精馏塔控制方案设计 戴连奎 浙江大学控制学院 2017/06/08

问题讨论 CVs (被控变量): P, LD, LB, TR/xD, TS/xB MVs (操作变量): D, B, L, QH, QC, DG DVs : F, xF, TF 试设计你的多回路控制系统以满足工艺要求，并减少回路间的耦合。

内 容 精馏塔的工艺原理 精馏塔的操作目标与控制问题 精馏塔的压力控制 双组份二元精馏塔的稳态特性分析 精馏塔的物料平衡控制 内 容 精馏塔的工艺原理 精馏塔的操作目标与控制问题 精馏塔的压力控制 双组份二元精馏塔的稳态特性分析 精馏塔的物料平衡控制 精馏段质量指标控制 提馏段质量指标控制 两端质量指标控制

两元精馏过程典型工艺流程 过程描述 分离原理 平衡条件

精馏分离基础：气液平衡的概念 对于某一乙醇水溶液，在常压条件下，加热直至沸腾，待沸腾后通过控制加热量使系统温度T保持恒定。 开始阶段，气体量增加、液体量下降。经过一段时间后，液体量不再减少（即蒸发量与冷凝量相同），系统达到“气液平衡”状态。 （1）水的沸点为100℃，乙醇的沸点为78.3℃，乙醇水溶液可能的沸点？ （2）气液平衡条件下，液态、气态中乙醇摩尔分数xi 与 yi的大小比较。

分离基础：相对挥发度概念 相对 挥发度

乙醇水溶液的气液平衡曲线

乙醇水溶液的相对挥发度曲线 相对挥发度的物理意义

单层塔板计算举例 假设某一乙醇水溶液中的质量百分比为30m%，乙醇对应的摩尔分数为 为计算方便，假设乙醇水体系常压下的相对挥发度不变，a = 5，则以下方程成立： 求解，得： x = 0.025, y = 0.1135, T = 96.0℃

三层塔板计算示例 xi+1 = 0.1135, yi+1 = 0.3906, Ti = 89.0℃

全回流下双组份精馏塔 塔顶塔底分离度 分离度： 全回流下分离度的影响因素： 塔板效率 精馏塔的分离要求与塔板数选择 塔板数 平均挥发度

正常操作过程中 塔顶塔底产品分离度影响因素 分离度： 回流比 L/D 对分离度的影响： 精馏塔中的温度分布与轻组分的浓度分布 变量意义分析

精馏塔的操作目标 确保操作安全性与平稳性 控制产品的纯度与成份 增加产品产率与产量 降低操作能耗 具体包括塔压、塔底与回流罐液位的平稳，并避免异常工况（如漏塔、液泛等）的出现 控制产品的纯度与成份 涉及塔底、塔顶产品纯度的检测与控制，很多塔只有一端出料作为产品，少数塔两端出料均为产品 增加产品产率与产量 产品产率通常可用产品量与进料的比值来表示 降低操作能耗 涉及塔底热能耗与塔顶冷能耗

精馏过程产品纯度、 产品回收率与能耗的关系 能量消耗：V/F 产品回收率：

精馏塔CVs与MVs的选择 产品质量对应的CVs的选择问题 ?

精馏塔常用控制问题

塔顶压力控制问题 CV: P MVs : QC, DG , QH , L 与P对应的MV选择原则与控制方案 ?

塔顶压力控制方案 方案 1.1：MV 为塔顶不凝气流量 方案 1.2：MV 为冷却剂流量或其它冷却手段 方案比较与工业应用举例

简化的精馏塔控制问题 W = ( F, xF,TF) CVs不同的原因分析与应用背景介绍

双组份两元精馏塔的 物料平衡关系 总物料平衡： 轻组分物料平衡： 物料平衡方程：

塔顶塔底产品分离度 及其影响因素 分离度： 回流比 L/D 对分离度的影响：

双组份二元精馏塔的 产品纯度稳态模型 物料平衡方程： 分离度：

物料平衡条件下 产品纯度影响因素分析 当D/F、L/D不变时，xF增加，则塔顶产品的纯度提高，而塔底产品的纯度下降； 当xF、L/D不变时，D/F增加，则塔顶产品的纯度下降，而塔底产品的纯度提高； 当xF、D/F不变时，L/D增加（同时需要V/D增加），两端产品纯度均提高（以能耗换纯度）。 当xF、L/F不变时， V/F增加，同时导致L/D下降、 D/F增加，塔底产品纯度提高，但塔顶产品纯度显著下降。

双组份二元精馏塔稳态特性 在精馏塔操作平稳（即塔底液位与回流罐液位稳定）的条件下，塔顶与塔底产品纯度（xD/xB）主要与进料轻组分含量xF、塔顶产品产率D/F与回流比L/D有关。 结合物料平衡关系，B/F = 1－ D/F，对于液相泡点进料，V/D = 1+ L/D。 若进料轻组分含量xF变化不大时，则只要维持产品产率D/F、回流比L/D（或V/D或V/F）基本不变，则产品纯度基本不变。

精馏塔的物料平衡控制问题 物料平衡控制的意义？它与双液位控制的关系？ CVs: LD, LB MVs: L or D, QH or B CVs 与 MVs 如何配对 ?

物料平衡控制系统的变量配对 “就近”原则下的变量配对 方案 MVs D L B QH A1 CVs LD -- LB A2 A3 A4

物料平衡控制方案 A1 重点讨论系统动态与稳态特性分析 干扰输入：F、V、L； 系统输出：LD、LB、xD、xB

物料平衡控制方案 A1 方案特点 （1）使用要求：V足够大 （2）两液位回路无耦合 （3）干扰因素V的变化对产品纯度影响大

方案A1的抗干扰性分析 讨论：塔底蒸发量对产品纯度的影响 试分析L/F变化对产品纯度的影响

物料平衡控制方案 A2 系统稳态特性分析 干扰输入：xF、V、D； 系统输出：xD、xB

物料平衡控制方案 A2 方案特点 （1）使用要求：V足够大 （2）两液位回路无闭环耦合 （3）干扰V对产品纯度影响小 （4）不适合于小回流比系统

方案A2的抗干扰性分析

物料平衡控制方案 A2+ 与方案A2有何差别？

物料平衡控制方案 A3 控制方案优缺点分析与应用场合

物料平衡控制方案 A4 物料平衡？ 两液位控制回路关联分析

小 结 当精馏塔进料组成变化不大，或产品纯度要求不高时，可采用纯物料平衡控制。 （1）考虑到控制的快速性，塔底液位宜选择塔底出料加以控制； 小 结 当精馏塔进料组成变化不大，或产品纯度要求不高时，可采用纯物料平衡控制。 （1）考虑到控制的快速性，塔底液位宜选择塔底出料加以控制； （2）而对于回流罐液位，MV可为塔顶出料或回流量。考虑到塔底蒸发量波动对塔顶产品纯度的影响，宜选择回流量作为控制手段。 （3）当进料量变化频繁时，可考虑引入比值控制，以维持D/F、V/F基本不变。

塔顶产品纯度控制问题分析 若进料组成变化显著，且仅对塔顶产品纯度要求高，则宜选择精馏段指标控制目标。 塔底液位合适的变量配对： B → LB L → TR，D → LD 塔顶配对方案B2： D → TR，L → LD

塔顶产品纯度控制方案 B1 方案特点分析 （1）L 对 TR的控制作用快且强 （2）当回流比很大时，难以控制LT22

塔顶产品纯度控制方案 B2 方案特点分析 容易控制 LT22（当回流比较大时） 塔顶产品量D 对 TR 的调节作用慢 回路 TC32 与 LC22之间存在强耦合

塔顶产品纯度控制方案 B2+ 方案特点分析 容易控制LT22（对于任意 D/L） TC32 与 LC22的耦合较弱 塔顶产品量D 对 TR 的调节作用迅速与灵敏

小 结 当进料组成变化较大且塔顶产品纯度要求高时，需要实施精馏段质量指标控制。 精馏段质量控制方案包括： （1）塔底液位宜选择物料平衡控制； （2）须保持塔底加热量的充分； （3）对于精馏段灵敏板温度，既可采用塔顶能量平衡控制（L），也可采用物料平衡控制（D或F）。 具体采用哪种方案，取决于回流比与回流罐的容量。

提馏段指标控制问题分析 若进料组成变化显著，且仅对塔底产品纯度要求高，则宜选择提馏段指标控制。 塔底合适的变量配对： QH → TS，B → LB 塔顶配对方案C1： D → LD 塔顶配对方案C2： L → LD

塔底产品纯度控制方案 C1 控制方案特点分析 蒸汽量QH 对 TS 的调节灵敏 为减少塔顶产物中可能含有的重组分，需要确保充分大的回流量（为什么？）。

塔底产品纯度控制方案 C2 控制方案特点分析 （1）加热蒸汽量QH 对 TS 的调节灵敏 （2）回流量 L 与蒸发量V自动平衡，可减少能耗 （3）TC31 与 LC22存在耦合

若进料的轻组分含量增大，则控制系统如何响应？ 塔底产品纯度控制方案 C2+ 若进料的轻组分含量增大，则控制系统如何响应？

小 结 当进料组成变化较大且塔底产品纯度要求高时，需要实施提馏段质量指标控制。 提馏段质量控制包括： （1）塔底液位宜选择物料平衡控制，塔底产品纯度宜选择能量平衡控制； （2）须保持塔顶回流量的充分； （3）而对于回流罐液位，既可采用能量平衡控制（L），也可用物料平衡控制（D或F）。

两端产品纯度控制问题分析 塔底合适的变量配对： B → LB，QH → TS 塔顶配对方案D1： D → LD，L → TR L → LD，D → TR 配对D1与D2，哪个好？ 分析方法：先考虑两液位的平衡控制，使被控过程成为稳定对象；再对新对象进行关联分析，最后选择合适的控制方案。

物料平衡控制下的稳定对象 #1 分析该对象对于u1, u2 阶跃变化的动态响应，并估计稳态增益矩阵各元素的正负

稳定对象#1的关联分析 稳态增益方程： K11 < 0，K12 > 0， K21 < 0，K22 > 0， 相对增益为： 相对增益矩阵为： 假设 则……

物料平衡控制下的稳定对象 #2 分析该对象输出y1, y2对于u1, u2 阶跃变化的稳态增益矩阵，并估计该矩阵各元素的正负

稳定对象#2的关联分析 稳态增益方程： K11 > 0，K12 < 0， K21 > 0，K22 > 0， 相对增益为： 相对增益矩阵为： 假设 则……

两端产品纯度控制方案 D1 结合稳态增益矩阵，分析TC31 与 TC32 之间的耦合

两端产品纯度控制方案 D2 TC31、TC32 与 LC22 关联分析

两端产品纯度控制方案 D2+ TC31、TC32 与 LC22 关联分析

两端产品纯度控制方案讨论 同时控制塔顶与塔底产品纯度不容易，但有时为节能或其它目标，仍是很有意义的； 最多只有一个产品流量可用于控制其产品纯度（即至少有一个产品流量需要用于控制液位），另一个产品纯度需要由 V 或 L来控制； 两产品纯度控制回路可能存在强耦合； 为减少耦合，需要采用一些特殊的控制策略，例如解耦、预测控制与其它APC（Advanced Process Control，先进过程控制）算法

课堂讨论：逆流操作模式#1下 精馏段质量指标控制 CVs: LD, LB +TR MVs: L , QH , F, B DVs: xF、D 控制目标：平稳操作，克服干扰对塔顶产品质量的影响；并自动适应塔顶产品需求量变化?

课堂讨论：逆流操作模式#2下 提馏段质量指标控制 CVs: LD, LB +TS MVs: L , QH, F, D DVs: xF、B 控制目标：在平稳操作的前提下，克服干扰对塔底产品质量的影响；并自动适合塔底需求量的变化

精馏塔控制小结 精馏过程控制目标 常规多回路控制方案 先进控制策略的应用 塔顶压力控制，进料温度（或热焓）控制，塔底与回流罐液位控制，塔顶与/或塔底产品纯度控制，主要干扰（如进料量）的前馈控制等 先进控制策略的应用 产品纯度的在线分析与闭环控制，基于模型的多变量预测控制，实时操作优化等