第11章典型化工单元的控制方案
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•图11－6 提馏段指标的控制方案二
第11章典型化工单元的控制方案
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•当进料流量增加时，成 比例地增加再沸器的加热 蒸汽量和塔顶馏出液，就 可以基本保持塔顶和塔底 的产品成分不变。前馈克 服进料流量扰动的大部分， 小部分扰动由反馈克服。
•图11－7 精馏塔的前馈－反馈控制
第11章典型化工单元的控制方案
•为了有效处理控制滞后，采用串级控制方案， 根据进入反应釜的主要扰动不同，可以采用釜 温与热剂（或冷剂）流量的串级控制。
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•图11－10 反应釜串级控制方案一
第11章典型化工单元的控制方案
•釜温与夹套温度串级控制。
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•图11－11 反应釜串级控制方案二
第11章典型化工单元的控制方案
（4）约束条件
为了保证正常操作，需规定某些参数 的极限值，并作为约束条件。如： 塔内气体流速，防止漏液和泛液 塔的操作压力 再沸器两侧间的温差不能超过临界值，否 则会导致给热系数下降，传热量降低。
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第11章典型化工单元的控制方案
2、精馏塔控制问题分析
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第11章典型化工单元的控制方案
一、精馏塔的控制
精馏过程是现代化生产中应用极为广 泛的传质过程，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。 精馏过程十分复杂，被控变量多，可 选的操纵变量也多，它们之间可以有各种不 同的组合。精馏对象通道多、反应缓慢、内 在机理复杂、变量之间相关。
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作为被控变量。
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第11章典型化工单元的控制方案
用温度作为质量指标的前提是塔内压 力恒定，虽然精馏塔一般有塔压控制系统， 但对于精密精馏等控制要求较高的场合，微 小压力波动将影响温度与组分之间的关系。 如苯－甲苯－二甲苯分离时，大气压力变化 6.67KPa，苯的沸点变化2℃，超过了质量指 标的规定，而这种情况是完全可能的。因此 必须对压力的波动加以补偿。
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第11章典型化工单元的控制方案
生产过程的设备种类繁多，如流体输 送设备、传热设备、锅炉设备、精馏塔、化 学反应器等。 不同的设备及过程有不同的特性和控 制要求，同类设备的控制也会有很不相同的 控制方案。 本章简单介绍精馏塔的控制与化学反 应器的控制。
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第11章典型化工单元的控制方案
•第7章 简单控制系统
•第8章 复杂控制系统
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•第9章 新型控制系统 •第10章 计算机控制系统 第11章典型化工单元的控制方案
•化工仪表及自动化
•Measurement &Process control Technology
•
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第11章典型化工单元的控制方案
第十一章 典型化工单元的控制方案
定，其余两者则按照回流罐和再沸器的物料平衡，
由液位控制器进行控制。
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第11章典型化工单元的控制方案
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•图11－2 精馏段指标的控制方案一
•根据精馏 段塔板温 度控制LR， 并保持VS 恒定
第11章典型化工单元的控制方案
•根据精馏 段塔板温 度控制D， 并保持VS 恒定。
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第11章典型化工单元的控制方案
（3）能量要求和经济指标
精馏塔消耗的能量主要是再沸器的加 热量和冷凝器的冷却量消耗。 在一定的纯度要求下，增加塔内的上 升蒸汽是有利于提高产品收率的，但同时增 加了再沸器的能量消耗。因此精馏塔的操作 必须从整个经济效率来衡量。
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第11章典型化工单元的控制方案
精馏操作设备主要包括再沸器、冷凝 器和精馏塔，再沸器为混合物液相中的轻组 分转移提供能量，冷凝器将塔顶来的上升蒸 汽冷凝为液相并提供精馏所需的回流。精馏 塔实现混合物组分分离的主要设备。
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第11章典型化工单元的控制方案
2、精馏塔操作工艺要求
精馏塔的控制目标一般从质量指标、 产品质量和能量消耗三个方面考虑。同时要 把各种约束条件考虑进去。
3、精馏塔质量指标（被控变量选择）
对于一个二元组分精馏塔来说，在一 定压力下，沸点与产品成分之间有单独的函 数关系。因此，如果压力恒定，塔板温度就 反映了成分。对多元精馏来说，比较复杂， 但石油化工中许多产品由一系列碳氢化合物 的同系物组成，在一定压力下，保持一定的 温度，成分的误差可以忽略。 以温度作为质 量指标时，必须保持压力恒定。
•釜温与釜压串级控制。
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•图11－12 反应釜串级控制方案三
第11章典型化工单元的控制方案
3、固定床反应器的控制
固定床反应器是指催化剂床层固定于 设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作 用下进行化学反应以生成所需反应物。 固定床反应器温度控制十分重要。任 何一个化学反应器都有自己的最合适温度， 该温度综合考虑了化学反应速度、化学平衡 和催化剂活性等因素，该温度还是转化率的 函数。
第11章典型化工单元的控制方案
主要内容
§ 精馏塔操作工艺分析 § 精馏塔操作工艺要求 § 精馏塔质量指标选取 § 精馏塔常规控制方案 § 精馏塔的前馈－反馈控制方案
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第11章典型化工单元的控制方案
1、精馏塔操作工艺分析
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•图11－1 精馏塔的物料流程
第11章典型化工单元的控制方案
第11章典型化工单元的控制方案
（2）物料平衡
为了使反应正常，转化率高，要求维 持进入反应器的各种物料料恒定，配比符合 要求。因此，在进入反应器前，往往采用流 量定值或比值控制。对于有物料循环的反应 系统，还应该设置辅助控制系统。
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第11章典型化工单元的控Hale Waihona Puke Baidu方案
（3）约束条件
对于反应器，要防止工艺变量进入危 险或不正常工况。如在一些催化接触反应中， 温度过高或进料中某些杂质含量过高，将会 损坏催化剂；在流化床反应器中，流速过高， 会将固相吹走；而流速过低，又会让固相沉 淀。因此，应该配备报警、连锁装置或选择 性控制等。
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第11章典型化工单元的控制方案
（1）质量指标
化学反应器的质量指标一般指反应的 转化率或反应生产物的规定浓度。因此，应 该选取转化率或与之相关的可测变量作为被 控变量。 由于化学反应不是吸热就是放热，反 应过程总伴随热效应，所以温度是最能够表 征质量的间接控制指标。
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第11章典型化工单元的控制方案
（2）采用压力补偿的温度作为间接质量指标
温差控制 要求压力对这两点温度的影响接近。 一个检测点在塔顶，这里成分和温度变化比 较小；另一个放在灵敏板附近，成分和温度 变化比较大和灵敏。 与灵敏板温度相比，可减弱压力波动 对产品质量的影响。 关键：选点正确，温差设置合理。
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第11章典型化工单元的控制方案
双温差控制 采用温差控制时，若进料流量变化，将引起
塔内成分变化和塔内压降发生变化，这两种情况都 会引起温差变化，前者使温差减小，后者使温差增 大。即此时温差与成分不再是单值函数关系。 采用温差差值控制后，由于进料流量波动引 起塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段温差同 时出现，用塔的上、下段温差的差值作为被控变量 就消除了压降变化的影响。
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第11章典型化工单元的控制方案
（1）质量指标
一般应使塔顶或塔底产品之一达到规 定的纯度，另外一个产品的纯度应该维持在 规定的范围内；或者塔顶、塔底的产品均达 到一定的纯度要求。
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第11章典型化工单元的控制方案
（2）产量指标
在产品达到一定的质量指标的前提下， 得到尽可能高的收率。收率通常定义为产品 产量与进料中该产品组分的量之比。 生产效率除了与产品的纯度及收率有 关外，还要考虑能量消耗等因素。
第11章典型化工单元的控制方案
（1）按精馏段指标的控制方案
对馏出液的纯度要求较之对釜液为高时
（如主要产品为馏出液）按精馏段指标进行控制，
取精馏段某点成分或温度为被控变量，而以LR、D 或VS为操纵变量。 这种方案可以保证XD，当扰动不大时，XB 变化也不大。
采用这种方案时，在LR、D、VS及B中选择 一个作为控制成分的手段，选另外一种保持流量恒
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第11章典型化工单元的控制方案
2、釜式反应器的控制
釜式反应器在化学工业中广泛应用， 除了用作聚合反应外，在有机燃料、农药等 行业还经常采用釜式反应器进行碳化、硝化、 卤化等反应。 釜式反应器的反应温度控制是实现釜 式反应器最佳操作的关键，常用的方案有：
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第11章典型化工单元的控制方案
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第11章典型化工单元的控制方案
4、精馏塔控制方案
确定精馏塔的控制方案时，要考虑： 按物料和能量平衡进行控制 设置质量控制系统 静态和动态响应 考虑控制系统间的相关影响 考虑整个工艺生产过程的平稳操作 主要讨论顶部和底部产品都为液相且 没有侧线采出的情况。
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第11章典型化工单元的控制方案
温度控制首先要选择敏感点位置，把 感温元件安装在敏感点处，以便及时反映整 个催化剂床层温度的变化。多段的催化剂床 层往往要分段进行温度控制。常用的温度控 制方案有： 改变进料浓度 改变进料温度 改变段间进入的冷气量
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第11章典型化工单元的控制方案
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第11章典型化工单元的控制方案
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•根据精馏 段塔板温 度控制D， 并保持VS 恒定。
•图11－4 提馏段指标的控制方案一（a）
第11章典型化工单元的控制方案
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•图11－5 提馏段指标的控制方案一（b）
第11章典型化工单元的控制方案
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•B的采出量 小时较好，B 不合格时， 可以切断。 对F的波动控 制比较及时。
•硝酸生产过程， 改变氨和空气的 比值就相当于改 变进料的氨浓度
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•图11－13 改变进料浓度控制方案
第11章典型化工单元的控制方案
•原料进入反应器前需要预热，可通过改变进入换 热器的载热体流量，以控制反应床上的温度。
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•图11－14 改变旁路流量控制方案一
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第11章典型化工单元的控制方案
（1）采用温度作为间接质量指标
塔顶（或塔底）温度控制 产品在塔顶采用塔顶温度控制，反之亦然。 灵敏板温度控制 灵敏板是指当塔的操作经受扰动作用时，塔
内各板的温度都发生变化，一直到新的稳态时，温 度变化最大的那块板称为灵敏板。
中温控制 取加料板稍上、稍下的塔板或加料板的温度
二、化学反应器控制
化学反应过程伴有化学物理现象，涉 及能量、物料平衡，以及物料动量、热量和 物质传递过程，因此化学反应器的操作一般 比较复杂。 化学反应器的自动控制关系到产品的 质量、产量和安全生产。
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第11章典型化工单元的控制方案
1、反应器控制要求
化学反应器自动控制的基本要求是使 化学反应在符合预定要求的条件下自动进行。 设计化学反应器的自控方案，一般从 质量指标、物料平衡和约束条件等方面加以 考虑。
•通过改变热剂（或冷剂）量来调节进入反 应釜的物料温度从而维持反应温度
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•图11－8 控制进料温度方案
第11章典型化工单元的控制方案
•对于有传热面的反应釜，可以引入或移出反 应热来改变传热量实现温度控制。结构简单， 但控制滞后大。
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•图11－9 改变传热量控制方案
第11章典型化工单元的控制方案
第11章典型化工单元的 控制方案
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2020/11/25
第11章典型化工单元的控制方案
第三章
检测仪表及传感器
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第11章典型化工单元的控制方案
知识结构 •第5章 自动控制仪表 •第6章 执行器 •第2章 过程特性
•第3章 检测仪表与传感器
•第4章 显示仪表
•第1章自动控制系统基本概念
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•在回流比 LR/D很大 时适用。 可实现全 回流。
•图11－3 精馏段指标的控制方案二
第11章典型化工单元的控制方案
（2）提馏段指标的控制方案
当对釜液的成分要求较之对馏出液为 高时，要采用此方案；当对两者的质量要求 相近时，如果是液相进料，也采用此方案， 原因：在液相进料时，F的波动首先影响到 XB，用提馏段控制及时。
第11章典型化工单元的控制方案
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•当进料流量增加时，成 比例地增加再沸器的加热 蒸汽量和塔顶馏出液，就 可以基本保持塔顶和塔底 的产品成分不变。前馈克 服进料流量扰动的大部分， 小部分扰动由反馈克服。
•图11－7 精馏塔的前馈－反馈控制
第11章典型化工单元的控制方案
•为了有效处理控制滞后，采用串级控制方案， 根据进入反应釜的主要扰动不同，可以采用釜 温与热剂（或冷剂）流量的串级控制。
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•图11－10 反应釜串级控制方案一
第11章典型化工单元的控制方案
•釜温与夹套温度串级控制。
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•图11－11 反应釜串级控制方案二
第11章典型化工单元的控制方案
（4）约束条件
为了保证正常操作，需规定某些参数 的极限值，并作为约束条件。如： 塔内气体流速，防止漏液和泛液 塔的操作压力 再沸器两侧间的温差不能超过临界值，否 则会导致给热系数下降，传热量降低。
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第11章典型化工单元的控制方案
2、精馏塔控制问题分析
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第11章典型化工单元的控制方案
一、精馏塔的控制
精馏过程是现代化生产中应用极为广 泛的传质过程，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。 精馏过程十分复杂，被控变量多，可 选的操纵变量也多，它们之间可以有各种不 同的组合。精馏对象通道多、反应缓慢、内 在机理复杂、变量之间相关。
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作为被控变量。
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第11章典型化工单元的控制方案
用温度作为质量指标的前提是塔内压 力恒定，虽然精馏塔一般有塔压控制系统， 但对于精密精馏等控制要求较高的场合，微 小压力波动将影响温度与组分之间的关系。 如苯－甲苯－二甲苯分离时，大气压力变化 6.67KPa，苯的沸点变化2℃，超过了质量指 标的规定，而这种情况是完全可能的。因此 必须对压力的波动加以补偿。
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第11章典型化工单元的控制方案
生产过程的设备种类繁多，如流体输 送设备、传热设备、锅炉设备、精馏塔、化 学反应器等。 不同的设备及过程有不同的特性和控 制要求，同类设备的控制也会有很不相同的 控制方案。 本章简单介绍精馏塔的控制与化学反 应器的控制。
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第11章典型化工单元的控制方案
•第7章 简单控制系统
•第8章 复杂控制系统
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•第9章 新型控制系统 •第10章 计算机控制系统 第11章典型化工单元的控制方案
•化工仪表及自动化
•Measurement &Process control Technology
•
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第11章典型化工单元的控制方案
第十一章 典型化工单元的控制方案
定，其余两者则按照回流罐和再沸器的物料平衡，
由液位控制器进行控制。
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•图11－2 精馏段指标的控制方案一
•根据精馏 段塔板温 度控制LR， 并保持VS 恒定
第11章典型化工单元的控制方案
•根据精馏 段塔板温 度控制D， 并保持VS 恒定。
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第11章典型化工单元的控制方案
（3）能量要求和经济指标
精馏塔消耗的能量主要是再沸器的加 热量和冷凝器的冷却量消耗。 在一定的纯度要求下，增加塔内的上 升蒸汽是有利于提高产品收率的，但同时增 加了再沸器的能量消耗。因此精馏塔的操作 必须从整个经济效率来衡量。
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第11章典型化工单元的控制方案
精馏操作设备主要包括再沸器、冷凝 器和精馏塔，再沸器为混合物液相中的轻组 分转移提供能量，冷凝器将塔顶来的上升蒸 汽冷凝为液相并提供精馏所需的回流。精馏 塔实现混合物组分分离的主要设备。
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第11章典型化工单元的控制方案
2、精馏塔操作工艺要求
精馏塔的控制目标一般从质量指标、 产品质量和能量消耗三个方面考虑。同时要 把各种约束条件考虑进去。
3、精馏塔质量指标（被控变量选择）
对于一个二元组分精馏塔来说，在一 定压力下，沸点与产品成分之间有单独的函 数关系。因此，如果压力恒定，塔板温度就 反映了成分。对多元精馏来说，比较复杂， 但石油化工中许多产品由一系列碳氢化合物 的同系物组成，在一定压力下，保持一定的 温度，成分的误差可以忽略。 以温度作为质 量指标时，必须保持压力恒定。
•釜温与釜压串级控制。
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•图11－12 反应釜串级控制方案三
第11章典型化工单元的控制方案
3、固定床反应器的控制
固定床反应器是指催化剂床层固定于 设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作 用下进行化学反应以生成所需反应物。 固定床反应器温度控制十分重要。任 何一个化学反应器都有自己的最合适温度， 该温度综合考虑了化学反应速度、化学平衡 和催化剂活性等因素，该温度还是转化率的 函数。
第11章典型化工单元的控制方案
主要内容
§ 精馏塔操作工艺分析 § 精馏塔操作工艺要求 § 精馏塔质量指标选取 § 精馏塔常规控制方案 § 精馏塔的前馈－反馈控制方案
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第11章典型化工单元的控制方案
1、精馏塔操作工艺分析
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•图11－1 精馏塔的物料流程
第11章典型化工单元的控制方案
第11章典型化工单元的控制方案
（2）物料平衡
为了使反应正常，转化率高，要求维 持进入反应器的各种物料料恒定，配比符合 要求。因此，在进入反应器前，往往采用流 量定值或比值控制。对于有物料循环的反应 系统，还应该设置辅助控制系统。
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第11章典型化工单元的控Hale Waihona Puke Baidu方案
（3）约束条件
对于反应器，要防止工艺变量进入危 险或不正常工况。如在一些催化接触反应中， 温度过高或进料中某些杂质含量过高，将会 损坏催化剂；在流化床反应器中，流速过高， 会将固相吹走；而流速过低，又会让固相沉 淀。因此，应该配备报警、连锁装置或选择 性控制等。
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第11章典型化工单元的控制方案
（1）质量指标
化学反应器的质量指标一般指反应的 转化率或反应生产物的规定浓度。因此，应 该选取转化率或与之相关的可测变量作为被 控变量。 由于化学反应不是吸热就是放热，反 应过程总伴随热效应，所以温度是最能够表 征质量的间接控制指标。
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第11章典型化工单元的控制方案
（2）采用压力补偿的温度作为间接质量指标
温差控制 要求压力对这两点温度的影响接近。 一个检测点在塔顶，这里成分和温度变化比 较小；另一个放在灵敏板附近，成分和温度 变化比较大和灵敏。 与灵敏板温度相比，可减弱压力波动 对产品质量的影响。 关键：选点正确，温差设置合理。
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第11章典型化工单元的控制方案
双温差控制 采用温差控制时，若进料流量变化，将引起
塔内成分变化和塔内压降发生变化，这两种情况都 会引起温差变化，前者使温差减小，后者使温差增 大。即此时温差与成分不再是单值函数关系。 采用温差差值控制后，由于进料流量波动引 起塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段温差同 时出现，用塔的上、下段温差的差值作为被控变量 就消除了压降变化的影响。
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第11章典型化工单元的控制方案
（1）质量指标
一般应使塔顶或塔底产品之一达到规 定的纯度，另外一个产品的纯度应该维持在 规定的范围内；或者塔顶、塔底的产品均达 到一定的纯度要求。
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第11章典型化工单元的控制方案
（2）产量指标
在产品达到一定的质量指标的前提下， 得到尽可能高的收率。收率通常定义为产品 产量与进料中该产品组分的量之比。 生产效率除了与产品的纯度及收率有 关外，还要考虑能量消耗等因素。
第11章典型化工单元的控制方案
（1）按精馏段指标的控制方案
对馏出液的纯度要求较之对釜液为高时
（如主要产品为馏出液）按精馏段指标进行控制，
取精馏段某点成分或温度为被控变量，而以LR、D 或VS为操纵变量。 这种方案可以保证XD，当扰动不大时，XB 变化也不大。
采用这种方案时，在LR、D、VS及B中选择 一个作为控制成分的手段，选另外一种保持流量恒
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第11章典型化工单元的控制方案
2、釜式反应器的控制
釜式反应器在化学工业中广泛应用， 除了用作聚合反应外，在有机燃料、农药等 行业还经常采用釜式反应器进行碳化、硝化、 卤化等反应。 釜式反应器的反应温度控制是实现釜 式反应器最佳操作的关键，常用的方案有：
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第11章典型化工单元的控制方案
4、精馏塔控制方案
确定精馏塔的控制方案时，要考虑： 按物料和能量平衡进行控制 设置质量控制系统 静态和动态响应 考虑控制系统间的相关影响 考虑整个工艺生产过程的平稳操作 主要讨论顶部和底部产品都为液相且 没有侧线采出的情况。
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温度控制首先要选择敏感点位置，把 感温元件安装在敏感点处，以便及时反映整 个催化剂床层温度的变化。多段的催化剂床 层往往要分段进行温度控制。常用的温度控 制方案有： 改变进料浓度 改变进料温度 改变段间进入的冷气量
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•图11－4 提馏段指标的控制方案一（a）
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•图11－5 提馏段指标的控制方案一（b）
第11章典型化工单元的控制方案
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•B的采出量 小时较好，B 不合格时， 可以切断。 对F的波动控 制比较及时。
•硝酸生产过程， 改变氨和空气的 比值就相当于改 变进料的氨浓度
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•图11－13 改变进料浓度控制方案
第11章典型化工单元的控制方案
•原料进入反应器前需要预热，可通过改变进入换 热器的载热体流量，以控制反应床上的温度。
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第11章典型化工单元的控制方案
（1）采用温度作为间接质量指标
塔顶（或塔底）温度控制 产品在塔顶采用塔顶温度控制，反之亦然。 灵敏板温度控制 灵敏板是指当塔的操作经受扰动作用时，塔
内各板的温度都发生变化，一直到新的稳态时，温 度变化最大的那块板称为灵敏板。
中温控制 取加料板稍上、稍下的塔板或加料板的温度
二、化学反应器控制
化学反应过程伴有化学物理现象，涉 及能量、物料平衡，以及物料动量、热量和 物质传递过程，因此化学反应器的操作一般 比较复杂。 化学反应器的自动控制关系到产品的 质量、产量和安全生产。
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第11章典型化工单元的控制方案
1、反应器控制要求
化学反应器自动控制的基本要求是使 化学反应在符合预定要求的条件下自动进行。 设计化学反应器的自控方案，一般从 质量指标、物料平衡和约束条件等方面加以 考虑。
•通过改变热剂（或冷剂）量来调节进入反 应釜的物料温度从而维持反应温度
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•图11－8 控制进料温度方案
第11章典型化工单元的控制方案
•对于有传热面的反应釜，可以引入或移出反 应热来改变传热量实现温度控制。结构简单， 但控制滞后大。
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•图11－9 改变传热量控制方案
第11章典型化工单元的控制方案
第11章典型化工单元的 控制方案
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第11章典型化工单元的控制方案
第三章
检测仪表及传感器
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第11章典型化工单元的控制方案
知识结构 •第5章 自动控制仪表 •第6章 执行器 •第2章 过程特性
•第3章 检测仪表与传感器
•第4章 显示仪表
•第1章自动控制系统基本概念
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•在回流比 LR/D很大 时适用。 可实现全 回流。
•图11－3 精馏段指标的控制方案二
第11章典型化工单元的控制方案
（2）提馏段指标的控制方案
当对釜液的成分要求较之对馏出液为 高时，要采用此方案；当对两者的质量要求 相近时，如果是液相进料，也采用此方案， 原因：在液相进料时，F的波动首先影响到 XB，用提馏段控制及时。