精馏塔控制

第六章精馏塔的控制苏成利信息与控制工程学院自动化系2020/2/16CopyrightbySuChengli2内容提要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2020/2/16CopyrightbySuChengli3教学重点1、掌握简单精馏塔的控制问题与分解方法；2、熟悉精馏塔的静态特性；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。2020/2/16CopyrightbySuChengli46.1精馏塔的控制目标6.1.1工艺流程回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐操作目的：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。2020/2/16CopyrightbySuChengli56.1.2控制目标控制总目标：保证产品质量合格的前提下，使总效益最大（或成本小，或能耗小），所以就考虑三方面：(1)质量指标（纯度）(2)产量指标（收率）(3)能耗指标（成本）2020/2/16CopyrightbySuChengli66.1.2控制目标——质量指标要求馏出物达到规定的质量指标。例：二元塔使塔顶轻组分纯度或塔底重组分纯度符合要求。F—进料流量Z1—组分1在原料中的浓度D—馏出液Y1—组分1在馏出液中的浓度B—釜底采出液X1—组分1在釜液中的浓度2020/2/16CopyrightbySuChengli76.1.2控制目标——质量指标多元精馏塔：采用“关键组分”的概念，选择某二组分。以它在D、B中的浓度作为指标。例：脱乙烷塔C2H6挥发度较大——轻关键组分。C3H6挥发度较小——重关键组分。多元塔的质量指标是控制塔顶总产品中轻关键组分含量和底部产品中重关键组分含量。2020/2/16CopyrightbySuChengli86.1.2控制目标——收率、能耗回收率:Ri=P/FZiZi—组分i在原料中的浓度。P—产品产量（合格即可）（非纯组分）（注意：Ri只与合格的产品产量P有关，与产品组成没有严格关系，故回收率Ri可能大于100%）例:Zi=50%=0.5，P/F=0.7∴Ri=0.7/0.5=140%产品合格条件下，P愈大愈好，但能耗将相应增大。实际上，产品纯度和能耗间有相当复杂的密切关系，当进料热焓一定时，可用V/F代表能耗。V—再沸器产生的上升蒸汽量。2020/2/16CopyrightbySuChengli9精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系120100806040200809095989999.599.8产品回收率*100%产品纯度*100%2=FV468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；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。2020/2/16CopyrightbySuChengli106.2精馏塔的静态特性及表态影响因素精馏塔操作的影响因素：（1）进料量（2）进料浓度（3）进料温度和状态（4）塔顶采出量D（5）塔底采出量B（6）再沸器加热量（7）冷凝器冷却量（8）回流量温度、流量（9）塔顶压力2020/2/16CopyrightbySuChengli116.2.1精馏塔的静态特性——全塔物料衡算及能量衡算F,VB,D,Y1X1Z1总物料衡算：F=D+B轻组分1衡算：FZ1=DY1+BX11111XYXZFD=1111或YXYZFB=①改变D/F或B/F，X1、Y1随之改变。②若保持X1、Y1一定，当Z1不变时，则D就随F成比例变化（这是FFC根据）（保持D/F,B/F不变）③若F不变，则Z1↑，D应随之↑，X1、Y1可不变。2020/2/16CopyrightbySuChengli126.2.1精馏塔的静态特性——全塔物料衡算及能量衡算热衡算：看不出X1,Y1的关系。定义分离度：塔的特性因子（塔结构、进料等有关）BDFBHDHEFHH=111111YXXYS=)1()1(lnln1111YXXYSFV==:能耗与分离度S的关系：1111XYXZFD=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X1,Y1就完全确定。2020/2/16CopyrightbySuChengli136.2.1精馏塔的静态特性——内部物料衡算i)进料段的物料衡算上升汽量：回流汽量：泡点进料，e=0，进料不产生上升汽。露点进料，e=1，进料全部汽化。两相进料，0e1FeVVsr=eFLLrs=1过冷液相进料，e1过热汽相进料：e1.可见，进料e变化，影响塔内汽液相流量，影响分离效果。2020/2/16CopyrightbySuChengli146.2.1精馏塔的静态特性——内部物料衡算ii)对精馏段，第n层以上部分作衡算式中：回流比DnrnrDXXLYV=1DLVrr=或DrnrnnXVDXVLY=1DrnrrnXDLDXDLLY=1DnXRXRR111=DLRr=2020/2/16CopyrightbySuChengli156.2.1精馏塔的静态特性——内部物料衡算ii)对提馏段，第i层以下部分作衡算BisisBXXLYV=1BsissiXVBXVLY=1Yi：第i层板上升气相中轻组分含量。Xi+1：第i+1块塔板上的液相轻组分含量。2020/2/16CopyrightbySuChengli166.2.2精馏塔的表态影响因素1111XYXZFD=YXXYFV=11ln=111,,ZFVFDfX=121,,ZFVFDfYeFLLFeVVrssr==1（1）进料F的影响（2）采出量D（B）及L的影响（3）再沸器加热量的影响（5）塔压的影响。（4）冷凝器冷却量和环境条件变化影响。2020/2/16CopyrightbySuChengli176.3精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量D回流量R塔底采出量B再沸器上升蒸汽量V冷凝器冷却量QC塔顶汽相采出量DV塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位LR塔顶压力P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LDY1X1QHC2020/2/16CopyrightbySuChengli186.3基本控制方案1、物料平衡控制F=D+B①进料F和D流量控制，适用于DB；②进料F和B流量控制，适用于DB；③进料D和B流量控制，不适用。不能F、D、B同时流量控制，易不平衡。一般，F流量可以控制恒定，选用①②。当F流量不能恒定时，要考虑F做前馈信号。C2020/2/16CopyrightbySuChengli196.3基本控制方案——物料平衡控制被控变量：F:进料D:顶出B:底采出LB:塔底液位LD:回流罐液位P:塔压H:再沸器加热量C:冷凝器冷却量L：回流量操纵变量：FDBBL,DC,HHCLC2020/2/16CopyrightbySuChengli206.3基本控制方案——物料平衡控制方案控制变量FDBHCL1被控变量FDLBHPLD2FDLBPCLD3FDLBPLDL4FDLBLDPL5FLDBLBPL6FLDBPLBL2020/2/16CopyrightbySuChengli21方案控制变量FDBHCL1被控变量FDLBHPLD2020/2/16CopyrightbySuChengli22方案控制变量FDBHCL2被控变量FDLBPCLD方案2与方案1比较，P用H作调节器，滞后大，有非线性，塔压与H加热量存在非线性，需加以修正。2020/2/16CopyrightbySuChengli23方案控制变量FDBHCL3被控变量FDLBPCLD回流温度与塔压相互关联2020/2/16CopyrightbySuChengli24方案控制变量FDBHCL4被控变量FDLBLDPL回流罐液位调节通道过长，不如方案3比较上述方案：1较好，2次好，3较差，4最差。2020/2/16CopyrightbySuChengli25方案控制变量FDBHCL5被控变量FLDBLBPL6被控变量FLDBPLBL方案5、6比较：LB与P相互关联。方案5关联系数大于1；方案6关联系数小于0，不能用。方案5适合于气相/液相比较大时。2020/2/16CopyrightbySuChengli26改进方案FCF与D动态前馈保证在动态时，D/F成比值。同时，与H动态前馈保证V/F成比值。2020/2/16CopyrightbySuChengli276.3基本控制方案——质量反馈控制质量指标选取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。2020/2/16CopyrightbySuChengli286.3基本控制方案——质量反馈控制FLDPCFLDPC塔顶汽相采出量DV—塔压P冷凝器冷却量C—塔压P精馏塔的压力控制2020/2/16CopyrightbySuChengli296.3基本控制方案——质量反馈控制被控变量TD,LD,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,L,B(而保持再沸器加热量H为定值)控制结构（1）方案1：B—LB，D—LD，L—TD；（2）方案2：B—LB，L—LD，D—TD。1按精馏段指标的控制方案2020/2/16CopyrightbySuChengli301按精馏段指标的控制方案DLCTCFBLCFCFC（1）方案1：B—LB，D—LD，L—TD控制滞后小，反应快，有利于克服进入精馏段的扰动和保证塔顶产品要求：TC为PI控制，加热量足够大。精馏段能量平衡控制，最常用的方法。2020/2/16CopyrightbySuChengli311按精馏段指标的控制方案DLCFBLCFCFCTC（2）方案2：B—LB，L—LD，D—TD控制滞后大，反应慢，影响控制质量的提高，同时,要求加热量足够大。精馏段物料平衡控制，有利于塔的平稳操作。2020/2/16CopyrightbySuChengli322按提馏段指标的控制方案被控变量TB,LB,LD(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)控制变量H,B,D(而保持回流量L为定值)控制结构（1）方案1：D—LD，B—LB，H—TB；（2）方案2：D—LD，H—LB，B—TB。2020/2/16CopyrightbySuChengli332按提馏段指标的控制方案DLCTCFBLCFCFC（1）方案1：D—LD，B—LB，H—TB控制滞后小，反应快，有利于克服进入提馏段的扰动和保证塔底产品要求：回流量足够大。否则容易引起液泛，塔操作异常。最常用的方法。2020/2/16CopyrightbySuChengli342按提馏段指标的控制方案DLCFBLCFCFCTC（2）方案2：D—LD，H—LB，B—TB控制滞后大，反应慢，且液位控制回路存在反向特性，影响塔的产品质量。要求：回流量足够大。保证最大负荷时产品质量。当B较小时，操作平稳。2020/2/16CopyrightbySuChengli353精馏塔两端质量指标控制方案精馏塔DLBQHTRLBLDTSWHTBTD2020/2/16CopyrightbySuChengli363精馏塔两端质量指标控制方案方案控制变量DLQHB1LDTRTSLB2TRLDTSLB3LDTRLBTS4受控变量TRLDLBTSHT