精馏塔均匀控制研究

1 导论本文主要是对精馏塔进出料进行控制，使得进料量与出料量达到平衡，以此来实现物料液位均衡状态，以避免物料过多溢出造成浪费，或者物料不足延误生产的问题，从而能够达到提高生产效率的目的。

因此，首先针对精馏塔原理、均匀控制的由来和目的做一简单的介绍和说明。

1.1 精馏塔控制系统介绍1.1 .1 精馏塔控制精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。

有板式塔与填料塔两种主要类型。

根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。

由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。

塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。

蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。

蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。

1.1.2控制要求及干扰因素为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求:(1) 保证产品质量。

以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控制系统。

(2) 保证平稳生产。

首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液量应保持在限定的范围内;最后要控制塔内压力稳定。

(3) 满足约束条件。

系统必须满足一些参数的极限值所限定的约束条件,如塔内气体流速的上下限、塔内压力极限值等。

(4) 节能要求及经济性。

主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。

影响产品质量指标和平稳生产的主要干扰因素有: ①进料流量( F) 的波动; ②进料成分( Z F) 的变化; ③进料温度( T F) 和进料热焓值( Q F) 的变化;④再沸器加热剂输入热量的变化; ⑤冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化; ⑥环境温度均匀控制动态特性分析与仿真研究的变化。

1.2 均匀控制的由来均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。

所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的[1]。

石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。

现以连续精馏的多塔分离过程为例，如图2.2-1所示。

图1-1 前后精馏塔的供求关系Fig 1-1 Before and after the distillation column of the relationship between supply and demand显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。

对甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板者除外），影响分离效果，为此装有液位控制系统。

当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。

而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。

对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。

显然，这是与甲塔的液位控制系统的工作是相互矛盾的，以致两个系统都无法正常工作。

为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。

通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。

但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一种理想的办法。

现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，以满足前后两塔的不同要求。

对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分发挥它的缓冲作用。

也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变）。

因为：出入Q Q dt dH A -= （1.1-1） 要起缓冲作用，就要借助于dt dH 的变化。

例如，入Q 变化2，可以调节使H 变化1，Q 出变化1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。

由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。

这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。

因此，均匀控制不是指控制系统的结构，而是指控制目的而言。

是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。

1.3 均匀控制的目的在连续生产过程中，生产设备是紧密联系在一起的，前一设备的出料往往是后一设备的进料，特别是石油化工生产过程中，前后塔器之间操作密切，互相关联，前一精馏塔的出料就是后面塔的进料，为了保证塔器的正常运行，要求进入塔的流量变化平缓，同时要求塔釜液位稳定。

如果对前面精馏塔采取液位控制，对后面塔采取流量控制，其调节参数都是塔底出料量，显然，这两个控制系统工作时是有矛盾的，因为当前面塔的液位由于干扰作用而升高时，液位调节器输出信号使调节阀开大，塔底出料量增大（即送入后面塔的进料量增大）。

为了保持后面塔进料量的稳定，流量调节器输出信号使流量调节阀关小，这样串联在同一管道上的前后两个流量调节阀动作方向相反，发生矛盾。

因此这种不协调的控制方案是不可取的。

为了解决前后两塔供求之间的矛盾，可在两塔之间设置一个中间贮槽，这样既满足了前面塔液位调节的要求，又缓冲了后面塔进料量的波动，但增加了设备和投资，而且遇有化合物易于分解或聚合时，不宜在贮槽内贮存时间过长，于是企图设法采用自动调节来模拟中间贮槽的缓冲作用，力图使液位和流量能均匀地变化，组成所谓均匀控制系统。

由此可知均匀控制是指控制目的，而不是指控制系统的结构。

均匀控制系统的过渡过程控制质量指标要求服从于控制目的，塔釜液位和塔底出料量之间的动态联系密切，往往两个参数的调节质量都要照顾，只要两个参数在某一范围内作缓慢变化，前后工序维持正常就达到了目的[2]。

均匀控制动态特性分析与仿真研究2.均匀控制的动态特性分析2.1 均匀控制的特点⑴表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化缓慢。

图2-1所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。

①是单纯的液位定值控制；②是单纯的流量定值控制；③是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。

那种试图把液位和流量都调整成直线的想法是不可能实现的。

（a）只有液位控制（b）只有流量控制（c）均匀控制图2-1 前一设备的液位与后一设备的进料量关系1——液位变化曲线；2——流量变化曲线Fig 2-1 Feed rate relationship of the device level and the latter device1——Level change curve; 2——Flow curve⑵前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内。

均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平稳渐变，避免对后工序产生较大的干扰。

2.2 均匀控制方案的分析2.2.1 简单均匀控制图2-2所示为精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统。

从方案外表上看，它像一个单回路液位定值控制系统，并且确实常被误解。

所不同的主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。

在所有均匀控制系统中都不需要，也不应该加正微分作用，恰恰相反有时需要加反微分作用，一般采用纯比例控制，有时可用比例积分控制作用。

而且在参数整定上，一般比例度要大于100%，且积分时间也要放的相当大，这样才能满足均匀控制要求。

图2-2 简单均匀控制方案Fig 2-2 Simple and uniform control program图2-2方案结构简单，但他对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。

简单均匀控制系统适用于：进料量为主干扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。

（自衡能力弱指：当流量变化很激烈，而液位变化很小）2.2.2 串级均匀控制图2-3所示是蒸馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。

因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级控制对副环的要求相同。

而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。

图2-3串级均匀控制系统Fig 2-3 Cascade control system需要指出，在有些容器里，液位是通过进料阀来控制的，用液位调节器对进料的流量作调节同样可以设计均匀控制系统[3]。

还需要指出，当物料为气体时，前后设备间物料的均匀控制不是液位和流量之间的均匀，是指前设备的气体压力与后设备的进气流量之间的协调。

例如，脱乙烷塔塔顶分力气内压力是用来稳定精馏塔压力的，而从分离器出来的气体是加氢反应器的进料，两者都要求平稳，因此设计了如图2-4所示的压力与流量串级均匀控制系统。

均匀控制动态特性分析与仿真研究这种气相物料的压力与流量的均匀控制和液相物料的液位与流量均匀控制是极为相似的，但需要注意的是压力对象比液位对象的自衡作用要强得多，故一般采用简单均匀控制方案不易满足要求，而往往采用如图2-4所示的串级均匀控制方案。

图2-4分离器压力与出口气体流量串级均匀控制系统Fig 2-4 Separator pressure and outlet gas flow cascade control system串级均匀控制系统所用的仪表较多，适用与控制阀前后压力干扰和自衡作用较显著而且对流量的平稳要求又高的场合[4]。

2.2.3 双冲量均匀控制双冲量均匀控制是以液位和流量两信号之差（或和）为被控变量来达到均匀控制目的的系统。

图2-5就是双冲量均匀控制的一个实例。

它以塔底液位与采出流量两个信号之差（若流量为进料时，则取两信号之和）为被控变量，通过控制，使两者都能按均匀控制的要求变化。

其控制过程大体上可这样来描述：在稳定状态下，加法器的输出为S Q L p p p p +-=0 （2.2-1） 式中：S Q L p p p p ,,,0分别表示加法器输出、液位测量信号、流量测量信号和偏置信号。