精馏塔过程的控制课件

19 精馏过程的控制19.1 19.1 概述概述19.2 19.2 精馏塔的静态和动态特性精馏塔的静态和动态特性19.3 精馏塔被控变量的选择19.4 精馏塔的基本控制方案19.5 精馏塔新型控制方案19 精馏过程19.1 概述19.2 精馏塔的静态和动态特1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；工艺流程操作目的操作目的：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。操作代价操作代价：工艺流程操作目的：通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸2对象特点：变量多且有关联情况，通道多，反应缓慢，内在机理复杂且控制要求较高。19.1对控制系统的要求（控制目的）：(1)保证产品质量(质量指标)保证塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一种产品成分亦应维持在规定范围内。塔顶和塔底产品均保证一定的纯度。结构板式塔填料塔 二元精馏质量指标：塔顶产品中轻组分（或重组分）含量或塔底产品中重组分（或轻组分）含量19.1 概述对象特点：变量多且有关联情况，通道多，反应缓慢，19.1对控3 关键组分：对产品质量影响较大的组分 多元精馏质量指标：塔顶产品或塔底产品中关键组分的含量（1）平均进料量=平均出料量（2）塔压P应恒定(2)平稳操作(3)约束条件 如：塔内汽液两相流速在一定范围内，不能过高，引起泛液；也不能过低，引起塔板漏液，板效率大幅度下降。塔的操作压力、再沸器加热温差、加热蒸汽冷凝量和冷凝器冷却温差等，都有一定的限制良好的控制系统的必备条件。关键组分：对产品质量影响较大的组分 419.2 精馏塔的静态和动态特性19.2.1精馏塔的静态特性 (1)物料平衡 对总物料量，任一组分，进料与出料之间应满足物料平衡:总物料：轻组分：是决定塔顶和塔底产品中轻重组分含量的关键因素同理有：进料成分zf对xD、xB的影响也很大。19.2 精馏塔的静态和动态特性19.2.1精馏塔的静态特5 (2)能量平衡 已知分离度S，能耗与分离度能耗与分离度S S 的关系：的关系：结论：结论：对于给定的进料，若对于给定的进料，若D D/F F和和V V/F F 保持一定，保持一定，则该塔的分离结果则该塔的分离结果x xD D,x xB B就完全确定。就完全确定。(2)能量平衡 已知分离度S，能耗与分离度S 6 实际上，精馏塔的操作完全由塔内部平衡关系决定，外部平衡关系仅仅反映内部平衡关系的结果。(3)内部物料平衡 假定塔操作是在恒分子流、泡点回流回流罐和塔釜蓄存量一定和塔压恒定下进行，忽略汽相蓄存量的变化，则塔有如下内部平衡关系：加料板的物料平衡泡点进料时：露点进料时：实际上，精馏塔的操作完全由塔内部平衡关系决定7 精馏段任一塔板上的物料平衡i或精馏段的操作线方程提馏段任一塔板第j块以下的物料平衡或提馏段的操作线方程 精馏段任一塔板上的物料平衡i或精馏段的操作线方程提8精馏塔的控制问题精馏塔的控制问题精馏塔的控制问题9精馏塔简化的控制问题精馏塔简化的控制问题*考虑被控过程的静态与动态特性，结合就近原则，考虑被控过程的静态与动态特性，结合就近原则，可将控制问题分解简化为两个可将控制问题分解简化为两个相对相对独立的子系统。独立的子系统。精馏塔简化的控制问题*考虑被控过程的静态与动态特性，结合就1019.2.2 精馏塔的干扰因素TFZFQFF(1)进料流量F的波动进料全部为液相进料全为气相进料为气相液相混合物（2）进料组分ZF变化为不可控的干扰。（3）进料温度TF及热焓 QF变化（4）蒸汽加入热量的变化（5）回流量及冷剂量精精馏馏塔塔回流回流冷却剂冷却剂塔顶产品塔顶产品q回回蒸汽蒸汽q蒸蒸19.2.2 精馏塔的干扰因素TFZFQFF(1)进料流量1119.3 19.3 精馏塔被控变量的选择精馏塔被控变量的选择 成分分析仪表的特点：周期长、反应慢、滞后大 最常用的间接质量指标温度，原因：二元组分精馏塔中，塔压恒定，塔板温度与产品成分之间为单值对应关系，最直接的质量指标产品成分19.3 精馏塔被控变量的选择 成分分析仪表的特点：周期12 测温点的选择：简单易行，但产品纯度较高时，各塔板间温差很小，故测温元件的灵敏度要求较高，且不能克服压力，杂质的干扰。（1）塔顶（或塔底）温度控制（2）灵敏板温度控制 将检测点置灵敏板处，即可感受干扰进入最快，最大幅度的温度变化，但灵敏板不易估准，故实际中是在灵敏板及附近位置设若干检测点，然后在运行中选择，且对前所述的压力等干扰不能克服。灵敏板的位置：在进料板与塔顶（或塔底）之间。测温点的选择：简单易行，但产品纯度较高时，各塔13（3）中温控制 检测点设在加料板或其稍上、下的塔板，可及时发现由进料带来的温度变化，但分离纯度较高时不能正确反映塔顶或塔底的成分。（4）温差控制目的：克服压力波动引起的温度变化，当压力波动引起各板上温度方向一致时，两板间温差变化不大 对于双组分蒸馏，影响温度变化的因素组成、塔压。（3）中温控制 检测点设在加料板或其稍上、下的塔板，1452和65块板上温度虽然变化，但温差维持在2.8度左右。此时温差的变化只受组分的纯度影响，消除了压力的微小波动影响。不同压力的情况如图5265塔板塔板 苯苯-甲苯甲苯-二甲苯分离二甲苯分离检测点的选取一个放在塔顶（或塔底）附近塔板上一个放在灵敏板附近两者之差T作为被控变量（1）应用时应注意选点准确和温差给定合理。（2）操作工况要稳定。存在问题（3）不能克服进料组分变化和负荷变化引起的塔板压降变化。52和65块板上温度虽然变化，但温差维持在2.8度左右。此时15轻组分轻组分xT（以塔底产品为主）（以塔底产品为主）12345受扰变化至1，则纯度变坏，温差，则增加蒸汽量，使纯度 例：例：左侧为产品纯度高时，温差随产品纯度增加而减小右侧为产品不很纯时，温差随纯度恶化而减小。即温差选得过大或操作不平稳，均会引起温差调节失常。若给定温差在2若给定状态点在4受扰变化至5时，纯度，但温差，故减少蒸汽量，将使纯度继续恶化。此时只能手动遥控使工况稳定。受扰变化至3，则纯度过高，温差，则减少蒸汽量，使纯度工作范围只能选择曲线最高点的左侧！轻组分xT（以塔底产品为主）12345受扰变化至1，则纯度16（5）温差差值（双温差）控制 温差除受组分纯度影响外，还受进料组分变化和负荷变化引起的压降变化影响，而后者的影响同时作用于精馏和提镏段，故将两温差相减即可补偿此影响。在精馏段和提馏段上分别取温差，然后以两个温差的差做为被控变量LT101LC101TDT101FC101FT101FC102FT102TT104TT103TT102TT101TDT102TDC101LT102LC102FBDHC精馏塔 从国内外应用双温差控制的许多装置来看，在进料流量波动影响下，仍能得到较好的控制效果。（5）温差差值（双温差）控制 温差除受组分纯度影响外1719.4 19.4 精馏塔的基本控制方案精馏塔的基本控制方案准则：当仅需要控制塔一端的产品质量时，应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量；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；当塔的两端产品均需要按质量控制时，一般对含纯产品较少、杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多、杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制物料平衡控制：选用顶部产品馏出物流量D或底部采出液流量B作为操纵变量控制产品质量；能量平衡控制：选用顶部回流或再沸器加热剂量作为操纵变量控制产品质量。特点：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。严格控制。适应场合适应场合：（1）对产品质量要求不高；（2）处理量与进料性质变化不频繁或变化幅度小。19.4 精馏塔的基本控制方案准则：当仅需要控制塔一端的产18（1）产品质量开环的控制方案目的：使塔顶和塔底的产品满足要求固定回流量LR和再沸器加热蒸汽量VSFBDH精馏塔VsLRFC103FT103FC102FT102LT101LC101FC101FT101LT102LC102 当进料流量F、及状态恒定时,固定LR和Vs，D和B就确定了。分别控制LR和VS 为平衡物料蓄存量，设两液位控制 克服进料流量干扰 进料量由上一工序规定时，可以进料量为主动量，回流量和蒸汽流量的比值控制FHLRFT103FC102FT102FC101FT101K1K2VS适用：LR/D（回流比）不是很大，且F的流量及状态恒定。（1）产品质量开环的控制方案目的：使塔顶和塔底的产品满足要求19固定馏出液流量D和再沸器加热蒸汽量VSFBDH精馏塔VsLRLT102LC102FC103FT103LT101LC101 适用于回流比LR/D较大的场合，控制D要比控制VS更有利，保证D比较平稳。固定塔底采出量B和回流量LRFBDH精馏塔VsLRFC103FT103LC101LT101FT103FC103FC101FT101LT102LC102 塔底液位由加热蒸汽H控制优点：控制方案简单方便缺点：完全按物料和能量平衡关系 进行控制，在存在干扰，特别是 进料成分ZF的变化时，很难保证 产品纯度。FC101FT101FC102FT102固定馏出液流量D和再沸器加热蒸汽量VSFBDH精VsLRL20（2）按精馏段指标的控制方案适用对塔顶馏出液的纯度要求比塔底产品较高 全部为汽相进料 塔底、提馏段塔板上的温度不能很好反映产品成分变化受控变量：精馏段某点成分或温度操纵变量：塔顶回流量LR、馏出液流量D、再沸器加热蒸汽量VS优点：保证塔顶产品成分；扰动不大时，塔底产品成分波动较小。控制方向：在LR、D、VS和B四者中选择一种作为操纵变量，选另一种控制能量，剩下两种控制物料的平衡。常用的控制方案有两类：（2）按精馏段指标的控制方案适用对塔顶馏出液的纯度要求比塔21间接物料平衡控制FBDH精馏塔VsLRFC103FT103FC101FT101LT101LC101TC101TT101LT102LC102被控变量：TD 能量控制：VS操纵变量：LR 物料控制；D和B优：控制及时，滞后小缺：物料与能量关联大，且内回流会变化。环境温度，内回流上升蒸汽 凝液液位 D，LR，回流适用场合：回流比0.8，需要减少滞后的塔按精馏段指标来控制回流量最常用炼油厂中的常压塔和减压塔使用此方案炼油厂中的常压塔和减压塔使用此方案间接物料平衡控制FBDH精VsLRFCFTFCFTLTLC22常压塔工艺流程及控制方案简图(中段回流未画出)方案特点：塔顶温度控制回流FB常一线H分馏塔VsLRFC103FT103FC102FT102LT101LC101LT102LC102TC101TT101FC101FT101LC103LT103LC104LT104LC105LT105FC104FT104FC105FT105FC106FT106常二线常三线常四线常压塔工艺流程及控制方案简图(中段回流未画出)方案特点：FB23直接物料平衡控制 方案：按精馏段指标控制塔顶馏出液D，保持Vs不变。优点：物料平衡与能量平衡关联小，内回流稳定缺点：控制回路滞后较大D的改变间接通过液位控制回路来实现对温度的控制。回流罐容积较大时，反应更慢。使用场合：溜出液D很小，或回流比较大，回流罐容积适当FBDH精馏塔VsLRLT102LC102FC103FT103FC102FT102TC101TT101LT101LC101直接物料平衡控制 方案：按精馏段指标控制塔顶馏出液D，保24（3）按提馏段指标的控制方案适用：塔底出料成分要求较高 进料全为液相 操作回流比较大 以提馏段的塔板温度来控制加热蒸汽流量间接物料平衡控制回流定值控制，方案简单，对负荷的适应能力较差。FBDH精馏塔VsLRTC101TT101LT101LC101FC101FT101LT102LC102FC102FT102FBDH精馏塔VsLRTC101TT101LT101LC101FC103FT103LT102LC102FC102FT102FT101K回流比定值控制，对负荷的适应性较强。（3）按提馏段指标的控制方案适用：塔底出料成分要求较高 25 优点：物料平衡与能量平衡之间关联最小，当B少时，较平稳；当B不符合质量要求时，会自行暂停出料。缺点：滞后较大，液位控制回路存在反向特性 实用场合：B少，且B20%VS的塔FBDH精馏塔VsLRTT101TC101FC101FT101LT102LC102FC102FT102LC101LT101直接物料平衡控制 优点：物料平衡与能量平衡之间关联最小，当B少时，26（4）精馏塔的压力控制系统 操作要求：塔压维持恒定 干扰：进料流量、成分、温度；加热蒸汽量、回流量、回流温度等加压精馏塔的压力控制u液相采出，馏出物中含有大量不凝物 压力变 气液平衡条件变 塔的正常操作被破坏，影响产品质量 适合气体流经冷凝器的阻力变化大，回流罐的压力可间接代表塔顶压力。DLRPT101PC101DLRPT101PC101 干扰使冷凝器的阻力变化时，回流罐压力不能代表塔顶压力。方法：应用能量平衡控制 控制方案的确定与塔顶馏出物状态（气相还是液相）及馏出物中含不凝性气体量的多少有关。（4）精馏塔的压力控制系统 操作要求：塔压维持恒定 27u液相采出，馏出物中含有少量不凝物(塔顶气相总流量2%)传热量小于使全部蒸汽冷凝所需热量，蒸汽积聚压力升高；传热量过大，压力会降低。当V1全开塔压还偏高时，打开V2增大传热量使压力下降分程控制。u液相采出，馏出物中含有微量不凝物DLRPT101PC101V1V2 改变传热量控制塔顶压力DLR图1 按压力改变冷剂流量PT101PC101图2 按压力改变传热面积DLRPT101PC101图3 采用热旁路DLRPT101PC101有利于节约冷却剂反应迟钝反应灵敏，应用较广泛液相采出，馏出物中含有少量不凝物(塔顶气相总流量2%)28相关因素：外回流LR的流量，内回流=LR+L，当塔顶蒸汽温度与外回流温度相同时，内回流=LR（1）内回流控制适用于塔顶采用空气冷却器及回流量需要精确控制的场合。19.5 精馏塔新型控制方案定义：精馏段上一层塔板向下一层板流动的液体流量控制要求：内回流恒定，进料变化时内回流应随之变化，且蒸 汽量应随之变化。控制方向：改变外回流的流量或温度（1）内回流控制适用于塔顶采用空气冷却器及回流量需要精确控制29TC例例采用提馏段温控采用提馏段温控进料波动且不可控进料波动且不可控精精馏馏塔塔进料进料FC蒸汽蒸汽可采用前馈可采用前馈串级控制方案串级控制方案保持塔底温度恒定保持塔底温度恒定TC例采用提馏段温控进料波动且不可控精馏塔进料FC蒸汽可采用30FC1、提馏段温控、提馏段温控（1）塔底出料成分要求较高）塔底出料成分要求较高（2）进料全为液相）进料全为液相（3）操作回流比较大）操作回流比较大主控系统：主控系统：被控变量为提馏段温度，被控变量为提馏段温度，操纵变量为再沸器加热量。操纵变量为再沸器加热量。辅助控制：辅助控制：PCLCLCTCFC2、精馏段温控、精馏段温控TC主控系统：主控系统：控制精馏段温度，控制精馏段温度，操纵变量为回流量。操纵变量为回流量。辅助控制：辅助控制：FC1、提馏段温控（1）塔底出料成分要求较高主控系统：辅助控31