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。
精馏塔控制系统说课讲解
精馏塔控制系统说课讲解精馏塔控制系统第6章精馏塔控制系统6.1 概述精馏是化⼯、⽯油化⼯、炼油⽣产过程中应⽤极为⼴泛的传质传热过程。
精馏的⽬的是利⽤混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。
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，即同⼀温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到⽓相，⽓相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。
轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。
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。
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。
6.1.1 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。
1．质量指标精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。
通常，满⾜⼀端的产品质量，即塔顶或塔底产品之⼀达到规定纯度，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，对控制系统的偏离度要求就越⾼，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图6.1-1 精馏塔⽰意图⽤要求适应。
2．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。
(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
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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
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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
D F 和 B 是F 影响 、x D 的x关B 键因素
Z F 是通过 D 和F B影F响组分变化
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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 f (V ) F
V = ln s
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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
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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
VS Ls
FLRVS=LSVR
泡点进料：
LS=FLR V S=V R
露点进料：
V R=V SFL R=L S
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精馏塔的内部物料平衡
——精馏段和提馏段的物料平衡
VR LR=L i
yi+1 xi
D, xD
V =Vs
yj xj-1 j
VRyi1=LRxiD xD
Ls
F
V = ln xD(1 xB)
F
xB (1 xD)
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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
B, xB
VSyj =LSxj1BxB
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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
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精馏塔产品纯度、产品回收率 和能耗之间的相互关系
产品回收率*100%
120
100
V =2
80 F
4
68
60
40
20
0 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：
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精馏塔的压力控制
PC
PC
L L
F
D
F
D
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P
冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
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精馏塔的简化控制问题
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
塔顶采出量 D 回流量 L
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精馏塔物料平衡控制问题
D L B QH
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F
W
精 馏 塔
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。
LD
适应场合： （1）对产品质量要求不高；
（2）处理量与进料性质变
LB 化不频繁或变化幅度小。
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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
120
100
V =2
80 F
4
68
60
40
20
0 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。
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
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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
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精馏塔的内部物料平衡
——进料板的物料平衡
VR LR F
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精馏塔的控制问题
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
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
精馏 过程
塔顶产品纯度xD 回流罐液位 LD 塔底产品纯度xB 塔底液位 LB
塔顶压力 P
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。
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精馏塔产品纯度、产品回收率 和能耗之间的相互关系
产品回收率*100%
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
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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…..
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。
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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。
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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
精馏塔的控制
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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)。
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（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 。
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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
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3
精馏塔的控制分析
精馏过程通过精馏塔、
冷凝器
再沸器、冷凝器等设备
完成。再沸器为混合物
塔顶产品
液相中轻组分的转移提 原料
精
回流罐
供能量；冷凝器将塔顶
馏 塔
来的上升蒸气冷凝为液
回流泵
相，并提供精馏所需的
回流。精馏塔是实现混
再 沸
合物组分分离的主要设
器
备。
塔底产品
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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
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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
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– 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；