中国石油大学过程控制课件11 精馏塔控制
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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；
3
精馏塔的控制目标
安全
平稳操作
产品质量:
产品质量应该控制到刚好满足规格要求。高质量 不会增加售价，却会增加能耗降低产量。
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。
2020/4/27
32
前馈反馈控制系统
TC
×
F
FC × TC
2020/4/27
FC D
B
33
精馏塔设备的控制
2020/4/27
1
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
2020/4/27
2
连续精馏装置的工艺流程
原料 精 馏 塔
2020/4/27
冷凝器
回流罐
塔顶产品
回流泵
再 沸 器
塔底产品
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。
31
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；
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
LC
FC
TC
F
精 馏
塔
L
D
LC
FC
QH
B
塔顶温度回路和塔底液位回路之间存在着较严重的关
联，多为负相关，不使用。
2020/4/27
24
一端产品质量控制：塔底质量
被控变量：TS, LD, LB (即只对塔底产品质量指标进行
控制，对塔顶产品质量指标不作严格要求)
D
L
B QH?
¿
W
精
LD
馏
塔
TS
LB
方案 操纵变量 D L
方案 操纵变量 D L QH B
1
L D L QH LB
2
D
受控变量
LD QH LB
3
L D L LB B
4
D L D LB B
备注 对产品的质量控制较弱
当D＜＜B时采用 当B＜＜D时采用
不可用
方案4中，D和B不可同时作为受 控变量——否则F就由D和B来决
定了；
2020/4/27
17
物料平衡控制方案之方案一
F
D
F
D
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P
2020/4/27
冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
13
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
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
——进料板的物料平衡
VR LR F
VS Ls
F LR VS LS VR
泡点进料：
LS F LR VS VR
露点进料：
VR VS F LR LS
2020/4/27
8
塔内部平衡关系
——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
Ls
VR yi1 LR xi DxD
产品回收率
经济效益
在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的回收 率并设法降低装置的能耗。
能耗：再沸器加热量、冷凝器冷凝量、塔及其附
属设备的能量损耗
2020/4/27
4
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
D
19
物料平衡控制方案之方案三
PC
当B＜＜D时采用
FC
F
精 馏
塔
LC
QH
2020/4/27
LC FC
L
D
•回流L对塔压P的影响较小，回 FC 流罐液位回路和压力控制回路间
B 的相关影响较小；
20
一端产品质量控制：塔顶质量
被控变量：TR, LD, LB (即只对塔顶产品质量指标进行
控制，对塔底产品质量指标不作严格要求)
不使用。
21
一个产品质量控制之方案五
PC
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
2020/4/27
TC
L
LC
B
直接控制塔内能 量平衡关系来实 现对分离精度的 控制， LC 但是回流L的波动 对精馏塔的平稳 操作是不利的。 D 再沸器加热量需 要足够大，以保 证最大负荷时的 产品质量。
22
一个产品质量控制之方案六
PC
5
精馏塔产品纯度、产品回收率 和能耗之间的相互关系
120
产品回收率*100%
100 80
V 2 F
4
68
60
40
20
0
80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
2020/4/27
6
精馏塔的静态特性
F, xF
V
总组分与轻组分的物料平衡方程：
F D B FxF DxD BxB
FC
精
馏
F
塔
FC
QH
2020/4/27
LC
L
LC
B
TC D
一种物料平衡控制方 案。实质是通过D的变 化使LD改变，从而在 LD的液位控制作用下使 L变化。因此温度回路 滞后较大。
回流量较大时控制D较 灵敏。当产品质量不 合格时，可采取全回 流保证产品质量。
再沸器加热量也要保 持较高的值。
23
一个产品质量控制之方案七
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
2020/4/27
12
精馏塔的压力控制
PC
PC
L L
27
精馏塔两端质量指标控制问题
目的：为了使操作成本特别是能耗减少
W
D L QH B
D
TR
LD
××
L
精 馏
LD
TR
××
B QH
塔
TS × ×
TS LB
LB × ×
2020/4/27
28
两端质量指标控制方案
方案 控制变量 D L QH B
13
LD TR TS
LB
14
TR LD TS
LB
受控变量
15
LD TR LB
方案中回流采用
D
定值控制，当回
流量不足时容易
引起液泛。
26
一个产品质量控制之方案十
PC
FC
F
精 馏
塔
LC
QH
2020/4/27
FC
L
TC
B
与方案六类似，
也是物料平衡控
制方式。实质是
LC
通过B的变化使LB
改变，从而在 LB
的液位控制作用
D
下使QH变化。
底部产品流量小 时采用；并且质 量不合格时可以 暂停出料。
30
两端质量指标控制之方案十四
根据精馏塔静态特性有：
TR
LC
TC
B xD xF
F xD xB
F
TC
TS
L
V
QH
B
2020/4/27
D
V F
ln S
ln
xD xB
(1 (1
xB xD
) )
则可求出相对增益：
xD ,D
xB ,V
1
1 xD z f xB 1 xB
z f xB xD 1 xD
9
LD L
10 受控变量 LD L
11
D LD
12
D LD
QH B TS LB LB TS TS LB LB TS
•方案12不采用，原因同方案8
2020/4/27
•方案11不推荐，原因同方案7
25
一个产品质量控制之方案九
PC
FC
F
精 馏
塔
TC
QH
2020/4/27
FC
L
LC
B
采用再沸器加热 量控制温度，动 LC 态响应快，反应 迅速。
W
方案 操纵变量 D L QH B
D
精
L
馏
塔
B
QH?
¿
2020/4/27
5
TR
6
LD
7
LD TR QH LB TR LD QH LB LD TR LB B
LB
8
TR LD LB B
方案8中，D＝F－B，一旦F和B固定，D就不是一个自
由变量，无法实现对温度的控制，因此不可用。
方案7中，L和QH回路之间的关联性较强，且为负相关，
塔底液位
LB
2020/4/27
14
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。(参照板、灵 敏板，可以减弱操作点变化对温度的影响
TS
16
TR LD LB
TS
2020/4/27
29
两端质量指标控制之方案十三
PC
该方案在应用前应先
分析两个质量回路的
相关性：
F
TC
QH
TC
精 馏
L
塔
LC
B
LC
（1）若相互耦合不严重，
则可通过调节器参数的整
D
定，使相关回路的工作频
率拉开以减少关联；
（2）若耦合严重，则要
考虑采用解耦控制。
2020/4/27
B, xB
VS y j LS x j1 BxB
改变精馏塔的回流和上升气体流量会改变每块塔板上的
浓度，最终导致产品浓度的改变
2020/4/27
9
影响精馏过程的主要因素为：
➢ 进料量、进料浓度、进料温度和状态 ➢ 再沸器加热量 ➢ 冷凝器冷却量 ➢ 回流量 ➢ 塔顶采出量 ➢ 塔底采出量 ➢ 塔压
D xF xB 或 B xD xF F xD xB F xD xB
D, xD 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。
2020/4/27
7
塔内部平衡关系
PC
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
2020/4/27
LC FC
L
D
•对冷凝器和再沸器的操作波动
LC
无自动补偿作用
B 对产品的质量控制较弱 18
物料平衡控制方案之方案二
PC
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
2020/4/27
LC
L
LC
B
当D＜＜B时采用
1、如果对B自控，
B的小波动会造成D
FC
的大波动
2、小流量控制液
位太慢
2020/4/27
10
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
2020/4/27
11
精馏塔的控制问题
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。
2020/4/27
2020/4/27
15
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。
D L
精 馏
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不高；
塔
（2）处理量与进料性质变
B
LB 化不频繁或变化幅度小。
QH
D
L
QH
B
LD
×
×
LB
×
×
2020/4/27
16
精流塔物料平衡控制方案
3
精馏塔的控制目标
安全
平稳操作
产品质量:
产品质量应该控制到刚好满足规格要求。高质量 不会增加售价，却会增加能耗降低产量。
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。
2020/4/27
32
前馈反馈控制系统
TC
×
F
FC × TC
2020/4/27
FC D
B
33
精馏塔设备的控制
2020/4/27
1
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
2020/4/27
2
连续精馏装置的工艺流程
原料 精 馏 塔
2020/4/27
冷凝器
回流罐
塔顶产品
回流泵
再 沸 器
塔底产品
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。
31
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；
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
LC
FC
TC
F
精 馏
塔
L
D
LC
FC
QH
B
塔顶温度回路和塔底液位回路之间存在着较严重的关
联，多为负相关，不使用。
2020/4/27
24
一端产品质量控制：塔底质量
被控变量：TS, LD, LB (即只对塔底产品质量指标进行
控制，对塔顶产品质量指标不作严格要求)
D
L
B QH?
¿
W
精
LD
馏
塔
TS
LB
方案 操纵变量 D L
方案 操纵变量 D L QH B
1
L D L QH LB
2
D
受控变量
LD QH LB
3
L D L LB B
4
D L D LB B
备注 对产品的质量控制较弱
当D＜＜B时采用 当B＜＜D时采用
不可用
方案4中，D和B不可同时作为受 控变量——否则F就由D和B来决
定了；
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物料平衡控制方案之方案一
F
D
F
D
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P
2020/4/27
冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
13
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
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
——进料板的物料平衡
VR LR F
VS Ls
F LR VS LS VR
泡点进料：
LS F LR VS VR
露点进料：
VR VS F LR LS
2020/4/27
8
塔内部平衡关系
——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
Ls
VR yi1 LR xi DxD
产品回收率
经济效益
在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的回收 率并设法降低装置的能耗。
能耗：再沸器加热量、冷凝器冷凝量、塔及其附
属设备的能量损耗
2020/4/27
4
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
D
19
物料平衡控制方案之方案三
PC
当B＜＜D时采用
FC
F
精 馏
塔
LC
QH
2020/4/27
LC FC
L
D
•回流L对塔压P的影响较小，回 FC 流罐液位回路和压力控制回路间
B 的相关影响较小；
20
一端产品质量控制：塔顶质量
被控变量：TR, LD, LB (即只对塔顶产品质量指标进行
控制，对塔底产品质量指标不作严格要求)
不使用。
21
一个产品质量控制之方案五
PC
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
2020/4/27
TC
L
LC
B
直接控制塔内能 量平衡关系来实 现对分离精度的 控制， LC 但是回流L的波动 对精馏塔的平稳 操作是不利的。 D 再沸器加热量需 要足够大，以保 证最大负荷时的 产品质量。
22
一个产品质量控制之方案六
PC
5
精馏塔产品纯度、产品回收率 和能耗之间的相互关系
120
产品回收率*100%
100 80
V 2 F
4
68
60
40
20
0
80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
2020/4/27
6
精馏塔的静态特性
F, xF
V
总组分与轻组分的物料平衡方程：
F D B FxF DxD BxB
FC
精
馏
F
塔
FC
QH
2020/4/27
LC
L
LC
B
TC D
一种物料平衡控制方 案。实质是通过D的变 化使LD改变，从而在 LD的液位控制作用下使 L变化。因此温度回路 滞后较大。
回流量较大时控制D较 灵敏。当产品质量不 合格时，可采取全回 流保证产品质量。
再沸器加热量也要保 持较高的值。
23
一个产品质量控制之方案七
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
2020/4/27
12
精馏塔的压力控制
PC
PC
L L
27
精馏塔两端质量指标控制问题
目的：为了使操作成本特别是能耗减少
W
D L QH B
D
TR
LD
××
L
精 馏
LD
TR
××
B QH
塔
TS × ×
TS LB
LB × ×
2020/4/27
28
两端质量指标控制方案
方案 控制变量 D L QH B
13
LD TR TS
LB
14
TR LD TS
LB
受控变量
15
LD TR LB
方案中回流采用
D
定值控制，当回
流量不足时容易
引起液泛。
26
一个产品质量控制之方案十
PC
FC
F
精 馏
塔
LC
QH
2020/4/27
FC
L
TC
B
与方案六类似，
也是物料平衡控
制方式。实质是
LC
通过B的变化使LB
改变，从而在 LB
的液位控制作用
D
下使QH变化。
底部产品流量小 时采用；并且质 量不合格时可以 暂停出料。
30
两端质量指标控制之方案十四
根据精馏塔静态特性有：
TR
LC
TC
B xD xF
F xD xB
F
TC
TS
L
V
QH
B
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D
V F
ln S
ln
xD xB
(1 (1
xB xD
) )
则可求出相对增益：
xD ,D
xB ,V
1
1 xD z f xB 1 xB
z f xB xD 1 xD
9
LD L
10 受控变量 LD L
11
D LD
12
D LD
QH B TS LB LB TS TS LB LB TS
•方案12不采用，原因同方案8
2020/4/27
•方案11不推荐，原因同方案7
25
一个产品质量控制之方案九
PC
FC
F
精 馏
塔
TC
QH
2020/4/27
FC
L
LC
B
采用再沸器加热 量控制温度，动 LC 态响应快，反应 迅速。
W
方案 操纵变量 D L QH B
D
精
L
馏
塔
B
QH?
¿
2020/4/27
5
TR
6
LD
7
LD TR QH LB TR LD QH LB LD TR LB B
LB
8
TR LD LB B
方案8中，D＝F－B，一旦F和B固定，D就不是一个自
由变量，无法实现对温度的控制，因此不可用。
方案7中，L和QH回路之间的关联性较强，且为负相关，
塔底液位
LB
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14
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。(参照板、灵 敏板，可以减弱操作点变化对温度的影响
TS
16
TR LD LB
TS
2020/4/27
29
两端质量指标控制之方案十三
PC
该方案在应用前应先
分析两个质量回路的
相关性：
F
TC
QH
TC
精 馏
L
塔
LC
B
LC
（1）若相互耦合不严重，
则可通过调节器参数的整
D
定，使相关回路的工作频
率拉开以减少关联；
（2）若耦合严重，则要
考虑采用解耦控制。
2020/4/27
B, xB
VS y j LS x j1 BxB
改变精馏塔的回流和上升气体流量会改变每块塔板上的
浓度，最终导致产品浓度的改变
2020/4/27
9
影响精馏过程的主要因素为：
➢ 进料量、进料浓度、进料温度和状态 ➢ 再沸器加热量 ➢ 冷凝器冷却量 ➢ 回流量 ➢ 塔顶采出量 ➢ 塔底采出量 ➢ 塔压
D xF xB 或 B xD xF F xD xB F xD xB
D, xD 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。
2020/4/27
7
塔内部平衡关系
PC
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
2020/4/27
LC FC
L
D
•对冷凝器和再沸器的操作波动
LC
无自动补偿作用
B 对产品的质量控制较弱 18
物料平衡控制方案之方案二
PC
FC
F
精 馏
塔
FC
QH
2020/4/27
LC
L
LC
B
当D＜＜B时采用
1、如果对B自控，
B的小波动会造成D
FC
的大波动
2、小流量控制液
位太慢
2020/4/27
10
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
2020/4/27
11
精馏塔的控制问题
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。
2020/4/27
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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。
D L
精 馏
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不高；
塔
（2）处理量与进料性质变
B
LB 化不频繁或变化幅度小。
QH
D
L
QH
B
LD
×
×
LB
×
×
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精流塔物料平衡控制方案