浙大工业过程控制16.精馏塔控制

2020/2/26工业过程控制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2020/2/26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2020/2/26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。2020/2/26工业过程控制连续精馏装置的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；塔底需要冷却使塔顶组分冷凝；2020/2/26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下，尽可能提高产品的产品并设法降低装置的能耗。2020/2/26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。2020/2/26工业过程控制精馏塔的静态特性F,xFVB,xBD,xDBDF=总与轻组分的物料平衡方程：BDFBxDxFx=能耗与分离度S的关系：==)1()1(lnlnDBBDxxxxSFVBDFDBDBFxxxxFBxxxxFD==或结论：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。2020/2/26工业过程控制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2020/2/26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。2020/2/26工业过程控制精馏塔的压力控制FLDPCFLDPC塔顶汽相采出量DV—塔压P冷凝器冷却量QC—塔压P2020/2/26工业过程控制精馏塔简化的控制问题精馏塔塔顶采出量D回流量R塔底采出量B再沸器上升蒸汽量V精馏段灵敏板温度TD塔底液位LB回流罐液位LR外部扰动(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量被控变量提馏段灵敏板温度TB*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。2020/2/26工业过程控制精馏塔物料平衡控制问题精馏塔DLBQHLBLDFW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：（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。2020/2/26工业过程控制物料平衡控制方案之一DLCFBLCFCFCQHFC精馏塔L2020/2/26工业过程控制物料平衡控制方案之二DFBLCFCQHFC精馏塔LFCLC2020/2/26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。2020/2/26工业过程控制精馏段控制方案之一DLCTCFBLCFCFC2020/2/26工业过程控制精馏段控制方案之二DLCFBLCFCFCTC2020/2/26工业过程控制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)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。2020/2/26工业过程控制提馏段控制方案之一DLCTCFBLCFCFC2020/2/26工业过程控制提馏段控制方案之二DLCFBLCFCFCTC2020/2/26工业过程控制精馏塔两端质量指标控制问题精馏塔DLBQHTRLBLDTSW2020/2/26工业过程控制两端质量指标控制方案方案控制变量DLQHB1LDTRTSLB2TRLDTSLB3LDTRLBTS4受控变量TRLDLBTS2020/2/26工业过程控制两端质量指标控制方案之一TCFBTCTBTDRVV1V2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。2020/2/26工业过程控制两端质量指标控制方案之二TCFBTCTSVQHDLTRLC问题：对上述两种方案进行关联分析、比较2020/2/26工业过程控制精馏塔多回路控制系统2020/2/26工业过程控制精馏塔解耦控制系统2020/2/26工业过程控制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2020/2/26工业过程控制前馈反馈控制系统DFBFC×FCTCTC×2020/2/26工业过程控制练习题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0.3，而回流比小于1。B,xBVTRQHD,xDLLDLBF,xF2020/2/26工业过程控制练习题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。TCFBTCTSTRLVQH2020/2/26工业过程控制练习题3TC进料顶产品底产品气开PBPDΔPm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。2020/2/26工业过程控制反应器控制思考题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。