精馏塔控制
精馏塔控制
控制结构 （1）方案1：D — LR， B — LB， V — TB； （2）方案2：D — LR， V — LB， B — TB。
提馏段控制方案之一
FC F
TC
FC
LC B
LC D
提馏段控制方案之二
FC F
FC
TC LC
B
LC D
精馏塔两端质量指标控制问题
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。
连续精馏装置的工艺流程
原料
精 馏 塔
冷凝器
操作目的：
塔顶产品
通过反复的部分汽化 与部分冷凝，将混合
回流罐
液中沸点不同的各组
分分离成产品。
回流泵
再 沸 器
塔底产品
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；
W
D
TR
L
精 馏
LD
塔
B
TS
QH
LB
两端质量指标控制方案
方案 控制变量
D
L
QH
B
1
LD
TR
TS
LB
2
TR
LD
TS
LB
受控变量
3
LD
TR
LB
TS
4
TR
LD
LB
TS
两端质量指标控制方案之一
F
TC
TB V V2
TD
TC
R V1
B
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。
典型化工单元的控制案例—精馏塔的控制(工业仪表自动化)
1、精馏塔温度控制为 什么常用灵敏板上的温度作 为被控变量？
2、精馏塔精馏段温度控 制为什么改变回流量而不改 变再沸器的加热量？
精馏塔是化工生产中重 要的分离设备，它利用混合 物中各组分挥发度的不同， 将混合物组分进行分离并达 到规定的纯度要求。
CONTENTS
02
-15%
03
03
有些干扰是可控的,有些干扰 是不可控的。一般对可控的主要 干扰可采用定值控制系统加以克 服。然而对不可控的干扰，它们 最终将反映在塔顶馏出物与塔底 采出量的产品质量上。
思考题
1、精馏塔液相进Байду номын сангаас流量 增加对塔顶产品有什么影响？
2、精馏塔塔压增加对塔 顶产品和塔底产品有什么影 响？
CONTENTS
01
塔压定值控制
进料流 量控制
回流量定 值控制
塔釜液 位控制
回流罐液 位控制
质量控制系统
03
塔压定值控制
A B
02
在实际生产过程中，由 于不同的物料性质，精馏塔 的类型不同，生产产品纯度 的要求不同等情况，可根据 现场具体情况采用各种不同 的控制方法。。
精馏塔的控制说明
一、精馏塔的控制要求精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。
具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。
（1）产品质量控制；（2）物料平衡控制；（3）能量平衡控制；（4）约束条件控制（液泛限、漏液限、压力限、临界温差限等）。
防止液泛和漏液，可以用塔压降或压差来监视气相速度。
二、精馏塔的主要干扰因素精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F、进料组分Z f、进料温度T f或热焓F E。
此外，冷剂与热剂的压力盒温度及环境温度等因素，也会影响精馏塔的平衡操作。
所以，在精馏塔的整体方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，对精馏塔的操作平稳时极为有利的。
三、精馏塔控制变量的分析精馏塔的控制是为了保证精馏塔安全、平稳的运行，其目标是，是塔操作满足各种约束条件，保持塔的物料及能量的平衡，在较佳的工况下安全、平稳的运行，获得较大的产品回收率和较低的能耗及符合规定要求的产品。
在过程系统控制中所涉及的变量可分为以下几类。
（1）被控变量被控变量是通过改变调节其他相关变量使之维持在目标值的变量。
精馏塔的被控变量有5个：塔顶产品的浓度、塔底产品的浓度、塔内压力、塔釜及回流罐的液位。
（2）操纵变量操纵变量时通过改变调节阀的开度实施对介质的调节，该介质变量称为操纵变量。
控制系统是通过调节操纵变量来控制被控变量，而操纵变量通常是系统的流量。
如产品流量、塔回流量及加热剂、冷却剂量。
操纵变量也为5个。
（3）干扰变量精馏塔的环境参数及输入变量波动破坏塔的平衡，使产品质量发生变化，称这些变量为干扰变量，控制的目的就是克服干扰变量的扰动影响。
干扰变量有些可控，有些则不能控制。
a、可控干扰变量如塔的进料流量、温度或进料焓值或热状态。
b、不可控干扰变量如进料的成分、环境温度、冷却水温及大气压等。
四、精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择，是指精馏塔产品质量控制中被控变量的确定，以及检测点的位置等问题。
第七章 精馏塔的控制
j LR x j
D，XD
F，ZF Vs y k Ls x k-1 ↑ ↓ k
VS VR , LS LR F
进料为气相，且为露点，则：
Ls B,xB
VR Vs F , LR LS
物料平衡示意图
其它情况下的进料较为复杂，
VR Vs 1 q F LS LR qF
4、节能与经济性
回收率：
Ri 组分i的产品流量 100 ％ 进料中组分i的流量
例如：丙烯—丙烷塔，进料流量F，丙烯含量Ei，塔顶丙烯 产品流量D，则丙烯回收率 ＝D/(FEi )×100％ 其他的丙烯进入到塔底的丙烷产品中。
能耗－产品纯度－回收率的关系
能耗不变时，产品纯度↑，回收率↓ 保证产品纯度时，能耗↑，回收率↑，但回收率增加 到一定程度时，提高的就不明显了。 保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最 佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少 些。
LR 定义回流比： R D
，则：
LR LR R VR LR D R 1
可通过回流比R和再沸器蒸汽量V→内部物料平衡→yj+1 回流比R↑，y~x斜率↑ 全回流（R=∞，D=0）时， yj+1 =xj为对角线
（3）提镏段物料平衡
再沸器物料平衡：
B LS VS
提馏段操作 线方程
个气泡时的温度称为泡点
全部变成饱和气相的温度称为露点。
精馏塔原理示意图
1、工艺流程 2、分类
板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔
穿流塔、浮喷塔、浮舌塔
填料塔
增加气液两相的接触面积 乱堆填料，规整填料
精馏塔物料流程图
3、机理复杂、控制难度大
精馏塔的控制要求
精馏塔的控制要求2.1 质量指标混合物分离的纯度是精馏塔控制的主要指标。
在精馏塔的正常操作中，产品质量指标就必须符合预定的要求，即保证在塔底或塔顶产品中至少有一种组分的纯度达到规定的要求，其他组分也应保持在规定的范围内，因此，应当取塔底或塔顶产品的纯度作为被控变量。
但是，在线实时监测产品纯度有一定的困难，因此，大多数情况下是用精馏塔内的“温度和压力”来间接反应产品纯度。
对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控变量。
对于多元精馏塔，由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物，在一定的塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。
因此，绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。
2.2 平稳操作为了保证精馏塔的平稳操作，首先必须尽可能克服进塔之前的主要可控扰动，同时缓和一些不可控的主要扰动，例如，对塔进料温度进行控制、进料量的均匀控制、加热剂和冷却剂的压力控制等。
此外，塔的进出物料必须维持平衡，即塔顶馏出物与塔底采出物之和应等于进料量，并且两个采出量的变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。
另外，控制塔内的压力稳定，也是塔平衡操作的必要条件之一。
2.3 约束条件为了保证塔的正常、平稳操作，必须规定某些变量的约束条件。
例如，对塔内气体流速的限制，塔内气体流速过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效率；再沸器的加热温差不能超过临界值的限制等。
3精馏塔的温度控制精馏塔控制最直接的质量指标是产品的组分，但产品组分分析周期长，滞后严重，因而温度参数成了最常用的控制指标，即通过灵敏板进行控制[3]。
3.1 精馏段温度控制精馏段温控灵敏板取在精馏段的某层塔板处，称为精馏段温控。
适用于对塔顶产品质量要求高或是气相进料的场合。
调节手段是根据灵敏板温度，适当调节回流比。
例如，灵敏板温度升高时，则反映塔顶产品组成XD下降，故此时发出信号适当增大回流比，使XD上升至合格值时，灵敏板温度降至规定值。
精馏塔控制系统设计
精馏塔控制系统设计精馏塔控制系统是指用于控制精馏装置运行的自动化系统。
精馏塔是化工过程中常用的一种分离设备，用于将混合物按照不同组分进行分离，并获得精馏产品。
精馏塔控制系统设计的目标是实现对塔内温度、压力、流量等参数的自动调节，以保持塔的稳定运行和达到设定的产品品质和产量要求。
1.系统的安全性：由于精馏塔操作涉及到高温高压的条件，系统的安全性是首要考虑因素。
安全系统应该能及时发现并处理可能的危险情况，如超压、超温等，确保塔内的操作条件始终处于安全范围内。
2.过程控制策略：根据塔的物料性质和操作要求，设计合理的控制策略。
常见的控制策略包括温度控制、压力控制、流量控制等。
需要根据塔内的反应动力学特性和传热传质特性来优化控制策略，比如采用多变量控制或者模型预测控制等。
3.仪表设备选型：根据控制策略选择合适的仪表设备，如温度传感器、压力传感器、流量计等。
仪表设备应具有高精度、稳定性好和耐高温高压等特点，以满足精馏塔操作的要求。
4.控制系统架构设计：根据控制策略和仪表设备的选择，设计控制系统的架构。
控制系统通常包括传感器、执行器、控制器和通信网络等部分。
传感器用于测量塔内的物理参数，执行器用于调节塔内的操作条件，控制器用于处理传感器的测量信号并确定下一步的控制策略，通信网络用于传输和共享数据。
5.监控系统设计：精馏塔的操作过程需要实时监控，及时发现和处理异常情况。
监控系统应能对塔内各项参数进行实时显示和记录，并提供报警、故障诊断和数据分析等功能。
监控系统可以采用人机界面、数据采集系统、故障诊断系统等多种形式。
在精馏塔控制系统的设计中，需要充分考虑各种可能的操作变量、工艺的稳定性、产量和能耗等方面的要求。
通过合理的控制系统设计，可以实现对精馏塔的准确控制，提高产品质量和产量，降低能耗和运行成本。
精馏塔常用控制方案简介
精馏塔常用控制方案简介1.1.2 精馏塔常用控制方案简介a）传统控制方案1）按物料平衡关系控制精馏塔物料平衡控制方式并不对塔顶或塔底产品质量进展直接的控制，而依据精馏塔的物料平衡及能量平衡关系进展间接控制。
其根本原理是，当进料成分不变和进料温度一定时，在持全塔物料平衡的前提下，保持进料量F、再沸器加热量、塔顶产品量D一定；或者说保持D/F和B/F一定，就可保证塔顶、塔底产品质量指标一定。
2）质量指标控制精馏塔质量指标由精馏塔产品的纯度表达，精馏塔产品的纯度直接影响因素为精馏段灵敏板温度与提馏段灵敏板温度。
因此，精馏塔质量指标控制方案与温度控制有直接联系。
3）温度控制当为了生产两种合格的产品，只有塔顶、塔底两种。
而没有侧线产品时，常用的控制方案是：利用回流量来控制顶部塔板的温度，改变通往再沸器加热蒸汽量来控制底部塔板的温度。
b）先进控制方案1）自适应解耦控制一些学者将自适应控制应用于精馏塔的不同组分控制。
但是．没有考虑控制回路之问耦合的影响。
目前已提出的多变量自适应解耦控制算法，只能对最小相位系统实现动态解耦，对非最小相位系统实现近似动态解耦，近来，有人根据精馏塔的特点提出了一种可以对闭环系统实现动静态解耦的自适应控制器，并在精馏塔上进展了实验。
2）多变量预测控制预测控制是一类以对象模型为根底的计算机控制算法，依据对象模型的不同，预测算法可粉为模型算法（MAC）、动态矩阵控制算法（DMC）、广义预测控制（GPC）等详细实现形式。
工业上应用说明：多变量预测控制到达了期望的效果，实现了常压塔的平稳操作，提高了装置适应处理量与原料性质变化的能力；并简化了控制过程，减少了劳动强度及人工干预，显著提高了产品的合格率。
1.2 问题的提出及解决问题的途径对于精馏过程中的温度控制系统，当只有塔顶、塔底两种产品，而没有侧线产品时，常用的控制方案是：利用回流量来控制顶部塔板的温度，改变通往再沸器加热蒸汽量来控制底部塔板的温度。
(工业过程控制)16.精馏塔控制
03
原料的筛选与清洗
去除原料中的杂质和污染 物，确保原料的质量和纯 度。
原料的破碎与混合
将大块原料破碎成小块， 并与其他原料进行均匀混 合，以提高后续处理的效 率。
原料的干燥与除湿
去除原料中的水分或其他 挥发性组分，以满足精馏 塔处理的要求。
精馏塔的操作流程
原料的加热与汽化
01
将原料加热至汽化状态，以便在精馏塔中进行分离。
精馏塔控制
目录
• 精馏塔控制概述 • 精馏塔的工艺流程 • 精馏塔的控制策略 • 精馏塔的优化与改进 • 精馏塔的未来发展与展望
01
精馏塔控制概述
精馏塔的工作原理
精馏塔是一种用于分离液体混合 物的工业设备，其工作原理基于 物质间沸点的不同来实现分离。
原料液进入精馏塔后，在塔内加 热至沸腾，不同沸点的组分在蒸 汽和液体的相变过程中得以分离。
详细描述
为了减小压力波动，可以采用多级控 制、前馈控制和反馈控制等策略，以 及使用先进的控制算法如PID控制器 和神经网络控制器等。
液位控制
液位是精馏塔操作的另一个重要参数，液位的变化会 影响到产品的质量和产量。
输入 标题
详细描述
通过调节精馏塔的进料流量和塔顶、塔底的排放量， 可以控制精馏塔的液位，使其保持在适宜的范围内。
精馏塔控制的挑战
精馏塔是一个多变量、强耦合、 非线性的复杂系统，控制难度
较大。
操作条件如进料流量、温度、 压力等的变化以及物料的特 性差异都可能影响精馏效果。
此外，精馏塔的动态特性和外 部干扰因素也可能对控制效果 产生影响，如蒸汽压力波动、
进料组成变化等。
02
精馏塔的工艺流程
原料的预处理
01
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2018/10/11
过程控制 青海大学
16
物料平衡和内部的物料平衡
总组分与轻组分的物料平衡方程：
F = D ? B FxF = DxD ? BxB
F, xF
V
D = xF ? xB 或 B = xD ? xF
D, xD
F xD ? xB F xD ? xB
结论：对于给定的进料，若D/F和 B, xB V/F保持一定，则该塔的分离结果xD,
过程控制 青海大学
2
? 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。
2018/10/11
过程控制 青海大学
10
精馏塔产品纯度、产品回收率 和能耗之间的相互关系
120
*100% 率
100 80
收 回
60
品 产
40
20
0
V
=2 F
4
68
80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
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；
f
V (
)
F
V = ? ln s
F
V F
=?
ln xD (1 ? xB ) xB (1 ? xD )
2018/10/11
过程控制 青海大学
18
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
2018/10/11
过程控制 青海大学
19
精馏塔的内部物料平衡
1、质量指标 2、产品产量 3、能量消耗 4、约束条件
2018/10/11
过程控制 青海大学
6
质量指标
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。
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。
产品组分含量并非越纯越好，
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。
2018/10/11
过程控制 青海大学
9
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
2018/10/11
过程控制 青海大学
3
精馏塔的控制分析
精馏过程通过精馏塔
冷凝器
、再沸器、冷凝器等设 塔顶产品
备完成。再沸器为混合
物液相中轻组分的转移 原料
精
回流罐
提供能量；冷凝器将塔
馏 塔
顶来的上升蒸气冷凝为
回流泵
液相，并提供精馏所需
的回流。精馏塔是实现
再 沸
混合物组分分离的主要
器
设备。塔Βιβλιοθήκη 产品精馏塔的控制2018/10/11
过程控制 青海大学
1
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)。
2018/10/11
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。
2018/10/11
过程控制 青海大学
11
精馏塔产品纯度、产品回收率
和能耗之间的相互关系
120
*100% 率
100 80
收 回
60
品 产
40
20
0
V
=2 F
2018/10/11
过程控制 青海大学
4
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；
2018/10/11
过程控制 青海大学
5
精馏塔的控制要求
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。
2018/10/11
过程控制 青海大学
12
2018/10/11
过程控制 青海大学
13
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
2018/10/11
过程控制 青海大学
14
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
2018/10/11
过程控制 青海大学
7
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。
2018/10/11
过程控制 青海大学
8
能量平衡和经济平衡性指标
xB就完全确定。
D F 和 B F 是影响 xD 、xB 的关键因素 ZF 是通过 D F 和 B F 影响组分变化
2018/10/11
过程控制 青海大学
17
能量平衡
? 分离度
s = xD (1 ? xB ) xB (1 ? xD )
影响分离度的因素： s=f(α,n,V/F,ZF,E,nF)
s?
4
68
80 90 95 98 99 99.5 99.8
产品纯度*100%
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。
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
2018/10/11
过程控制 青海大学
15
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