浙大工业过程控制16精馏塔控制

15.03.2021
课件
7
精馏塔的静态特性
总与轻组分的物料平衡方程：
F, xF
V
F=DB FFx=DDxBBx
D=xFxB或 B=xDxF F xDxB F xDxB
D, xD 能耗与分离度S的关系：
B, xB
V F=lnS=lnxxB D((11 xxD B))
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。
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
15.03.2021
课件
28
前馈反馈控制系统
TC
×
F
FC × TC
FC D
B
15.03.2021
课件
29
TR F, xF
课件
9
精馏塔质量指标的选取
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。
精 馏
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不
塔
高；
B
LB （2）处理量与进料性质
QH
变化不频繁或变化幅度小。
15.03.2021
课件
13
物料平衡控制方案之一
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
FC
L
LC
B
15.03.2021
课件
LC D
14
物料平衡控制方案之二
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
LC
L
LC
B
15.03.2021
（1）回流比L/D大于3； （2）塔顶产率D/F大于0.3，而回 流比小于1。
15.03.2021
课件
30
F
TC
TS V QH
练习题 2
对于左图所示的二元精馏塔两
TR
端产品质量控制系统，若选择
TC
被控变量为 y1 = xD （塔顶产
L
品中轻组份的质量浓度），y2
= xB（塔底产品中轻组份的质
量浓度）；而控制变量为 u1 =
课件
FC D
15
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。
FC F
15.03.2021
FC
TC LC
B
课件
LC D
21
精馏塔两端质量指标控制问题
W
D
TR
L
精 馏
LD
塔
B
TS
QH
LB
15.03.2021
课件
22
两端质量指标控制方案
方案 控制变量
D
L
QH
B
1
LD
TR
TS
LB
2
TR
LD
TS
LB
受控变量
3
LD
TR
LB
TS
4
TR
LD
LB
TS
15.03.2021
课件
精馏塔
精馏段灵敏板温度 TD 回流罐液位 LR
提馏段灵敏板温度 TB
塔底液位
LB
* 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。
15.03.2021
课件
12
精馏塔物料平衡控制问题
F
W
特点：仅保证塔的物料Байду номын сангаас 衡要求，而不对塔顶、塔
底产品质量作严格控制。
D L
15.03.2021
课件
8
精馏塔的控制问题
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
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
精馏 过程
塔顶产品纯度 xD
回流罐液位 LR
塔底产品纯度 xB
塔底液位
LB
塔顶压力 P
15.03.2021
80 F
4
68
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；
60
40
能耗指标：
20
用单位进料的塔底上升蒸
0 80 90 95 98 99 99.5 99.8
气量V/F来表示；
产品纯度*100%
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。
连续精馏装置的工艺流程
原料 精 馏 塔
15.03.2021
冷凝器 塔顶产品
回流罐
回流泵
再 沸 器
塔底产品
课件
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；塔底需要冷却使 塔顶组分冷凝；
5
精馏塔的控制目标
L/F，u2 = V/F 。试分析该控制
方案中两个质量控制回路之间
B
的静态相对增益矩阵。
15.03.2021
课件
31
PD
进料 TC 气开 15.03.2021
练习题 3
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
顶产品 ΔPm
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
PB
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，
底产品
并选择调节器的正反作用。
课件
32
反应器控制思考题
1、了解化学反应的一般原理，掌握反应速度与 化学平衡的概念及其主要影响因素；
2、能够结合连续放热反应釜的稳态特性分析反 应器的热稳定性问题；
3、针对各种不同类型的化学反应器，掌握基本 控制问题与控制系统的设计方法；
4、了解常见反应器的复杂控制与先进控制方案。
15.03.2021
课件
33
再见
15.03.2021
课件
16
精馏段控制方案之一
FC F
FC
15.03.2021
TC LC D
LC B
课件
17
精馏段控制方案之二
FC F
FC
15.03.2021
TC LC
D
LC B
课件
18
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)
TR
F
TC
TS
V
QH
15.03.2021
TC LC
L
D
问题：
对上述两种方案进行
B
关联分析、比较
课件
25
精馏塔多回路控制系统
15.03.2021
课件
26
精馏塔解耦控制系统
15.03.2021
课件
27
精馏塔的其他控制方案
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；
质量指标
对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其 质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯 度来表示。
产品产量和能量消耗
在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品 的产品并设法降低装置的能耗。
15.03.2021
课件
6
精馏塔产品纯度、产品回收率 和能耗之间的相互关系
产品回收率*100%
120
100
V =2
QH
V
练习题 1
L
LB B, xB
LD D, xD
某简单精馏塔如图所示，要求控 制精馏段灵敏温度TR、回流罐液 位LD、塔底液位LB，而可操作变 量为回流量L、塔顶产品采出量D、 塔底产品采出量B、塔底再沸器加 热量QH 。试针对下列情况为该设 备设计一个多回路控制系统，尽
可能减少各回路之间的关联，并 克服进料性质与处理量的变化：
15.03.2021
课件
10
精馏塔的压力控制
PC
PC
L
L
F
F
D
D
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P
冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
15.03.2021
课件
11
精馏塔简化的控制问题
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
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
23
两端质量指标控制方案之一
F
TC
TB V V2
TD
TC
R V1
B
控制方案
（1）若相互耦合不严重， 则可通过调节器参数的整 定，使相关回路的工作频 率拉开以减少关联； （2）若耦合严重，则可 考虑静态解耦或其他先进 控制方法：变结构控制、 预测控制等。
15.03.2021
课件
24
两端质量指标控制方案之二
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。
15.03.2021
课件
19
提馏段控制方案之一
FC F
TC
15.03.2021
FC
LC B
课件
LC D
20
提馏段控制方案之二