浙大工业过程控制16.精馏塔控制.ppt
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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
2021/2/18
工业过程控制
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。
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。
2021/2/18
工业过程控制
精馏塔的静态特性
总与轻组分的物料平衡方程：
F, xF
V
F = D B FxF = DxD BxB
D, xD
D = xF xB 或 B = xD xF F xD xB F xD xB
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。
2021/2/18
工业过程控制
精馏塔物料平衡控制问题
F
W
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。
提馏段控制方案之二
FC F
2021/2/18
FC
TC LC
B
工业过程控制
LC D
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
2021/2/18
工业过程控制
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
精馏塔设备的控制
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2021/2/18
工业过程控制
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
2021/2/18
工业过程控制
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
D L
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。
2021/2/18
工业过程控制
物料平衡控制方案之一
LC
FC
FC
F
精 馏
塔
L
D
FC
LC
QH
B
2021/2/18
工业过程控制
物料平衡控制方案之二
LC
FC
FC
F
精 馏
塔
L
D
FC
LC
QH
B
2021/2/18
2021/2/18
工业过程控制
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。
2021/2/18
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；
工业过程控制
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源自文库，尽可能提高产品 的产品并设法降低装置的能耗。
2021/2/18
工业过程控制
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
2021/2/18
工业过程控制
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
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。
2021/2/18
工业过程控制
连续精馏装置的工艺流程
原料 精 馏 塔
2021/2/18
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
能耗与分离度S的关系：
B, xB
V F
=
ln
S
=
ln
xD xB
(1 (1
xB xD
) )
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。
2021/2/18
工业过程控制
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
2021/2/18
工业过程控制
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
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；
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。
2021/2/18
工业过程控制
提馏段控制方案之一
FC F
TC
2021/2/18
FC
LC B
工业过程控制
LC D
工业过程控制
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。
2021/2/18
工业过程控制
精馏段控制方案之一
FC F
FC
2021/2/18
TC
LC B
工业过程控制
LC D
精馏段控制方案之二
FC F
FC
LC
LC B
2021/2/18
工业过程控制
TC D
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)
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
2021/2/18
工业过程控制
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。
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。
2021/2/18
工业过程控制
精馏塔的静态特性
总与轻组分的物料平衡方程：
F, xF
V
F = D B FxF = DxD BxB
D, xD
D = xF xB 或 B = xD xF F xD xB F xD xB
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。
2021/2/18
工业过程控制
精馏塔物料平衡控制问题
F
W
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。
提馏段控制方案之二
FC F
2021/2/18
FC
TC LC
B
工业过程控制
LC D
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
2021/2/18
工业过程控制
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
精馏塔设备的控制
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2021/2/18
工业过程控制
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
2021/2/18
工业过程控制
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
D L
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。
2021/2/18
工业过程控制
物料平衡控制方案之一
LC
FC
FC
F
精 馏
塔
L
D
FC
LC
QH
B
2021/2/18
工业过程控制
物料平衡控制方案之二
LC
FC
FC
F
精 馏
塔
L
D
FC
LC
QH
B
2021/2/18
2021/2/18
工业过程控制
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。
2021/2/18
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；
工业过程控制
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源自文库，尽可能提高产品 的产品并设法降低装置的能耗。
2021/2/18
工业过程控制
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
2021/2/18
工业过程控制
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
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。
2021/2/18
工业过程控制
连续精馏装置的工艺流程
原料 精 馏 塔
2021/2/18
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
能耗与分离度S的关系：
B, xB
V F
=
ln
S
=
ln
xD xB
(1 (1
xB xD
) )
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。
2021/2/18
工业过程控制
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
2021/2/18
工业过程控制
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
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；
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。
2021/2/18
工业过程控制
提馏段控制方案之一
FC F
TC
2021/2/18
FC
LC B
工业过程控制
LC D
工业过程控制
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。
2021/2/18
工业过程控制
精馏段控制方案之一
FC F
FC
2021/2/18
TC
LC B
工业过程控制
LC D
精馏段控制方案之二
FC F
FC
LC
LC B
2021/2/18
工业过程控制
TC D
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)