精馏塔控制(作业)..
精馏塔控制
控制结构 （1）方案1：D — LR， B — LB， V — TB； （2）方案2：D — LR， V — LB， B — TB。
提馏段控制方案之一
FC F
TC
FC
LC B
LC D
提馏段控制方案之二
FC F
FC
TC LC
B
LC D
精馏塔两端质量指标控制问题
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
原料
精 馏 塔
冷凝器
操作目的：
塔顶产品
通过反复的部分汽化 与部分冷凝，将混合
回流罐
液中沸点不同的各组
分分离成产品。
回流泵
再 沸 器
塔底产品
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；
W
D
TR
L
精 馏
LD
塔
B
TS
QH
LB
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
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。
精馏塔的控制说明
一、精馏塔的控制要求精馏塔的控制目标是，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。
具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。
（1）产品质量控制；（2）物料平衡控制；（3）能量平衡控制；（4）约束条件控制（液泛限、漏液限、压力限、临界温差限等）。
防止液泛和漏液，可以用塔压降或压差来监视气相速度。
二、精馏塔的主要干扰因素精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F、进料组分Z f、进料温度T f或热焓F E。
此外，冷剂与热剂的压力盒温度及环境温度等因素，也会影响精馏塔的平衡操作。
所以，在精馏塔的整体方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，对精馏塔的操作平稳时极为有利的。
三、精馏塔控制变量的分析精馏塔的控制是为了保证精馏塔安全、平稳的运行，其目标是，是塔操作满足各种约束条件，保持塔的物料及能量的平衡，在较佳的工况下安全、平稳的运行，获得较大的产品回收率和较低的能耗及符合规定要求的产品。
在过程系统控制中所涉及的变量可分为以下几类。
（1）被控变量被控变量是通过改变调节其他相关变量使之维持在目标值的变量。
精馏塔的被控变量有5个：塔顶产品的浓度、塔底产品的浓度、塔内压力、塔釜及回流罐的液位。
（2）操纵变量操纵变量时通过改变调节阀的开度实施对介质的调节，该介质变量称为操纵变量。
控制系统是通过调节操纵变量来控制被控变量，而操纵变量通常是系统的流量。
如产品流量、塔回流量及加热剂、冷却剂量。
操纵变量也为5个。
（3）干扰变量精馏塔的环境参数及输入变量波动破坏塔的平衡，使产品质量发生变化，称这些变量为干扰变量，控制的目的就是克服干扰变量的扰动影响。
干扰变量有些可控，有些则不能控制。
a、可控干扰变量如塔的进料流量、温度或进料焓值或热状态。
b、不可控干扰变量如进料的成分、环境温度、冷却水温及大气压等。
四、精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择，是指精馏塔产品质量控制中被控变量的确定，以及检测点的位置等问题。
第七章 精馏塔的控制
j LR x j
D，XD
F，ZF Vs y k Ls x k-1 ↑ ↓ k
VS VR , LS LR F
进料为气相，且为露点，则：
Ls B,xB
VR Vs F , LR LS
物料平衡示意图
其它情况下的进料较为复杂，
VR Vs 1 q F LS LR qF
4、节能与经济性
回收率：
Ri 组分i的产品流量 100 ％ 进料中组分i的流量
例如：丙烯—丙烷塔，进料流量F，丙烯含量Ei，塔顶丙烯 产品流量D，则丙烯回收率 ＝D/(FEi )×100％ 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。
能耗－产品纯度－回收率的关系
能耗不变时，产品纯度↑，回收率↓ 保证产品纯度时，能耗↑，回收率↑，但回收率增加 到一定程度时，提高的就不明显了。 保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最 佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少 些。
LR 定义回流比： R D
，则：
LR LR R VR LR D R 1
可通过回流比R和再沸器蒸汽量V→内部物料平衡→yj+1 回流比R↑，y~x斜率↑ 全回流（R=∞，D=0）时， yj+1 =xj为对角线
（3）提镏段物料平衡
再沸器物料平衡：
B LS VS
提馏段操作 线方程
个气泡时的温度称为泡点
全部变成饱和气相的温度称为露点。
精馏塔原理示意图
1、工艺流程 2、分类
板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔
穿流塔、浮喷塔、浮舌塔
填料塔
增加气液两相的接触面积 乱堆填料，规整填料
精馏塔物料流程图
3、机理复杂、控制难度大
精馏塔的控制要求
精馏塔的控制要求2.1 质量指标混合物分离的纯度是精馏塔控制的主要指标。
在精馏塔的正常操作中，产品质量指标就必须符合预定的要求，即保证在塔底或塔顶产品中至少有一种组分的纯度达到规定的要求，其他组分也应保持在规定的范围内，因此，应当取塔底或塔顶产品的纯度作为被控变量。
但是，在线实时监测产品纯度有一定的困难，因此，大多数情况下是用精馏塔内的“温度和压力”来间接反应产品纯度。
对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控变量。
对于多元精馏塔，由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物，在一定的塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。
因此，绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。
2.2 平稳操作为了保证精馏塔的平稳操作，首先必须尽可能克服进塔之前的主要可控扰动，同时缓和一些不可控的主要扰动，例如，对塔进料温度进行控制、进料量的均匀控制、加热剂和冷却剂的压力控制等。
此外，塔的进出物料必须维持平衡，即塔顶馏出物与塔底采出物之和应等于进料量，并且两个采出量的变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。
另外，控制塔内的压力稳定，也是塔平衡操作的必要条件之一。
2.3 约束条件为了保证塔的正常、平稳操作，必须规定某些变量的约束条件。
例如，对塔内气体流速的限制，塔内气体流速过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效率；再沸器的加热温差不能超过临界值的限制等。
3精馏塔的温度控制精馏塔控制最直接的质量指标是产品的组分，但产品组分分析周期长，滞后严重，因而温度参数成了最常用的控制指标，即通过灵敏板进行控制[3]。
3.1 精馏段温度控制精馏段温控灵敏板取在精馏段的某层塔板处，称为精馏段温控。
适用于对塔顶产品质量要求高或是气相进料的场合。
调节手段是根据灵敏板温度，适当调节回流比。
例如，灵敏板温度升高时，则反映塔顶产品组成XD下降，故此时发出信号适当增大回流比，使XD上升至合格值时，灵敏板温度降至规定值。
精馏塔的控制方式
精馏塔的控制方式字体: 小中大| 打印发表于: 2007-7-25 21:15 作者: chjzhou 来源: 海川化工论坛精馏塔的控制方式很多,其中有:1.提留段温度控制2.精馏段温度控制3.精馏塔温差控制4.恒流控制5.双温差控制6.压差控制7.在线仪表监测控制过路的朋友一起交流一下那种控制自动化程度更高,操作人员的参与度最少,对于生产最经济,交流的朋友别忘了写下你的理由哦答案不是重要的,你的理由却是非常重要的,欢迎讨论啊,一起学习我也来说两句查看全部回复最新回复∙chping80 (2007-7-25 21:36:13)我认为精馏段温度控制更好，更能说明精馏塔的运行情况！∙chjzhou (2007-7-26 09:10:51)压差控制比较好(以下是摘抄版)蒸汽压力突然变化时，将直接影响塔釜难挥发组分的蒸发量，使当时塔内热量存在不平衡，导致气-液不平衡，为此如何将塔釜热量根据蒸汽进料量自动调节达到相对稳定，从而保证塔内热量平衡是问题的关键。
在生产过程中，各精馏塔设备已确定，塔釜蒸发量与气体流速成正比关系，而流速与塔压差也成正比关系，所以控制好塔顶、塔釜压力就能保证一定的蒸发量，而在操作中，塔顶压力可通过塔顶压力调节系统进行稳定调节或大部分为常压塔，为此，稳定塔釜压力就特别重要。
于是在蒸汽进料量不变情况下，我们对蒸汽压力变化情况与塔釜压力的变化进行对比，发现两者成正比关系，而且滞后时间极小。
于是将蒸汽进料量与塔釜压力进行串级操作，将塔釜压力信号传递给蒸汽流量调节阀，蒸汽流量调节阀根据塔釜压力进行自动调节，通过蒸汽进料量自动增大或减少，确保塔釜压力稳定，从而保证了精馏操作不受外界蒸汽波动的影响。
[本帖最后由chjzhou 于2007-7-26 17:05 编辑]∙zzna (2007-7-26 09:16:01)精馏段温度控制和温差控制结合！∙weiqj (2007-7-26 15:49:50)3＃楼是从一个叫做“好男人”的博客中的《精馏塔操作及自动控制系统的改进》摘抄其中一段。
(工业过程控制)16.精馏塔控制
03
原料的筛选与清洗
去除原料中的杂质和污染 物，确保原料的质量和纯 度。
原料的破碎与混合
将大块原料破碎成小块， 并与其他原料进行均匀混 合，以提高后续处理的效 率。
原料的干燥与除湿
去除原料中的水分或其他 挥发性组分，以满足精馏 塔处理的要求。
精馏塔的操作流程
原料的加热与汽化
01
将原料加热至汽化状态，以便在精馏塔中进行分离。
精馏塔控制
目录
• 精馏塔控制概述 • 精馏塔的工艺流程 • 精馏塔的控制策略 • 精馏塔的优化与改进 • 精馏塔的未来发展与展望
01
精馏塔控制概述
精馏塔的工作原理
精馏塔是一种用于分离液体混合 物的工业设备，其工作原理基于 物质间沸点的不同来实现分离。
原料液进入精馏塔后，在塔内加 热至沸腾，不同沸点的组分在蒸 汽和液体的相变过程中得以分离。
详细描述
为了减小压力波动，可以采用多级控 制、前馈控制和反馈控制等策略，以 及使用先进的控制算法如PID控制器 和神经网络控制器等。
液位控制
液位是精馏塔操作的另一个重要参数，液位的变化会 影响到产品的质量和产量。
输入 标题
详细描述
通过调节精馏塔的进料流量和塔顶、塔底的排放量， 可以控制精馏塔的液位，使其保持在适宜的范围内。
精馏塔控制的挑战
精馏塔是一个多变量、强耦合、 非线性的复杂系统，控制难度
较大。
操作条件如进料流量、温度、 压力等的变化以及物料的特 性差异都可能影响精馏效果。
此外，精馏塔的动态特性和外 部干扰因素也可能对控制效果 产生影响，如蒸汽压力波动、
进料组成变化等。
02
精馏塔的工艺流程
原料的预处理
01
精馏塔的原理及控制要求
精馏塔的原理及控制要求一、精馏原理精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸馏，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化，经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离。
精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。
精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提馏段。
一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。
回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定地进行。
而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也叫残液），一部分则经再沸器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸气气流。
精馏塔从结构上分，有板式塔和填料塔两大类。
而板式塔根据塔结构不同，又有泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等等。
各种塔板的改进趋势是提高设备的生产能力，简化结构，降低造价，同时提高分离效率。
填科塔是另一类传质设备，它的主要特点是结构简单，易用耐蚀材料制作，阻力小等，一般适用于直径小的塔。
在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。
对石油化工等大型生产过程，主要是采用连续精馏。
精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓缓，变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。
而且从能耗的角度来看，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备，因此，精馏塔的节能控制也是十分重要的。
二、精馏塔的主要干扰因素精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F、进料组分zf ,进料温度Tf或热焓FE.此外，冷剂与加热剂的压力和温度及环境温度等因素也会影响精馏塔的平衡操作。
精馏塔过程的控制
V F
?
?
ln S
?
?
ln????
xD xB
(1 (1
? ?
xB xD
) )
????
已知分离度S，
x D
?
1?
sx B
x (s
?
1)
B
x B
?
x
?
x D
s(1 ?
x)
D
D
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。
(3)内部物料平衡
实际上，精馏塔的操作完全由塔内部平衡关系决定，外部平衡关系 仅仅反映内部平衡关系的结果。
19.2.2 精馏塔的干扰因素
(1)进料流量 F的波动
①进料全部为液相
②进料全为气相
③进料为气相液相混合物
（2）进料组分 ZF变化
为不可控的干扰。 （3）进料温度TF及热焓 QF变化
F ZF TF QF
（4）蒸汽加入热量的变化 （5）回流量及冷剂量 蒸汽
q蒸
回流
精
q回
馏
塔
冷却剂 塔顶产品
19.3 精馏塔被控变量的选择
假定塔操作是在恒分子流、泡点回流回流罐和塔釜蓄存量一定和塔 压恒定下进行，忽略汽相蓄存量的变化，则塔有如下内部平衡关系：
① 加料板的物料平衡
F ? L ? V ? LS ? VR
泡点进料时： LS ? F ? L, 露点进料时： Vr ? F ? V,
V ? Vr L ? LS
② 精馏段任一塔板上的物料平衡
塔顶压力
P
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
精馏塔的控制
精馏塔的控制（一）掌握要点及要求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6.1概述6.1.1精馏塔控制要求及影响因素1.操作要求(1)产品质量指标塔顶或塔底产品之一保证合乎规定的纯度要求，而另一个产品维持在某一规定的范围内。
2.物料平衡（1）馏出液和备液的平均采出量之和应等于平均进料量，而且缓慢变化。
（2）塔内及塔顶、塔底容器的蓄热量应介于规定的上下限之间（3）保证高产优质，低消耗，如为保证塔顶产品纯度加大回流，但有消耗大量的蒸汽，物料平衡一般采用均匀、比值控制系统。
3．束条件：（1）塔内蒸汽速度既不能过高，也不能过低，过高引起液泛，过低塔板效率低。
（2）对再沸器的加热温差，加热蒸汽冷凝量和冷凝器冷却温差都有一定限制。
9不能超过临界温差）临界温差：由核状沸腾转为膜状沸腾时的温差，单位时间，单位面积内所传递热量称为临界热负荷液体在管外大容积内沸腾，膜系数与温差关系：随着温度差增加，汽化核数和气泡长大速率也增加，以致大量的气泡在加热表面层集合，形成蒸汽膜，热量必须通过此膜传递到液体当中去，由于蒸汽导热系数小，从而传热困难，以至膜系数下降。
工业生产一般维持在核状沸腾区操作，超过该区，进入膜状沸腾回烧坏传热管4、影响塔操作的干扰因素：（1）塔压波动（2）进料量F （3）进料成分Ef （4）进料温度Tf（5）进料状态①气相②液相③汽/液混合（6）热剂或蒸汽 Ps、Gs （7）汽剂或进口温度Gw、Tw（8）环境温度6.1.2精馏塔各干扰因素的分析及调节手段的确定1.塔压波动对操作影响及调节方法(1)塔压波动对操作影响（1）塔压波动影响汽液平衡（2）塔压波动影响物料平衡P↑→F↓ P↑→D↑（3）增加波动破坏X-T关系，压力低，沸点低(2)影响压力波动因素(3)控制塔压办法：塔压控制方法通常根据塔动作情况，可分为：常压塔、减压塔和加压塔分别控制。
精馏塔的基本控制方案解析
缺点：环境温度改变时，内回流变化，且物料与能量之间关联较大
适用场合：回流比<0.8，需要减少滞后的塔
炼油厂中的常压塔和减压塔都是只有 精馏段的塔是按精馏段指标控制的例子。 特点是都有侧线产品，并在每一侧线有汽 提装置（吹送蒸汽进行蒸汽蒸馏，把较轻 的组分蒸向上面的塔板）。进料是来自加 热炉的两相汇合物，其温度和流量都预先 控制。常用控制方案是按塔顶温度控制回 流量，并保持各侧线流量恒定。
扰动不大时，塔底产品成分波动较小。
采用这种控制方案时，在LR、D、VS和B四者中选择一种作为控制产 品质量的手段，选择另一种保持流量恒定，其余两者则按回流罐和再沸 器的物料平衡，由液位控制器加以控制。
常用的控制方案有两类：
2024/7/18
4
1、间接物料平衡控制 按精馏段指标来控制回流量——最常用 由于回流量LR变化后再影响到馏出液D——间接物料平衡控制 保持加热蒸汽的流量恒定 优点：控制作用滞后小，反应迅速；有利于克服进入精馏段的扰动；
2024/7/18
LT LC 101 101
D
TC 101
使用场合：溜出液D很小，或回流比 较大，回流罐容积适当
B
7
5.3.3按提馏段指标2) 进料全部为液相(因为进料先影响馏出液) (3) 塔顶或精馏段塔板温度不能很好反映成分的变化 ⑷ 实际操作回流比较最小回流比大好多倍。
优点：物料平衡与能量平衡之间关联最小，当B少时，较平稳；当B不 符合质量要求时，会自行暂停出料。
缺点：滞后较大，液位控制回路存在反向特性
实用场合：B少，且B<20%VS的塔
FC 102 FT 102
F
LT 101 LC 101
LR
精馏塔控制和节能优化分析
精馏塔控制和节能优化分析摘要：石化工业在目前的社会实践中发挥着重要的作用，且社会实践中的各类产品应用与石化工业有密切联系，所以需要对石化工业的发展做分析与讨论。
对现阶段的石化工业生产进行分析可知，其涉及较多的生产单元，其中一个重要单元是精馏，会产生比较显著的能耗，是整个石化工业生产体系中能耗量比较大的单元，对生产节能和成本控制都有重要影响，所以在实践中需要积极对精馏节能进行分析与讨论。
下面本文就对此展开探讨。
关键词：精馏塔；控制；节能优化；1工艺流程简述某炼化公司气体分馏装置公称规模为60万吨/年，以经脱硫脱硫醇后的催化裂化装置吸收稳定系统产出的液化气为原料，将液化气通过精馏的方法按四个塔(脱丙烷塔、脱乙烷塔、丙烯塔、脱戊烷塔)的流程设计分离成C2、丙烯、丙烷、C4、C5馏分。
其中，由于丙烯塔塔板数较多，分为两个塔串联操作，总塔板数为200层，如图1所示，自脱乙烷塔底来的混合C3组分进入丙烯塔(1)进行传质传热，丙烯塔(1)顶部的组分进入丙烯塔(2)底部作为上升气相继续完成精馏操作，塔(2)斧液通过中间泵送入塔(1)顶部作为液相内回流。
塔(1)底的丙烷馏分经冷却器冷却后送至罐区。
塔(2)顶部蒸出的丙烯经塔顶冷却器后进入回流罐，回流罐中的冷凝液一部分通过回流泵送回塔(2)顶作为回流，另一部分作为丙烯产品经冷却器冷却后送至下游装置。
工艺上要求塔顶丙烯产品体积分数(φ)≥99.50%，塔底丙烷产品体积分数(φ)＞95.00%。
图 1 气体分馏装置丙烯塔工艺流程示意2分离序列的选择在精馏的过程中需要强调如下内容：(1)在产品分离的过程中需要按照塔顶产品的挥发度依次递减的顺序进行逐个回收；(2)通过实验对最难分离的组分进行确定，并在精馏的过程中将其放在最末端进行分离；(3)进料按照塔顶和塔底各占50%的分馏比例进行安排；(4)如果是纯度要求比较高的产品，可以放在最后进行分离；(5)如果组分当中有容易造成系统结焦或者腐蚀的，需要在提高后续设备材质要求之后再强调稳定的操作；(6)如果混合物当中的组分存在沸点相差比较大的情况，而且有的组分需要在冷冻的条件下才能够进行分离，应当使进入到冷冻系统或者是冷冻等级更高的系统当中的组分尽可能减少，这样，最终的分离效果会更加理想。
精馏塔的控制
F,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱi
Fo,T T*
FFC
t
QA
QF
前馈控制特别适用于调节通道时间常数或 纯滞后很大的场合。 纯滞后很大的场合。调节及时是前馈控制 的突出优点。 的突出优点。 它的控制结构是由干扰变量决定的，与被 它的控制结构是由干扰变量决定的， 控变量无关。然而， 控变量无关。然而，前馈控制往往是基于 不甚完善的过程模型获得的， 不甚完善的过程模型获得的，故干扰对过 程的扰动并不能被完全补偿, 即存在残（ 程的扰动并不能被完全补偿 即存在残（余） 差（offset）。 ）。 解决方案之二： 解决方案之二：前馈 + 反馈控制 特点：响应快、无残差，效果见下图。 特点：响应快、无残差，效果见下图。
F,Ti T*
TC
t 调节不及时所致
QA
QF
PI控制优于手动控制且能消除余差。但调节不够及时， 控制优于手动控制且能消除余差。但调节不够及时， 控制优于手动控制且能消除余差 表现在第一个波峰较低，这意味着， 表现在第一个波峰较低，这意味着，低温原油一度流 进了分馏塔。 进了分馏塔。反馈控制是当过程干扰影响到被控变量 以后，才根据偏差去改变操纵变量。 以后，才根据偏差去改变操纵变量。这里的干扰可以 是F, Ti，PF , λF。 解决方案之二： 前馈控制)。 解决方案之二：Feedforward Control (前馈控制 。这 前馈控制 里前馈是指，一旦测得干扰变量的大小， 里前馈是指，一旦测得干扰变量的大小，就适量改变 操纵变量，使干扰对过程的影响得到快速抑制。 操纵变量，使干扰对过程的影响得到快速抑制。那么 如何实现呢？ 干扰通道模型。 如何实现呢？→ 干扰通道模型。 以稳态模型为例： 其中Q 以稳态模型为例：QF λF =F/M CP (T*-Ti ). 其中 F 、F 均为质量流量， 均为质量流量，CP、M分别为原油的热容 (单位： 分别为原油的热容 单位 J/oK/mole)和分子量 和分子量. 和分子量 → QF λF = [F/M CP (T*-Ti )]
第5章 精馏塔的控制
102
衡
塔的正常操作 F
影响产品质量
LT 101 LC 101
LR
分 馏 c塔
Vs
FT 101 FC 101
TT 101
TC
H
101
PC 101
LT 102 LC 102
D
B
⑴ 操作压力大于大气压
① 液相采出，馏出物中含有大量不凝物
PT PC
PC
101 101
PT
101
101
LR
D
适合气体流经冷凝器的阻力变化 较小，回流罐的压力基本代表塔 顶压力。
精馏塔原理示意图
5.2 精馏塔受控变量的选择
控制的目的：保证产品质量。 研究的问题：① 检测变量的选择；
② 检测点的位置。 按质量指标：产品成分（直接变量）。 成分分析仪表的特点：周期长、反应慢、滞后大； 故常选择表征成分的间接变量。
常用的间接变量：温度
5.2 精馏塔受控变量的选择
⑴ 测温点的选择 ① 测温点尽量选择在通道滞后较小的点(压力一定)。 ② 采用塔顶回流控制温度时，选择顶部塔板液相温度。 灵敏板：在扰动作用下，达到新的稳态时，温度变化最大塔板。 灵敏板的优点：动态响应较快。 灵敏板的位置：根据分馏塔的模型逐坂计算确定。
液相采出，馏出物中含有大量不凝物
PT PC
PC
101 101
PT
101
101
LR
D
适合气体流经冷凝器的阻力变化较小， 回流罐的压力基本代表塔顶压力。
LR
D
冷凝器的阻力较大时，回流罐 压力不能代表塔顶压力。
液相采出，馏出物中含有少量不凝物
当塔顶气相中不凝性气体量小于塔顶气
精馏塔自动控制系统设计
内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验）任务书摘要精馏塔是石油化工、医药等领域常见的生产过程装备,是较为典型的单元生产过程,精馏塔的过程变量多,各变量之间关系复杂,本文通过对精馏塔工艺、生产过程中主要的扰动变量进行分析,引出提馏段温度控制方案、精馏段温度控制方案,为工程技术人员设计精馏塔过程控制系统提供参考蒸气由塔底进入。
蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。
由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。
塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
精馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。
蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。
精馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。
蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。
本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作、结果等方面）。
近年来出现的超重力精馏技术，使巨大的塔设备变为高度不到2米的超重力精馏机，达到增加效率、缩小体积的目的。
关键词：精馏原理，精馏塔，工艺，过程控制目录第一章精馏塔概述 (5)1.1精馏塔控制的研究背景及意义 (5)1.2精馏塔控制系统的目的 (5)第二章生产工艺 (8)2.1工艺流程的说明 (8)2.2精馏塔的控制要求及主要干扰 (11)2.3精馏塔的装置的工艺流程 (14)第三章自动装置的确定 (15)3.1PLC、DCS、FCS的发展 (15)3.2PLC、DCS、FCS的特点 (16)3.3PLC、DCS、FCS的差异 (17)第四章精馏塔控制方案设计 (20)4.1控制方案和回路的设计 (20)4.2精馏塔控制要求 (24)4.3精馏塔工艺因数影响及系统维护 (25)第五章检测仪表、执行机构和辅助仪表的选型 (27)5.1如何选择检测仪表和调节阀 (27)5.2变送器和流量仪表的选型 (27)5.3物位测量仪表的选择 (30)附录 (33)参考文献 (34)致谢 (35)第一章精馏塔概述1.1 精馏塔控制的研究背景及意义精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。
精馏塔控制系统
精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。
精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑设置必要的控制系统。
⑴、产品质量控制
精馏塔的产品质量是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶（或塔底）产品达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。
（3）冷凝器：它的作用是使塔顶蒸汽冷凝，以其部分冷凝液作为回流，以建立塔板间的内部回流，其作部分即为塔顶产品。
精馏塔都采取中部进料，进料板把全塔分成二段：进料板以上叫做精馏段；进料板以下称提馏段。在精馏段，上升蒸汽中的高沸点组分转变成液体，液体中的低沸点组分转变成蒸汽，完成上升蒸气低沸点组分的精制。在提馏段，下降液体中的低沸点组分转变成蒸汽，蒸汽中的高沸点组分转变成液体，完成下降液体高沸点组分的提浓。
⑤、连续精馏：多用于大批量工业生产中。
⑥、常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。
⑦、减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况
⑧、加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点
⑨、多组分精馏：例如原油的分离。
⑩、双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。
２、精馏-1所示：
⑵、物料平衡控制
进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝液罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为控制目标的。
⑶、能量平衡控制
输入、输出能量应平衡，使塔内操作压力维持稳定。
⑷、约束条件
精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全运行，必须使某些参数限制在约束条件之内。常用的限制条件有液泛限、漏液限、操作压力限和临界温度限等。
精馏塔塔顶压力控制方式
塔压波动的调节方法
在生产过程中上诉因素变化时，塔压发生变化。 当塔压发生变化时，首先要判断引起压力变化的 原因，而不是简单的只从调节上使塔压恢复正常， 要从根本上消除变化的因素，才能不破坏塔的操 作。 例如，塔顶冷剂过量引起的塔压降低，若不减少 冷剂量，而是提高塔釜温度提高塔压，这样会是 重组分带到塔顶，导致产品不合格
如果因某种原因，精馏塔顶压力高于设定值时， 自控仪表发出指令，使热旁路上的调节阀完全关闭， 塔顶气相物料全部经主管线经冷凝器后再进入回流 罐。因热旁路的冷凝器的传热面积比常规计算值大， 所以冷凝速度很快，能使精馏塔内的气相物料快速 冷凝成液相，从而能使塔的压力快速降下来，直到 恢复到正常值为止。
热旁路的三个优点：
当塔压发生变化时首先要判断引起压力变化的原因而不是简单的只从调节上使塔压恢复正常要从根本上消除变化的因素才能不破坏塔的操例如塔顶冷剂过量引起的塔压降低若不减少冷剂量而是提高塔釜温度提高塔压这样会是重组分带到塔顶导致产品不合格谢谢
精馏塔塔顶压力控制方式
1. 精馏塔按压力分类、适用范围、优缺点
2. 精馏塔顶压力控制方式 3. 影响塔压的因素 4. 塔压波动的调节方法
气液相卡脖子
调节阀的位置也可以 在放冷凝器前，其原理 是一样的，作用可能更 快一点，但调节阀的通 径要大的多。这两种调 节压力方法适于装置规 模较小的情况，因为装 置规模大了，管线直径 大，没有适宜的调节阀。
常压塔பைடு நூலகம்压力控制
对塔顶压力的稳定性要求不高的情况下，无需安 装压力控制系统，可在精馏设备（回流罐）设一 个通大气的管道，以保证塔内压力接近于大气压。 对塔顶压力的稳定性要求较高或被分离的物料不 能与空气接触时，该塔的压力控制可以采用加压 塔的压力控制方法，可以用气相排出法或冷剂法。
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回流泵
再 沸 器
塔底产品
精馏塔的控制目标
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。
精馏塔的静态特性
重与轻组分的物料平衡方程：
F DB
F, xF
3、苯与甲苯的性质、用途等(放在综述中）
二．工艺计算
主要内容是(1)物料衡算 (2)确定回流比 (3)确定理论板 数和实际板数 (4)塔的气液负荷计算 (5)热量衡算 塔设备的生产能力一般以千克/小时或吨/年表示，但 在理论板计算时均须转换成kmol/h,在塔板设计时，气液 流量又须用体积流量m3/s表示。因此要注意不同的场合应 使用不同的流量单位。 （一）全塔物料衡算 1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 求出Xf、Xd 、 Xw 2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
PM m v RT M m : 上升气体的平均分子量 。
提馏段
V 'M m ' 3 Vs ' (m / s) V ' V (1 q) F 3600 v '
（五）精馏塔的塔体工艺计算 1、塔径的计算 （1）最大空塔气速和空塔气 速
L V umax C L
u (0.6 0.8)umax
精馏塔设备的控制
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。
1. 工艺设计
（1）选择工艺流程和工艺条件 a．加料方式 b. 加料状态 c. 塔顶蒸汽冷凝 方式 d. 塔釜加热方式 e. 塔顶塔底产品的出料状态 塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。 （2）精馏工艺计算： a. 物料衡算确定各物料流量和组成。 b.经济核算确定适宜的回流比 根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原则， 尽量使用计算机进行最优化计算，确定适宜回流比。 c. 精馏塔实际塔板数 用近似后的适宜回流比在计算机上通过逐板计算得到 全塔理论塔板数以及精馏段和提馏段各自的理论塔板数。 然后根据全塔效率ET，求得全塔、精馏段、提馏段的 实际塔板数，确定加料板位置。
V
FxF DxD BxB
D xF xB B xD xF 或 F xD xB F xD xB
D, xD
能耗与分离度S的关系：
xD (1 xB ) V ln S ln F xB (1 xD )
2. 精馏塔设备设计
(1)选择塔型和板型 采用板式塔，板型为筛板(浮阀)塔。 (2)塔板结构设计和流体力学计算 (3)绘制塔板负荷性能图 画出精馏段或提馏段某块的负荷性能图。 (4)有关具体机械结构和塔体附件的选定 *接管规格： 根据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准 管道。 *全塔高度： 包括上、下封头，裙座高度。
一.
流程和方案的确定
1、综述（塔设备的选择）
蒸馏装置包括：精馏塔、塔釜冷却器和产品冷却器等 设备，操作原料预热器、再沸器、冷凝器方式 2、蒸馏装置流程的确定 精馏原理及其在工业生产中的应用，精馏操作对塔设 备的要求，板式塔和填料塔的比较（例如：浮阀塔的 特点），本设计所选塔的特性 。 （1）操作压力的选择 （2）进料状态的选择
（3）加料方式的选择（预加热）
（4）回流比的选择 （5）加热器的选择(确定加热剂和加热方式 ) （6）冷凝器的选择 塔顶产品（全凝器）和塔釜产品（冷却器）, 确定冷却剂及其进出、口温度. （7）加料方式的选择 高位槽或泵,高位槽以一次加满再加一定裕量 来确定其容积。 贮槽容积按加满一次可生产10天 计算确定。 （8）工艺流程
依次求出塔顶温度、进料板温度、塔底温度及精馏段、提馏 段平均温度 3、平均摩尔质量 塔顶气、液混合物平均摩尔质量
进料板气、液混合物平均摩尔质量 塔底气、液混合物平均摩尔质量 精馏段、提馏段气液混合物平均摩尔质量
3、气液相体积流量
精馏段
V Mm 3 Vs (m / s) V ( R 1) D 3600 v
Z精 ( N精 1 ）HT
Z 提 ( N提 1 ）HT
在进料板上方开一人孔，高 度为0.8m
Z Z精 Z提 0.8
连续精馏装置的工艺流程
冷凝器
塔顶产品
原料 精 馏 塔
回பைடு நூலகம்罐
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；
3、物料衡算
Fxf DxD WxW
（二）常压下苯-甲苯混合汽液 相平衡关系
Antoine 方程：
F D W
列表：进料、塔顶、塔底产品流量和组成
B lg p A C t
R xD y x R 1 R 1
WxW L qF y x L qF W L qF W
由上式计算的塔径按部 颁发塔盘标准圆整， 圆整后的塔径除了满 足板间距和塔径的关 系外，还须进行空塔 气速校核 塔截面积： A D 2 T
4
实际空塔气速：
u
qV ,V AT
精馏段实际板数： 提馏段实际板数： 精馏段有效高度： 提馏段有效高度
NT NP ET
NT NP ET
②求精馏段、提馏段的操作线方程 ③作图求出理论板数 ④逐板计算求理论板数 （四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 1、操作压力 塔顶操作压力=大气压+表压 每层塔板压力=0.4～0.7KPa（取最大值） 求出进料板、塔底压降、精馏段、提馏段平均压 降。
2、操作温度
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，苯、 甲苯的饱和蒸气压由Antonie方程计算。