精馏塔控制

2020/7/412020/7/41过程控制青海大学精馏塔的控制2020/7/422020/7/42过程控制青海大学精馏工艺精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，实现组分的分离。按组分(二元精馏和多元精馏)；按挥发度分(一般精馏和特殊精馏);按结构分(板式塔、填料塔)。按操作的连续性分类(连续精馏和间歇精馏)。2020/7/432020/7/43过程控制青海大学精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂，例如，非线性、时变、关联；控制方案多样，例如，同一被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面广等。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。2020/7/442020/7/44过程控制青海大学精馏过程通过精馏塔、再沸器、冷凝器等设备完成。再沸器为混合物液相中轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸气冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备。精馏塔的控制分析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2020/7/452020/7/45过程控制青海大学操作目的：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；2020/7/462020/7/46过程控制青海大学精馏塔的控制要求1、质量指标2、产品产量3、能量消耗4、约束条件控制目标：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。2020/7/472020/7/47过程控制青海大学质量指标多元精馏则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分。精馏塔的质量指标指塔顶或塔底产品的纯度二元精馏质量指标指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。产品组分含量并非越纯越好，2020/7/482020/7/48过程控制青海大学物料平衡控制进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。2020/7/492020/7/49过程控制青海大学能量平衡和经济平衡性指标要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。2020/7/4102020/7/410过程控制青海大学约束条件精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件气相速度限，出现液泛现象。最小气相速度限，造成漏液。操作压力限。临界温度限2020/7/4112020/7/411过程控制青海大学精馏塔产品纯度、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；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。2020/7/4过程控制青海大学12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；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。2020/7/4过程控制青海大学132020/7/4142020/7/414过程控制青海大学精馏塔的扰动分析进料流量和进料成分进料温度或进料热焓再沸器加热蒸汽压力冷却水压力和温度环境温度2020/7/4152020/7/415过程控制青海大学精馏塔的扰动分析进料流量：可测不可控，基本恒定，采用均匀或前馈控制进料成分：不可控和难测量，外围控制使不变进料温度：一般可测可控，不控制或进料热焓控制再沸器加热蒸汽压力：一般可控可测，定值或串级控制冷却水压力和温度：塔压定值或浮动塔压控环境温度：不控制或内回流控制2020/7/4162020/7/416过程控制青海大学精馏塔的静态特性物料平衡和内部的物料平衡能量平衡进料浓度Zf和进料流量F对产品质量的影响2020/7/4172020/7/417过程控制青海大学F,xFVB,xBD,xDBDF=总组分与轻组分的物料平衡方程：BDFBxDxFx=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。物料平衡和内部的物料平衡FZFDDxBxFB和是影响、的关键因素是通过和影响组分变化FDFB2020/7/4182020/7/418过程控制青海大学能量平衡分离度影响分离度的因素：s=f(α,n,V/F,ZF,E,nF))1()1(DBBDxxxxs=)(FVfssFVln==FV)1()1(lnDBBDxxxx2020/7/4192020/7/419过程控制青海大学结论XB、XD可采用D/F或B/F来控制当ZF一定时，如V/F和B/F(或D/F)一定，则XB和XD也就确定当ZF变化时，ZF↑，则XB和XD↑，可用增加D/F(或减小B/F)来补偿分离度S一定时，调节D/F或B/F可控制XB和XD，两者有关联2020/7/4202020/7/420过程控制青海大学精馏塔的内部物料平衡假设条件：加料板物料平衡精馏塔精馏段的物料平衡精馏塔提馏段的物料平衡2020/7/4212020/7/421过程控制青海大学精馏塔的内部物料平衡——进料板的物料平衡LsFVRVSLRRSSRFLVLV=泡点进料：SRSRLFLVV==露点进料：RSRSVVFLL==2020/7/4222020/7/422过程控制青海大学精馏塔的内部物料平衡——精馏段和提馏段的物料平衡D,xDVRLR=Liyi+1xi1RiRiDVyLxDx=jyjxj-1V=VsB,xBLs1SjSjBVyLxBx=2020/7/4232020/7/423过程控制青海大学动态影响分析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2020/7/4242020/7/424过程控制青海大学精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量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塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位LD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2020/7/4252020/7/425过程控制青海大学精馏塔的压力控制FLDPCFLDPC塔顶汽相采出量DV—塔压P冷凝器冷却量QC—塔压P2020/7/4262020/7/426过程控制青海大学精馏塔的简化控制问题精馏过程塔顶采出量D回流量L塔底采出量B再沸器加热量QH塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位LD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2020/7/4272020/7/427过程控制青海大学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。2020/7/4282020/7/428过程控制青海大学精馏塔被控变量的选择直接质量指标：产品成分：价格贵，可靠性差，滞后大间接质量指标：温度：二元物系：塔压固定时，与成分一一对应2020/7/4292020/7/429过程控制青海大学塔顶（或塔底）的温度控制使用场合：当塔顶馏出物是产品时，采用塔顶温度控制当塔底馏出物是产品时，采用塔底温度控制注意事项：该方案易受塔压影响，微量杂质会影响沸点，从而影响产品质量控制时，为保证另一产品的质量，要有一定的操作裕度由于温度检测装置灵敏度和监测点温度不灵敏，分离高纯产品有困难2020/7/4302020/7/430过程控制青海大学采用精馏段温度控制的场合•进料含比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质•对塔顶产品成分的要求比对塔底产•塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化•全部为气相进料2020/7/4312020/7/431过程控制青海大学采用提馏段温度控制的场合•对塔底产品成分的要求比对塔顶产品要求高•塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化•进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的清杂质•采用回流控制时，回流量较大变化会影响精馏塔平稳操作•全部为液相进料2020/7/4322020/7/432过程控制青海大学灵敏板的温度控制•静态：在扰动下，从一个稳态到另一个稳态时塔板温度变化更大的塔板•动态：灵敏板与上下塔板间的浓度差最大注意事项：•灵敏板应在正反扰动下有相近的温度差变化，以使系统有线性关系•对既定塔和操作条件，可计算出大致灵敏板为止，再实际调整•工况变化时，板效率变化，灵敏板位置也会变化2020/7/4332020/7/433过程控制青海大学采用压力补偿的温度作为间接质量指标温差控制双温差控制根据压力补偿计算温度设定值的控制2020/7/4342020/7/434过程控制青海大学温差控制设计依据：•塔压变化对两个塔板温度都有影响，用温差控制可减少压力变化的影响….•通常选一个温度变化较小，如塔顶或稍下几板，另一个选用灵敏板温度注意事项：•对分离要求较高的精馏塔可采用温差控制•温度检测点位置要选择合适，温差的设定值要合适，操作工况要稳定•也可直接用压力进行补偿的控制方案•主要用于消除塔压变化的影响，即压力变化时，温差不变2020/7/4352020/7/435过程控制青海大学双温差控制应用场合：当温度差与成分之间不是单值对应关系即进料负荷变化引起温度差的变化与引起的压力差变化不一致…..依据：负荷变化引起塔压变化，在精馏段和提馏段均有相应的温度差，用精馏段温度差与提馏段温度差的差值可补偿塔压变化的影响…..•注意事项•双温差控制器的设定值要合适•对进料流量的波动也有较好的控制效果2020/7/4362020/7/436过程控制青海大学根据压力补偿计算温度设定值的控制–TS是产品所需成分在塔压时对应的温度设定值；–p是塔压测量值；–p0是设计的塔压值；–Tsp是在实际塔压条件下的温度设定值20220)()(ppdpTdppdpdTTTssp=2020/7/4372020/7/437过程控制青海大学精馏塔的基本控制物料平衡控制：用塔顶或塔底的馏出物料作为操纵变量的控制能量平衡控制：用塔顶回流量或再沸器加热量作为操纵变量的控制2020/7/4382020/7/438过程控制青海大学精馏塔被控变量和操纵变量配对准则准则一当仅需一端的产品进行控制时选用物料平衡控制来控制该段的产品质量准则二当塔两端的产品流量较小时应作为操纵变量控制塔两端的产品质量准则三当塔两端产品均需质量控制时通常对含纯产品较少杂质较多一端的质量控制2020/7/4392020/7/439过程控制青海大学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：（