精馏塔控制
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分离度S一定时，调节D/F或B/F可控制 XB和XD，两者有关联
25.03.2020
过程控制 青海大学
19
精馏塔的内部物料平衡
假设条件： 加料板物料平衡 精馏塔精馏段的物料平衡 精馏塔提馏段的物料平衡
25.03.2020
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20
精馏塔的内部物料平衡
——进料板的物料平衡
VR LR F
4
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；
25.03.2020
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5
精馏塔的控制要求
控制目标：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。
要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时， 考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好 的经济性。
25.03.2020
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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 全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定 的约束条件
✓气相速度限，出现液泛现象。 ✓最小气相速度限，造成漏液。 ✓操作压力限。 ✓临界温度限
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精馏塔的压力控制
PC
PC
L L
F
D
F
D
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P
冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
25.03.2020
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25
精馏塔的简化控制问题
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 L
B, xB
VSyj =LSxj1BxB
25.03.2020
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22
动态影响分析
▪上升蒸汽和回流的影响
——除了顶部塔板外，再沸器加热量对汽液比的影响比回流 量快
▪组分滞后的影响
——组分滞后随着塔板上液相蓄存量和塔板数的增加而增加
▪回流罐蓄液量和塔釜液量引起的滞后影响
——回流罐和塔釜液位必须保持一定，否则会影响控制品质
2
精馏过程是一个复杂的传质传热过程。 表现为：过程变量多，被控变量多，可 操纵的变量也多；过程动态和机理复杂 ，例如，非线性、时变、关联；控制方 案多样，例如，同一被控变量可以采用 不同的控制方案，控制方案的适应面广 等。因此，熟悉工艺过程和内在特性， 对控制系统的设计十分重要。
25.03.2020
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塔顶（或塔底）的温度控制
使用场合： 当塔顶馏出物是产品时，采用塔顶温度控制 当塔底馏出物是产品时，采用塔底温度控制
注意事项 ：
该方案易受塔压影响，微量杂质会影响沸点， 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 灵敏度和监测点温度不灵敏，分离高纯产品有 困难
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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 L
塔底采出量B 再沸器加热量QH
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 LD 塔底产品纯度xB 塔底液位 LB
塔顶压力 P
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3
精馏塔的控制分析
精馏过程通过精馏塔、
冷凝器
再沸器、冷凝器等设备
完成。再沸器为混合物
塔顶产品
液相中轻组分的转移提 原料
精
回流罐
供能量；冷凝器将塔顶
馏 塔
来的上升蒸气冷凝为液
回流泵
相，并提供精馏所需的
回流。精馏塔是实现混
再 沸
合物组分分离的主要设
器
备。
塔底产品
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物料平衡和内部的物料平衡
总组分与轻组分的物料平衡方程：
F=DB FFx=DDxBBx
F, xF
V
D=xFxB或 B=xDxF
D , xD
F xDxB F xDxB
结论：对于给定的进料，若D/F和 B , x B V/F保持一定，则该塔的分离结果xD,
xB就完全确定。
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灵敏板的温度控制
•静态：在扰动下，从一个稳态到另一个稳态时塔 板温度变化更大的塔板
•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为止 ，再实际调整 •工况变化时，板效率变化，灵敏板位置也会变化
进料成分：不可控和难测量，外围控制使不变
进料温度：一般可测可控，不控制或进料热焓控 制
再沸器加热蒸汽压力：一般可控可测，定值或串 级控制
冷却水压力和温度：塔压定值或浮动塔压控
环境温度：不控制或内回流控制
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精馏塔的静态特性
物料平衡和内部的物料平衡 能量平衡 进料浓度Zf和进料流量F对产品 质量的影响
25.03.2020
– TS 是产品所需成分在塔压时对应的温度
设定值；
– p是塔压测量值； – p0是设计的塔压值；
– Tsp是在实际塔压条件下的温度设定值
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精馏塔的基本控制
物料平衡控制： 用塔顶或塔底的馏出物料作为操纵变量 的控制
能量平衡控制： 用塔顶回流量或再沸器加热量作为操纵 变量的控制
F
V = ln xD(1 xB)
F
xB (1 xD)
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结论
XB、 XD可采用D/F 或B/F来控制 当ZF 一定时，如V/F和 B/F(或D/F)一定 ，则XB和XD 也就确定 当 ZF变化时， ZF ↑，则XB和XD↑，可用 增加D/F(或减小B/F)来补偿
塔底采出量 B 再沸器加热量 QH
精馏 过程
塔顶产品纯度 xD
回流罐液位 LD
塔底产品纯度 xB
塔底液位
LB
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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）；
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精馏塔的扰动分析
进料流量和进料成分 进料温度或进料热焓 再沸器加热蒸汽压力 冷却水压力和温度 环境温度
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精馏塔的扰动分析
进料流量：可测不可控，基本恒定，采用均匀或 前馈控制
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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 罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上 、下限之间）为目标的。
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8
能量平衡和经济平衡性指标
1、质量指标 2、产品产量 3、能量消耗 4、约束条件
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质量指标
精馏塔的质量指标指塔顶或塔底产品的纯度
二元精馏质量指标指塔顶产品中轻组分含量和 塔底产品中重组分含量。
多元精馏则以关键组分的含量来表示。关键组 分是指对产品质量影响较大的组分。
产品组分含量并非越纯越好，
依据：负荷变化引起塔压变化，在精馏段和提馏段均 有相应的温度差，用精馏段温度差与提馏段温度差的 差值可补偿塔压变化的影响….. •注意事项
•双温差控制器的设定值要合适 •对进料流量的波动也有较好的控制效果
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根据压力补偿计算温度设定值的 控制
Tsp=Tsd d(T ppp0)d d2T 2p(pp0)2
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精馏塔物料平衡控制问题
D L B QH
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F
W
精 馏 塔
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。
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不高；
（2）处理量与进料性质变
LB 化不频繁或变化幅度小。
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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
80 F
4
68
60
40
20
0 80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
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：
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采用精馏段温度控制的场合
•进料含比塔底产品更重的影响温度和成 分关系的重杂质 •对塔顶产品成分的要求比对塔底产 •塔底或提馏段温度不能很好反映组分的 变化 •全部为气相进料
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采用提馏段温度控制的场合
•对塔底产品成分的要求比对塔顶产品要求高 •塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化 •进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系 的清杂质 •采用回流控制时，回流量较大变化会影响精馏 塔平稳操作 •全部为液相进料
D F 和 B 是F 影响 、x D 的x关B 键因素
Z F 是通过 D 和F B影F响组分变化
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能量平衡
分离度
s = xD(1 xB ) xB (1 xD)
影响分离度的因素： s=f(α,n,V/F,ZF,E,nF)
s f (V ) F
V = ln s
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采用压力补偿的温度作为间接 质量指标
温差控制 双温差控制 根据压力补偿计算温度设定值的控制
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温差控制
设计依据： •塔压变化对两个塔板温度都有影响，用温差控制 可减少压力变化的影响…. •通常选一个温度变化较小，如塔顶或稍下几板， 另一个选用灵敏板温度
120
100
V =2
80 F
4
68
60
40
20
0 80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
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；
若能耗一定，随着产品纯度提高，回收率迅速下降；
若产品纯度一定，在一定范围内随着能耗提高，回收率也明显提 高；到一定程度后，增加能耗的效果就不显著了。
精馏塔的控制
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1
精馏工艺
精馏过程的实质是利用混合物中各组分 具有不同的挥发度，实现组分的分离。 按组分(二元精馏和多元精馏)； 按挥发度分(一般精馏和特殊精馏); 按结构分(板式塔、填料塔)。 按操作的连续性分类(连续精馏和间歇精 馏)。
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VS Ls
FLRVS=LSVR
泡点进料：
LS=FLR V S=V R
露点进料：
V R=V SFL R=L S
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精馏塔的内部物料平衡
——精馏段和提馏段的物料平衡
VR LR=L i
yi+1 xi
D, xD
V =Vs
yj xj-1 j
VRyi1=LRxiD xD
Ls
用单位进料的塔底上升蒸 气量V/F来表示；
若能耗一定，随着产品纯度提高，回收率迅速下降；
若产品纯度一定，在一定范围内随着能耗提高，回收率也明显提 高；到一定程度后，增加能耗的效果就不显著了。
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11
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%
（2）温差信息，与灵敏板温度相比，可减 弱压力波动对温度的影响；
（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 。
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精馏塔被控变量的选择
➢直接质量指标：产品成分：价格贵，
可靠性差，滞后大
➢间接质量指标：温度：二元物系：塔
压固定时，与成分一一对应
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精馏塔被控变量和操纵变量配对
准则
准则一
当仅需一端的产品进行控制时选用物料平衡 控制来控制该段的产品质量
准则二
当塔两端的产品流量较小时应作为操纵变量 控制塔两端的产品质量
准则三
当塔两端产品均需质量控制时通常对含纯产 品较少杂质较多一端的质量控制
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注意事项： •对分离要求较高的精馏塔可采用温差控制 •温度检测点位置要选择合适，温差的设定值要 合适，操作工况要稳定 •也可直接用压力进行补偿的控制方案 •主要用于消除塔压变化的影响，即压力变化时 ，温差不变
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双温差控制
应用场合：当温度差与成分之间不是单值对应关系 即进料负荷变化引起温度差的变化与引起 的压力差变化不一致…..
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精馏塔的内部物料平衡
假设条件： 加料板物料平衡 精馏塔精馏段的物料平衡 精馏塔提馏段的物料平衡
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精馏塔的内部物料平衡
——进料板的物料平衡
VR LR F
4
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；
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精馏塔的控制要求
控制目标：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。
要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时， 考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好 的经济性。
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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 全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定 的约束条件
✓气相速度限，出现液泛现象。 ✓最小气相速度限，造成漏液。 ✓操作压力限。 ✓临界温度限
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精馏塔的压力控制
PC
PC
L L
F
D
F
D
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P
冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
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精馏塔的简化控制问题
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 L
B, xB
VSyj =LSxj1BxB
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动态影响分析
▪上升蒸汽和回流的影响
——除了顶部塔板外，再沸器加热量对汽液比的影响比回流 量快
▪组分滞后的影响
——组分滞后随着塔板上液相蓄存量和塔板数的增加而增加
▪回流罐蓄液量和塔釜液量引起的滞后影响
——回流罐和塔釜液位必须保持一定，否则会影响控制品质
2
精馏过程是一个复杂的传质传热过程。 表现为：过程变量多，被控变量多，可 操纵的变量也多；过程动态和机理复杂 ，例如，非线性、时变、关联；控制方 案多样，例如，同一被控变量可以采用 不同的控制方案，控制方案的适应面广 等。因此，熟悉工艺过程和内在特性， 对控制系统的设计十分重要。
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塔顶（或塔底）的温度控制
使用场合： 当塔顶馏出物是产品时，采用塔顶温度控制 当塔底馏出物是产品时，采用塔底温度控制
注意事项 ：
该方案易受塔压影响，微量杂质会影响沸点， 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 灵敏度和监测点温度不灵敏，分离高纯产品有 困难
25.03.2020
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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 L
塔底采出量B 再沸器加热量QH
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 LD 塔底产品纯度xB 塔底液位 LB
塔顶压力 P
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精馏塔的控制分析
精馏过程通过精馏塔、
冷凝器
再沸器、冷凝器等设备
完成。再沸器为混合物
塔顶产品
液相中轻组分的转移提 原料
精
回流罐
供能量；冷凝器将塔顶
馏 塔
来的上升蒸气冷凝为液
回流泵
相，并提供精馏所需的
回流。精馏塔是实现混
再 沸
合物组分分离的主要设
器
备。
塔底产品
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物料平衡和内部的物料平衡
总组分与轻组分的物料平衡方程：
F=DB FFx=DDxBBx
F, xF
V
D=xFxB或 B=xDxF
D , xD
F xDxB F xDxB
结论：对于给定的进料，若D/F和 B , x B V/F保持一定，则该塔的分离结果xD,
xB就完全确定。
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灵敏板的温度控制
•静态：在扰动下，从一个稳态到另一个稳态时塔 板温度变化更大的塔板
•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为止 ，再实际调整 •工况变化时，板效率变化，灵敏板位置也会变化
进料成分：不可控和难测量，外围控制使不变
进料温度：一般可测可控，不控制或进料热焓控 制
再沸器加热蒸汽压力：一般可控可测，定值或串 级控制
冷却水压力和温度：塔压定值或浮动塔压控
环境温度：不控制或内回流控制
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精馏塔的静态特性
物料平衡和内部的物料平衡 能量平衡 进料浓度Zf和进料流量F对产品 质量的影响
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– TS 是产品所需成分在塔压时对应的温度
设定值；
– p是塔压测量值； – p0是设计的塔压值；
– Tsp是在实际塔压条件下的温度设定值
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精馏塔的基本控制
物料平衡控制： 用塔顶或塔底的馏出物料作为操纵变量 的控制
能量平衡控制： 用塔顶回流量或再沸器加热量作为操纵 变量的控制
F
V = ln xD(1 xB)
F
xB (1 xD)
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结论
XB、 XD可采用D/F 或B/F来控制 当ZF 一定时，如V/F和 B/F(或D/F)一定 ，则XB和XD 也就确定 当 ZF变化时， ZF ↑，则XB和XD↑，可用 增加D/F(或减小B/F)来补偿
塔底采出量 B 再沸器加热量 QH
精馏 过程
塔顶产品纯度 xD
回流罐液位 LD
塔底产品纯度 xB
塔底液位
LB
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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）；
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13
精馏塔的扰动分析
进料流量和进料成分 进料温度或进料热焓 再沸器加热蒸汽压力 冷却水压力和温度 环境温度
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精馏塔的扰动分析
进料流量：可测不可控，基本恒定，采用均匀或 前馈控制
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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 罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上 、下限之间）为目标的。
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能量平衡和经济平衡性指标
1、质量指标 2、产品产量 3、能量消耗 4、约束条件
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6
质量指标
精馏塔的质量指标指塔顶或塔底产品的纯度
二元精馏质量指标指塔顶产品中轻组分含量和 塔底产品中重组分含量。
多元精馏则以关键组分的含量来表示。关键组 分是指对产品质量影响较大的组分。
产品组分含量并非越纯越好，
依据：负荷变化引起塔压变化，在精馏段和提馏段均 有相应的温度差，用精馏段温度差与提馏段温度差的 差值可补偿塔压变化的影响….. •注意事项
•双温差控制器的设定值要合适 •对进料流量的波动也有较好的控制效果
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35
根据压力补偿计算温度设定值的 控制
Tsp=Tsd d(T ppp0)d d2T 2p(pp0)2
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38
精馏塔物料平衡控制问题
D L B QH
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F
W
精 馏 塔
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。
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不高；
（2）处理量与进料性质变
LB 化不频繁或变化幅度小。
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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
80 F
4
68
60
40
20
0 80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
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：
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采用精馏段温度控制的场合
•进料含比塔底产品更重的影响温度和成 分关系的重杂质 •对塔顶产品成分的要求比对塔底产 •塔底或提馏段温度不能很好反映组分的 变化 •全部为气相进料
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采用提馏段温度控制的场合
•对塔底产品成分的要求比对塔顶产品要求高 •塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化 •进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系 的清杂质 •采用回流控制时，回流量较大变化会影响精馏 塔平稳操作 •全部为液相进料
D F 和 B 是F 影响 、x D 的x关B 键因素
Z F 是通过 D 和F B影F响组分变化
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能量平衡
分离度
s = xD(1 xB ) xB (1 xD)
影响分离度的因素： s=f(α,n,V/F,ZF,E,nF)
s f (V ) F
V = ln s
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采用压力补偿的温度作为间接 质量指标
温差控制 双温差控制 根据压力补偿计算温度设定值的控制
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33
温差控制
设计依据： •塔压变化对两个塔板温度都有影响，用温差控制 可减少压力变化的影响…. •通常选一个温度变化较小，如塔顶或稍下几板， 另一个选用灵敏板温度
120
100
V =2
80 F
4
68
60
40
20
0 80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
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；
若能耗一定，随着产品纯度提高，回收率迅速下降；
若产品纯度一定，在一定范围内随着能耗提高，回收率也明显提 高；到一定程度后，增加能耗的效果就不显著了。
精馏塔的控制
25.03.2020
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精馏工艺
精馏过程的实质是利用混合物中各组分 具有不同的挥发度，实现组分的分离。 按组分(二元精馏和多元精馏)； 按挥发度分(一般精馏和特殊精馏); 按结构分(板式塔、填料塔)。 按操作的连续性分类(连续精馏和间歇精 馏)。
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VS Ls
FLRVS=LSVR
泡点进料：
LS=FLR V S=V R
露点进料：
V R=V SFL R=L S
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精馏塔的内部物料平衡
——精馏段和提馏段的物料平衡
VR LR=L i
yi+1 xi
D, xD
V =Vs
yj xj-1 j
VRyi1=LRxiD xD
Ls
用单位进料的塔底上升蒸 气量V/F来表示；
若能耗一定，随着产品纯度提高，回收率迅速下降；
若产品纯度一定，在一定范围内随着能耗提高，回收率也明显提 高；到一定程度后，增加能耗的效果就不显著了。
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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%
（2）温差信息，与灵敏板温度相比，可减 弱压力波动对温度的影响；
（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 。
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精馏塔被控变量的选择
➢直接质量指标：产品成分：价格贵，
可靠性差，滞后大
➢间接质量指标：温度：二元物系：塔
压固定时，与成分一一对应
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精馏塔被控变量和操纵变量配对
准则
准则一
当仅需一端的产品进行控制时选用物料平衡 控制来控制该段的产品质量
准则二
当塔两端的产品流量较小时应作为操纵变量 控制塔两端的产品质量
准则三
当塔两端产品均需质量控制时通常对含纯产 品较少杂质较多一端的质量控制
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注意事项： •对分离要求较高的精馏塔可采用温差控制 •温度检测点位置要选择合适，温差的设定值要 合适，操作工况要稳定 •也可直接用压力进行补偿的控制方案 •主要用于消除塔压变化的影响，即压力变化时 ，温差不变
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双温差控制
应用场合：当温度差与成分之间不是单值对应关系 即进料负荷变化引起温度差的变化与引起 的压力差变化不一致…..