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1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程信息学院自动化系：孙洪程 第第1717章章 精馏塔的控制精馏塔的控制 精馏塔的控制精馏塔的控制17.1概述概述17.2精馏塔的特性精馏塔的特性17.3精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择17.4精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案17.5精馏塔的新型控制方案精馏塔的新型控制方案第第17章章教学进程教学进程教学进程教学进程 利利利利用用用用混混混混合合合合物物物物中中中中各各各各组组组组分分分分的的的的挥挥挥挥发发发发度度度度（沸沸沸沸点点点点）不不不不同同同同，或或或或在在在在相相相相同同同同温温温温度度度度下下下下，各各各各组组组组分分分分的
2、的的的蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽分分分分压压压压不不不不同同同同，轻轻轻轻组组组组分分分分（液液液液相中）和重组分（汽相中）相互转移相中）和重组分（汽相中）相互转移相中）和重组分（汽相中）相互转移相中）和重组分（汽相中）相互转移 根根根根据据据据结结结结构构构构不不不不同同同同，可可可可分分分分为为为为泡泡泡泡罩罩罩罩塔塔塔塔、浮浮浮浮阀阀阀阀塔塔塔塔、筛筛筛筛板板板板塔塔塔塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等。穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等。穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等。穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等。概述概述概述概述机理机理机理机理精馏塔系统特点：精馏塔系统特点：精馏塔系统特点：精馏塔系统特点：MIMOMIMO系统
3、、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、系统、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、系统、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、系统、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、能耗大能耗大能耗大能耗大-控制要求高控制要求高控制要求高控制要求高机理机理机理机理概述概述概述概述热剂热剂釜液釜液,B,xBLBF,zf冷剂冷剂LDD,xDLV二元精馏系统二元精馏系统精馏塔的基本关系精馏塔的基本关系（1）物料平衡物料平衡 F=B+D B B、D D：塔釜、塔顶馏出液：塔釜、塔顶馏出液 Fzf=DxD+BxBx xD D、x xB B ：塔釜、顶轻组分含量：塔釜、顶轻组分含量物料平衡、能量平衡物料平衡、能量平衡二元精馏系统二
4、元精馏系统物料平衡方程：物料平衡方程：x xB B x xD DB/F B/F ： x xB B x xD DD/F D/F 分离度分离度 s: xs: xD D x xB B 能量平衡方程能量平衡方程 V：上升蒸汽量：上升蒸汽量表征了表征了s与与V/F的的关系关系V/F增加，增加，s也增加，但能耗增加也增加，但能耗增加 对于特定的塔，进料组分一定，只要对于特定的塔，进料组分一定，只要D/F D/F 和和 V/F V/F 一定，塔顶和塔底的组分就可确定。一定，塔顶和塔底的组分就可确定。精馏塔的基本关系精馏塔的基本关系 （2）能量平衡能量平衡精馏塔的控制要求精馏塔的控制要求在保证产品合格情况下，
5、总收益最大或总成本最小在保证产品合格情况下，总收益最大或总成本最小。（1）产品质量控制）产品质量控制塔顶或塔底产品之一应达到规定的纯度。另一产品组成也应在要求塔顶或塔底产品之一应达到规定的纯度。另一产品组成也应在要求塔顶或塔底产品之一应达到规定的纯度。另一产品组成也应在要求塔顶或塔底产品之一应达到规定的纯度。另一产品组成也应在要求范围之内。多元精馏的关键组份含量来描述质量指标。范围之内。多元精馏的关键组份含量来描述质量指标。范围之内。多元精馏的关键组份含量来描述质量指标。范围之内。多元精馏的关键组份含量来描述质量指标。（2）物料平衡控制）物料平衡控制维持塔平稳操作，液位稳定维持塔平稳操作，液位
6、稳定（3）能量平衡控制）能量平衡控制操作压力稳定操作压力稳定（4）约束条件控制）约束条件控制塔的正常操作必须满足一定约束条件，如最大处理量下产品质量好，产量塔的正常操作必须满足一定约束条件，如最大处理量下产品质量好，产量塔的正常操作必须满足一定约束条件，如最大处理量下产品质量好，产量塔的正常操作必须满足一定约束条件，如最大处理量下产品质量好，产量高，能耗小。确定目标函数使收效最大，能耗最小。高，能耗小。确定目标函数使收效最大，能耗最小。高，能耗小。确定目标函数使收效最大，能耗最小。高，能耗小。确定目标函数使收效最大，能耗最小。对塔最大气速操作对塔最大气速操作对塔最大气速操作对塔最大气速操作压力
7、，加热、温差、冷却温差等都有限制。压力，加热、温差、冷却温差等都有限制。压力，加热、温差、冷却温差等都有限制。压力，加热、温差、冷却温差等都有限制。精馏塔的特性精馏塔的特性精馏塔的特性精馏塔的特性jj+1j-1精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择 间接指标间接指标温度温度 压力一定情况下，温度与产品的成分有单值对应的关压力一定情况下，温度与产品的成分有单值对应的关系系 直接指标和间接指标直接指标和间接指标 直接指标直接指标产品成分产品成分 在线成分仪表价格贵，并且可靠性差在线成分仪表价格贵，并且可靠性差 间接指标间接指标温差控制温差控制在精密蒸馏时，
8、要求产品纯度很高，组份之间的相对挥发度差异很小，在精密蒸馏时，要求产品纯度很高，组份之间的相对挥发度差异很小，组份变化引起的温度变化有时比压力变化引起的温度变化还小，组份变化引起的温度变化有时比压力变化引起的温度变化还小，对塔对塔压控制要求很严格。压控制要求很严格。 有时为了兼顾塔顶、塔底产品，可以取进料板温度有时为了兼顾塔顶、塔底产品，可以取进料板温度精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择温度点位置温度点位置 塔顶分离物为产品时，温度放在塔顶塔顶分离物为产品时，温度放在塔顶精馏段控制精馏段控制 塔底分离物为产品时，温度放在塔底塔底分离物为产品时，温度
9、放在塔底提馏段控制提馏段控制 塔顶温度受压力限制，变化很小，因而，有时取灵敏板温度塔顶温度受压力限制，变化很小，因而，有时取灵敏板温度温度控制恒定时，压力的微小波动，对产品的成分影温度控制恒定时，压力的微小波动，对产品的成分影响很大响很大精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择压力补偿温度压力补偿温度KpOz=T-Kp+KpOPKpTT（1）直接压力补偿直接压力补偿精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择（4）推断控制推断控制（2）温差控制温差控制压力的变化，塔顶各板的温度同时变化，某两点温差控制，压力的变化，塔顶
10、各板的温度同时变化，某两点温差控制，可可消除压力影响，关键是温差的取值大小。消除压力影响，关键是温差的取值大小。（3）双温差控制双温差控制精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案物料平衡控制方案物料平衡控制方案物料平衡控制方案物料平衡控制方案 无质量控制（无温度控制）无质量控制（无温度控制）P332图图17-1017-11LCLCFCFCFCDLQVFB精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案共同特点：恒共同特点：恒定控制塔顶或定控制塔顶或塔底回流量，塔底回流量，有利于平稳操有利于平稳操作作质量指标控制质量指标控制
11、质量指标控制质量指标控制 通过温度控制成分通过温度控制成分控制手段：控制手段：塔顶、塔顶、塔底回流、塔底回流、塔釜加热量塔釜加热量DLQVFB （1 1）方案）方案1 1、2 2 在保证塔釜温度和液位基本稳定，控制精馏段温度在保证塔釜温度和液位基本稳定，控制精馏段温度精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案2、L控制温度控制温度下降下降1、D控制温度控制温度优点：物料与能量平衡之间的关联最小优点：物料与能量平衡之间的关联最小缺点：温度控制滞后大缺点：温度控制滞后大温度升高温度升高 D升高升高减小减小液位液位L增大增大温度温度精馏塔的整体控制方案精馏塔的整
12、体控制方案精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案（2 2）方案）方案3 3、4 4 通过控制提馏段温度，控制精馏塔的温度分布通过控制提馏段温度，控制精馏塔的温度分布塔顶回流和馏出的定值控制塔顶回流和馏出的定值控制4、B控制温度控制温度温度升高温度升高B减小减小温度下降温度下降缺点：温度控制滞后大缺点：温度控制滞后大3、Q控制温度控制温度温度升高温度升高Q减小减小温度下降温度下降缺点：温度控制与物料平衡控制有关联缺点：温度控制与物料平衡控制有关联复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用（4 4）前馈控制）前馈控制把进料作为对温度的一个主要扰动，提前控制把进料作为对温度的一个主要扰动，提前控制（1）
13、串级控制）串级控制 温度与塔釜加热介质（蒸汽）流量的串级控制，温度与塔釜加热介质（蒸汽）流量的串级控制，图图17-20（A）、（）、（B）（2）均匀控制）均匀控制 多个串联操作时，要考虑液位与流量的均匀控制多个串联操作时，要考虑液位与流量的均匀控制（3）比值控制）比值控制 回流比回流比D/F控制控制复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用FYFCFVQBP223根据精馏关系，在塔的压力恒定的情况下，才能采用温根据精馏关系，在塔的压力恒定的情况下，才能采用温度作为间接参数控制成分指标，因此希望塔压恒定。度作为间接参数控制成分指标，因此希望塔压恒定。精馏一般可在负压、常压、正压下进行。精馏一般可在负压
14、、常压、正压下进行。塔的压力控制塔的压力控制塔顶汽相压力塔顶汽相压力塔顶汽相出料：塔顶汽相出料：出口管线上直接节流出口管线上直接节流塔顶液相出料：塔顶液相出料： （1）正压塔）正压塔PC气相出料气相出料塔的压力控制塔的压力控制（1）正压塔）正压塔液相含有微量不凝聚物液相含有微量不凝聚物：几乎全部冷凝，通过改几乎全部冷凝，通过改变凝聚量控制，图变凝聚量控制，图17-23三种方案。改变冷凝水、三种方案。改变冷凝水、改变冷凝量、旁路控制改变冷凝量、旁路控制PC塔的压力控制塔的压力控制PCPC（1）正压塔）正压塔液相含有大量不凝聚物：液相含有大量不凝聚物：气体较多，通过汽相排除气体较多，通过汽相排除控
15、制压力控制压力图图17-24。PCLD塔的压力控制塔的压力控制PCLD液相含有少量不凝聚物：液相含有少量不凝聚物：界于以上两种情况之间，采用两个界于以上两种情况之间，采用两个操纵变量控制，冷凝剂量和放空量。操纵变量控制，冷凝剂量和放空量。（1）正压塔）正压塔塔的压力控制塔的压力控制PCLD分程调节分程调节图图17-25（2）负压塔）负压塔塔顶设置抽真空系统塔顶设置抽真空系统图图17-26（A）直接节流抽气管）直接节流抽气管（B）控制旁路）控制旁路塔的压力控制塔的压力控制抽真空抽真空PC空气惰性气体空气惰性气体抽真空抽真空PC一般只在回流罐或塔顶一般只在回流罐或塔顶冷凝器上与大气接通即冷凝器上与
16、大气接通即可可（3）常压塔）常压塔塔的压力控制塔的压力控制精馏塔的控制精馏塔的控制17.1概述概述17.2精馏塔的特性精馏塔的特性17.3精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择17.4精馏塔的整体控制方案精馏塔的整体控制方案17.5精馏塔的新型控制方案精馏塔的新型控制方案第第12章章教学进程教学进程教学进程教学进程精馏塔的新型控制方案精馏塔的新型控制方案精馏塔的新型控制方案精馏塔的新型控制方案内回流、热含控制内回流、热含控制解耦控制解耦控制 当精馏塔塔顶、塔当精馏塔塔顶、塔底产品均有质量底产品均有质量要求时，通常希要求时，通常希望进行两端控制，望进行两端控制，T1CT2CDLFB问问题题：解
17、解耦耦装装置置的的动动态态特特性性很很难难获获得得，因因此此，一一般采用静态解耦，或再进行一定的动态补偿。般采用静态解耦，或再进行一定的动态补偿。GDGBD11D21D12D22G11G21G12G22L*LxDV*VxB解耦控制解耦控制问题：两套系统关联（耦合）严重问题：两套系统关联（耦合）严重解决办法：解耦控制解决办法：解耦控制多点温度的质量推断控制多点温度的质量推断控制推断控制推断控制精馏塔的节能控制精馏塔的节能控制精馏塔是能量消耗大户，节能控制对于提高经济效益有很精馏塔是能量消耗大户，节能控制对于提高经济效益有很大意义。大意义。通常，精馏塔的控制以增加回流量，加大蒸汽加热量，通常，精馏
18、塔的控制以增加回流量，加大蒸汽加热量，换取一个较宽的操作范围，保证产品合格换取一个较宽的操作范围，保证产品合格能耗增加。能耗增加。降低能耗降低能耗质量的卡边控制质量的卡边控制C、塔压不能出现突变塔压不能出现突变精馏塔的节能控制精馏塔的节能控制（1）浮动塔压的控制方案）浮动塔压的控制方案浮动塔压的目的：在可能的条件下，尽量降低塔压浮动塔压的目的：在可能的条件下，尽量降低塔压B、使汽液平衡温度温度下降，提高再沸器加热效率使汽液平衡温度温度下降，提高再沸器加热效率A、可以增加组分间的挥发度，使再沸器加热量下降。、可以增加组分间的挥发度，使再沸器加热量下降。塔压浮动的条件塔压浮动的条件A、选择尽量不受
19、塔压影响的控制指标，直接取质量、选择尽量不受塔压影响的控制指标，直接取质量指标最好，取温度，要考虑压力补偿措施。指标最好，取温度，要考虑压力补偿措施。B、冷凝器的冷凝能力的限制、冷凝器的冷凝能力的限制控制实施控制实施冷却水冷却水精馏塔的节能控制精馏塔的节能控制阀位极限值阀位极限值VPCPCLFD图图17-29分析：增加了一个阀位控制系统分析：增加了一个阀位控制系统1VPC作用使塔压不会突变作用使塔压不会突变作用作用2保证冷凝器总在最大负荷下工作，保证冷凝器总在最大负荷下工作，阀门开度阀门开度90%（VPC设定）设定）突然降温引起压力下降时，突然降温引起压力下降时，PC关小阀门，开度小于关小阀门
20、，开度小于90%，压力迅速回升，使塔压不会突变，然后，压力迅速回升，使塔压不会突变，然后VPC工作，缓慢工作，缓慢降低降低PC设定值，直到阀门开度回到设定值，直到阀门开度回到90%，塔压降到与外，塔压降到与外界环境相应的值。界环境相应的值。精馏塔的节能控制精馏塔的节能控制燃料油燃料油V1热油热油V2T2CVPCT1CB精馏塔的节能控制精馏塔的节能控制（2）化学热力学观点实现的方案）化学热力学观点实现的方案P228图图12-29分析：分析：T1升高升高T1C使使V2关小关小VPC动作，降低动作，降低T2C给定值给定值V1关小关小温度下降，温度下降，V2开大到原来的阀位（开大到原来的阀位（90%左
21、右）左右） 充分利用塔顶汽相的热量。充分利用塔顶汽相的热量。精馏塔的节能控制精馏塔的节能控制使再沸器加热热油控制阀总保持在尽量打开的状态使再沸器加热热油控制阀总保持在尽量打开的状态方法：热油控制阀位控制、热油温度控制（尽量低）方法：热油控制阀位控制、热油温度控制（尽量低）（2）化学热力学观点实现的方案）化学热力学观点实现的方案精馏塔的最优控制精馏塔的最优控制（2 2）控制方法）控制方法 依赖于模型，动态模型获得困难，通常进行静态优化依赖于模型，动态模型获得困难，通常进行静态优化P230231保证质量指标的条件下，使某种经济指标最优。保证质量指标的条件下，使某种经济指标最优。单塔最优、机组最优、全厂单塔最优、机组最优、全厂/车间最优车间最优关键：目标函数、优化方案关键：目标函数、优化方案（1）目标函数）目标函数利润指标函数利润指标函数成本指标函数成本指标函数
