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9/23/20241内 容n精馏塔的控制目标n精馏塔的静态特性n精馏塔质量指标的选取n精馏塔的基本控制方案n精馏塔的复杂控制方案n讨论9/23/20242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。9/23/20243连续精馏装置的工艺流程操作目的操作目的：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；9/23/20244精馏塔的控制目标n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。n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。9/23/20245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；能耗指标能耗指标：用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示；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。9/23/20246精馏塔的静态特性总与轻组分的物料平衡方程：能耗与分离度S的关系：结论结论：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。9/23/20247精馏塔的控制问题9/23/20248精馏塔质量指标的选取n直接质量指标直接质量指标（1）产品质量在线分析仪 / 软测量仪n间接质量指标间接质量指标*（1）灵敏板温度灵敏板温度，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。9/23/20249精馏塔的压力控制塔顶汽相采出量 DV 塔压 P冷凝器冷却量 QC 塔压 P9/23/202410精馏塔简化的控制问题* 考虑被控过程的静态与动态特性，结合就近原则就近原则，可将控制问题分解简化为两个相对独立的子系统。9/23/202411精馏塔物料平衡控制问题特点特点：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。适应场合适应场合：（1）对产品质量要求不高；（2）处理量与进料性质变化不频繁或变化幅度小。9/23/202412物料平衡控制方案之一9/23/202413物料平衡控制方案之二9/23/202414按精馏段指标的控制方案n被控变量被控变量：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)n控制变量控制变量：D, R, B (而保持再沸器加热量V为定值)n控制结构控制结构（1）方案1：B LB， D LR， R TD；（2）方案2：B LB， R LR， D TD。9/23/202415精馏段控制方案之一9/23/202416精馏段控制方案之二9/23/202417按提馏段指标的控制方案n被控变量被控变量：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)n控制变量控制变量：V, B, D (而保持回流量R为定值)n控制结构控制结构（1）方案1：D LR， B LB， V TB；（2）方案2：D LR， V LB， B TB。9/23/202418提馏段控制方案之一9/23/202419提馏段控制方案之二9/23/202420精馏塔两端质量指标控制问题9/23/202421两端质量指标控制方案9/23/202422两端质量指标控制方案之一控制方案控制方案（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。9/23/202423两端质量指标控制方案之二问题问题：对上述两种方案进行关联分析、比较9/23/202424精馏塔多回路控制系统9/23/202425精馏塔解耦控制系统9/23/202426精馏塔的其他控制方案n进料热焓控制，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；n进料前馈反馈控制进料前馈反馈控制，以适应进料量的变化，并提高控制质量；n浮动塔压控制浮动塔压控制：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。n产品质量指标的产品质量指标的“卡边卡边”控制控制：关键技术：在线分析仪 (软测量仪) + 先进控制系统9/23/202427前馈反馈控制系统9/23/202428练习题 1某简单精馏塔如图所示，要求控制精馏段灵敏温度TR、回流罐液位LD、塔底液位LB，而可操作变量为回流量L、塔顶产品采出量D、塔底产品采出量B、塔底再沸器加热量QH 。试针对下列情况为该设备设计一个多回路控制系统，尽可能减少各回路之间的关联，并克服进料性质与处理量的变化：（1）回流比L/D大于3；（2）塔顶产率D/F大于，而回流比小于1。9/23/202429练习题 2对于左图所示的二元精馏塔两端产品质量控制系统，若选择被控变量为 y1 = xD （塔顶产品中轻组份的质量浓度），y2 = xB（塔底产品中轻组份的质量浓度）；而控制变量为 u1 = L/F，u2 = V/F 。试分析该控制方案中两个质量控制回路之间的静态相对增益矩阵。9/23/202430练习题 3精馏塔提馏段灵敏板温度控制回路很可能引起液。假设液泛可以用塔底和塔顶压力之差来表征（压差太大表示很可能存在液泛）。请在此基础上设计一个液泛约束控制系统，以保证正常操作时按提馏段温度调节加热蒸汽量，而当塔出现液泛时则要求调节加热蒸汽量确保不发生液泛。要求画出带控制点的流程图与对应的方块图，并选择调节器的正反作用。9/23/202431反应器控制思考题1、了解化学反应的一般原理，掌握反应速度与化学平衡的概念及其主要影响因素；2、能够结合连续放热反应釜的稳态特性分析反应器的热稳定性问题；3、针对各种不同类型的化学反应器，掌握基本控制问题与控制系统的设计方法；4、了解常见反应器的复杂控制与先进控制方案。9/23/202432