1）方案1：D—LD，B—LB，QH—TB；（2）方案2：D—LD，QH—LB，B—TB。精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组DLCTCFBLCFCFC（1）方案1：D—LD，B—LB，QH—TB控制滞后小，反应快，有利于克服进入提馏段的扰动和保证塔底产品要求：回流量足够大。否则容易引起液泛，塔操作异常。最常用的方法。精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组DLCFBLCFCFCTC（2）方案2：D—LD，QH—LB，B—TB控制滞后大，反应慢，且液位控制回路存在反向特性，影响塔的产品质量。要求：回流量足够大。保证最大负荷时产品质量。当B较小时，操作平稳。精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组精馏塔DLBQHTRLBLDTSWQHTBTD精馏塔的质量指标控制方案3精馏塔两端质量指标控制方案《过程控制工程》课程组精馏塔的质量指标控制方案TD方案控制变量DLQHB1LDTRTSLB2TRLDTSLB3LDTRLBTS4被控变量LDLBTSTBTBTDTDTDTBTB《过程控制工程》课程组方案控制变量DLQHB1被控变量LDTDTBLB2被控变量TDLDTBLBTCFBTCTBTDRVV1V2QHTDTBLTCFBTCTSVQHDLTRLCTBTD问题：对上述两种方案进行关联分析、比较精馏塔的质量指标控制方案《过程控制工程》课程组精馏塔的质量指标控制方案改进方案——前馈反馈控制系统DFBFC×FCTCTC×