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1、精馏塔自动控制系统精馏塔是化工生产过程中十分重要的设备，它的控制直接影响到工厂的产品质量、产量和能量消耗，因此精馏塔的自动控制一直受到人们的高度重视。精馏塔是一个多输入和多输出的对象，内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢，参数间关联密切，因此控制要求高，难度大。集散型控制系统是计算机技术、数字通讯技术、显示技术和控制技术相接合的产物，是现代企业实现“管控一体化”的自动化工具。本项目以精馏塔生产工艺实训装置为依托，通过介绍精馏生产工艺过程及控制要求，了解集散型控制系统在精馏设备上的应用。掌握集散型控制系统的安装、调试、投运及故障处理方法。任务一项目分析一、精馏设备介绍、概述精馏过程是化工、石油化工
2、、炼油生产中应用极为广泛的工艺过程。精馏的目的就是将沸点不同的，互溶的液体混合物分离开，并满足规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用液体混合物中各组分沸点不同的差异，在一定压力下加热，并使之沸腾，则沸点低的组分易汽化，富集在蒸汽中；沸点高的组分难汽化，残留液体中。若将产生的蒸汽冷凝，冷凝液即为低沸点物质，这样就实现了混合液中组分的分离。在工业生产中，将互溶液体混合物各组分分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。 具体分类如下：、简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。、精馏：分离纯度要求很高时采用。、特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精馏分离，借助某些特殊手段进行的精
3、馏。、间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。、连续精馏：多用于大批量工业生产中。、常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。、减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况、加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点、多组分精馏：例如原油的分离。、双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。、精馏塔的结构工业连续精馏设备由三部分组成，如图3-1-1所示：（） 精馏塔：它是精馏操作的主要设备，实现汽液两相接触而使混合液分离。精馏塔从结构上分，有板式塔和填料塔两大类。板式塔直径较大，内部有多层塔板；填料塔直径较小，内部充装填料。图3-1-1精馏塔组成（） 塔釜（或再沸器）
4、：用来生产上升蒸汽，并暂存塔底产品。塔釜可用塔的最下部装上加热装置（列管、蛇管或夹套）而构成；也可以在塔外另设一加热装置而构成。塔外的加热装置称为再沸器。（） 冷凝器：它的作用是使塔顶蒸汽冷凝，以其部分冷凝液作为回流，以建立塔板间的内部回流，其作部分即为塔顶产品。精馏塔都采取中部进料，进料板把全塔分成二段：进料板以上叫做精馏段；进料板以下称提馏段。在精馏段，上升蒸汽中的高沸点组分转变成液体，液体中的低沸点组分转变成蒸汽，完成上升蒸气低沸点组分的精制。在提馏段，下降液体中的低沸点组分转变成蒸汽，蒸汽中的高沸点组分转变成液体，完成下降液体高沸点组分的提浓。、精馏塔的控制要求精馏塔的控制目标是：在保
5、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。精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑设置必要的控制系统。、产品质量控制精馏塔的产品质量是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶（或塔底）产品达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。对于多元精馏而言，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，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易
6、挥发的，称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好，原因是，纯度越高，对控制系统的控制精度要求就越高，操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使用要求适应。 、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液罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为控制目标的。、能量平衡控制输入、输出能量应平衡，使塔内操作压力维持稳定。、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运行，必须使某些参数限制在约束条件之内。常用的限制条件有液泛限、漏液限、操作压力限和临界温度限等。液泛限（或
7、气相速度限）：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。漏液限（或最小气相速度限）：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。就是说塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内气液平衡，严重越限甚至会影响到安全生产。临界温度限：保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常操作。、精馏塔的基本控制方案精馏塔有多个被控变量和多个操纵变量，合理选择他们的配对，有利于减小系
8、统的关联，并使精馏塔的操作平稳。在精馏塔控制中，变量配对的三条准则是： 当仅需要控制塔的一端产品时，应选用物料平衡方式控制该端产品的质量； 塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量； 当塔两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端采用物料平衡方式控制其质量，对含纯产品较多，杂质较少的一端采用能量平衡方式控制其质量。当选用塔顶产品馏出物流量或塔底采出量作为操纵变量控制产品质量时，称为物料平衡控制方式；当选用塔顶回流量或再沸器加热蒸汽量作为操纵变量时，称为能量平衡控制。、产品质量的开环控制精馏塔产品的质量开环控制是不采用质量指标作为被控变量的控制。这里，质量开环控制
9、指没有根据质量指标的控制。因此，精馏塔的质量开环控制主要是根据物料平衡关系，从外围控制精馏塔的（或）和，使其产品满足工艺要求。、固定回流量和加热蒸汽量当进料量及其状态恒定时，采用回流量、加热蒸汽量定值控制，就能使和固定，产品的成分就可确定。控制方案如图3-1-2所示，变量的配对见表3-1-1。表3-1-1 固定回流和蒸汽量的变量配对被控变量回流量再沸器加热蒸汽回流罐液位塔釜液位操纵变量回流量再沸器加热蒸汽塔顶流出液量塔底采出液量为消除进料量的扰动，可对进料量进行定值控制。当进料量来自上一工序，变化很大时，可将进料量作为前馈信号，与回流量和蒸汽量组成前馈-反馈控制系统。控制方案如图3-1-3所示
10、。、固定塔顶馏出量和加热蒸汽量当回流比很大时，控制馏出量比控制回流量更有利。例如， =50， =1，则控制回流量变化1%，将变化50%，因此，采用控制可使操作更平稳。控制系统的变量配对见表3-1-2，控制方案如图3-1-4所示。表3-1-2 固定塔顶馏出量和蒸汽变量配对被控变量塔顶流出液量再沸器加热蒸汽回流罐液位塔釜液位操纵变量塔顶流出液量再沸器加热蒸汽回流量塔底采出液量、固定塔底采出量和回流量对回流量的控制与方案一相似。而对塔底采出量和再沸器蒸汽量的控制方案则与方案一不同。方案二是直接控制塔底采出量，而再沸器蒸汽量则用于控制塔釜液位。变量配对见表3-1-3，控制方案如图3-1-5所示。表3-
11、1-3 固定塔底采出量和回流量变量配对被控变量回流量塔底采出液量回流罐液位塔釜液位操纵变量回流量塔底采出液量塔顶流出液量再沸器加热蒸汽 图3-1-2 开环质量控制方案之一 图3-1-3 开环质量控制方案之二 图3-1-4 开环质量控制方案之三LCFCLCFC精馏塔图3-1-5 开环质量控制方案之四、按精馏段指标的控制按精馏段质量指标进行控制是在精馏段温度或成分作为被控变量的控制。可分为直接物料平衡控制和间接物料平衡控制。如果操纵变量是产品的出料，则称为直接物料平衡控制。、直接物料平衡控制该控制方案的被控变量是精馏段温度，可以是塔顶温度。操纵变量是塔顶馏出量，同时，控制塔釜蒸汽加热量恒定。变量配
12、对见表3-1-4，控制方案如图3-1-5所示。表3-1-4 精馏塔直接物料平衡控制的变量配对被控变量精馏段温度再沸器加热蒸汽回流罐液位塔釜液位操纵变量塔顶馏出量再沸器加热蒸汽回流量塔底采出液量该控制方案的优点是物料和能量平衡之间的关联最小，内回流在环境温度变化时基本不变，产品不合格时不出料。该控制方案的缺点是控制回路的滞后大，改变后，需经回流罐液位变化并影响回流量，再影响温度，因此，动态响应较差。适用于塔顶馏出量很小（回流比很大）、回流罐容积较小的精馏操作。当馏出量有较大波动时，还可将精馏段温度作为被控变量，馏出量作为副被控变量组成串级控制系统。、间接物料平衡控制 该控制方案的操纵变量是回流量
13、，通过回流量的变化影响馏出量，因此是间接物料平衡控制。精馏段的变量配对见表3-1-5，控制方案如图3-1-6所示。表3-1-5 精馏段间接物料平衡控制的变量配对被控变量精馏段温度再沸器加热蒸汽回流罐液位塔釜液位操纵变量回流量再沸器加热蒸汽塔顶馏出量塔底采出液量该控制方案的优点是控制作用及时，温度稍有变化就可通过回流量进行控制，动态响应快，对克服扰动影响有利。该控制方案的缺点是内回流受外界环境温度影响大，能量和物料平衡直接的关联大。主要使用于回流比小于0.8及需要动态响应快速的精馏操作，是精馏塔最常用的控制方案。当内回流受环境温度影响较大时，可采用内回流控制；当回流量变动较大时，可采用串级控制；
14、当进料量变动较大时，可采用前馈-反馈控制等。 图3-1-5 精馏段直接物料平衡控制 图3-1-6 精馏段间接物料平衡控制、按提馏段指标的控制按提馏段质量指标进行控制是将提馏段温度或成分作为被控变量的控制。可分为直接物料平衡控制和间接物料平衡控制。、直接物料平衡控制根据提馏段温度控制塔底采出量的控制方案是直接物料平衡控制。同时，保持回流比或回流量恒定。变量配对见表3-1-6，控制方案如图3-1-7所示。表3-1-6 提留段直接物料平衡控制的变量配对被控变量提馏段温度回流量回流罐液位塔釜液位操纵变量塔底采出液量回流量塔顶馏出量再沸器加热蒸汽该控制方案具有能量和物料平衡关系的关联小，塔底采出量较小时
15、操作较平稳，产品不合格时不出料等特点。但与精馏段直接物料平衡控制方案相似，动态响应较差，滞后较大，液位控制回路存在反向特性。适用于很小，且0.2的精馏操作。、间接物料平衡控制采用再沸器加热量作为操纵变量，控制提馏段温度的控制是间接物料平衡控制。变量配对见表3-1-7，控制方案如图3-1-8。表3-1-7 提馏段间接物料平衡控制的变量配对被控变量提馏段温度回流量回流罐液位塔釜液位操纵变量再沸器加热蒸汽回流量塔顶馏出量塔底采出液量该控制方案具有响应快、滞后小的特点，能迅速克服进入精馏塔的扰动影响。缺点是物料平衡和能量平衡关系有较大关联。适用于 2.0的精馏操作。 LCFCLCTC精馏塔 图3-1-7 提留段直接接物料平衡控制 图3-1-8
