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1、2023/3/281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。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。按组分按组分(二元精馏和多元精馏二元精馏和多元精馏)；按挥发度分按挥发度分(一般精馏和特殊精馏一般精馏和特殊精馏););按结构分按结构分(板式塔、填料塔板式塔、填料塔)。按操作的连续性分类按操作的连续性分类(连续精馏和间歇精馏连续精馏和间歇精馏)。第1页/共62页2023/3/282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
2、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，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。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。第2页/共62页2023/3/283 精馏过程通过精馏塔、再沸器、冷凝器等设备完成。再沸器为混合物液相中轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸气冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备。精
3、馏塔的控制分析第3页/共62页2023/3/284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；第4页/共62页2023/3/285精馏塔的控制要求1、质量指标2、产品产量3、能量消耗4、约束条件控制目标：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。第5页/共62页2023/3/286质量指标质量指标 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。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
4、量和塔底产品中重组分含量。产品组分含量并非越纯越好，第6页/共62页2023/3/287物料平衡控制物料平衡控制 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。第7页/共62页2023/3/288能量平衡和经济平衡性指能量平衡和经济平衡性指标标 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。第8页/共62页2023/3/289约束条件约束条件 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
5、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。临界温度限第9页/共62页2023/3/2810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：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。第10页/共62页2023/3/2811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：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
6、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。第11页/共62页2023/3/2812第12页/共62页2023/3/2813精馏塔的扰动分析精馏塔的扰动分析 进料流量和进料成分进料流量和进料成分进料温度或进料热焓进料温度或进料热焓再沸器加热蒸汽压力再沸器加热蒸汽压力冷却水压力和温度冷却水压力和温度环境温度环境温度第13页/共62页2023/3/2814精馏塔的扰动分析精馏塔的扰动分析进料流量：可测不可控，基本恒定，采用均匀进料流量：可测不可控，基本恒定，采用均匀或前馈控制或
7、前馈控制进料成分：不可控和难测量，外围控制使不变进料成分：不可控和难测量，外围控制使不变进料温度：一般可测可控，不控制或进料热焓进料温度：一般可测可控，不控制或进料热焓控制控制再沸器加热蒸汽压力：一般可控可测，定值或再沸器加热蒸汽压力：一般可控可测，定值或串级控制串级控制冷却水压力和温度：塔压定值或浮动塔压控冷却水压力和温度：塔压定值或浮动塔压控环境温度：不控制或内回流控制环境温度：不控制或内回流控制第14页/共62页2023/3/2815精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性物料平衡和内部的物料平衡物料平衡和内部的物料平衡能量平衡能量平衡进料浓度进料浓度Z Zf f和进料流量和进料流量F F对产品
8、对产品质量的影响质量的影响第15页/共62页2023/3/2816总组分与轻组分的物料平衡方程：结论：对于给定的进料，若D/F和V/F保持一定，则该塔的分离结果xD,xB就完全确定。物料平衡和内部的物料平衡物料平衡和内部的物料平衡和 是影响 、的关键因素是通过 和 影响组分变化第16页/共62页2023/3/2817能量平衡能量平衡分离度分离度 影响分离度的因素：s=f(,n,V/F,ZF,E,nF)第17页/共62页2023/3/2818结论结论 X XB B、X XD D可采用可采用D/F D/F 或或B/FB/F来控制来控制当当Z ZF F 一定时，如一定时，如V/FV/F和和 B/F(
9、B/F(或或D/F)D/F)一一定，则定，则X XB B和和X XD D 也就确定也就确定当当 Z ZF F变化时，变化时，Z ZF F ，则，则X XB B和和X XD D，可，可用增加用增加D/F(D/F(或减小或减小B/F)B/F)来补偿来补偿分离度分离度S S一定时，调节一定时，调节D/FD/F或或B/FB/F可控制可控制X XB B和和X XD D，两者有关联，两者有关联第18页/共62页2023/3/2819精馏塔的内部物料平衡精馏塔的内部物料平衡假设条件：假设条件：加料板物料平衡加料板物料平衡精馏塔精馏段的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精馏塔提馏段的物料平衡
10、第19页/共62页2023/3/2820精馏塔的内部物料平衡精馏塔的内部物料平衡进料板的物料平衡泡点进料：露点进料：第20页/共62页2023/3/2821精馏塔的内部物料平衡精馏塔的内部物料平衡精馏段和提馏段的物料平衡第21页/共62页2023/3/2822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第22页/共62页2023/3/2823精馏塔的控制问题第23页/共62页2023/3/2824精馏塔的压力控
11、制塔顶汽相采出量 DV 塔压 P冷凝器冷却量 QC 塔压 P第24页/共62页2023/3/2825精馏塔的简化控制问题第25页/共62页2023/3/2826精馏塔质量指标的选取直接质量指标（1）产品质量在线分析仪/软测量仪间接质量指标（1）灵敏板温度，与塔顶/塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；（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。第26页/共62页2023/3/2827精馏塔被控变量的选择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
12、量指标：温度：二元物系：塔压固定时，与成分一一对应第27页/共62页2023/3/2828塔顶（或塔底）的温度控制塔顶（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第28页/共62页2023/3/2829采用精馏段温度控制的场合采用精馏段温度控制的场合进料含比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质对塔顶产品成分的要求比对塔底产塔底或提馏段温度不能很好反映组分的
13、变化全部为气相进料第29页/共62页2023/3/2830采用提馏段温度控制的场合采用提馏段温度控制的场合对塔底产品成分的要求比对塔顶产品要求高塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的清杂质采用回流控制时，回流量较大变化会影响精馏塔平稳操作全部为液相进料第30页/共62页2023/3/2831灵敏板的温度控制灵敏板的温度控制静态：在扰动下，从一个稳态到另一个稳态时塔板温度变化更大的塔板动态：灵敏板与上下塔板间的浓度差最大注意事项：灵敏板应在正反扰动下有相近的温度差变化，以使系统有线性关系对既定塔和操作条件，可计算出大致灵敏板为止，再实际调整工况变化时，板
14、效率变化，灵敏板位置也会变化第31页/共62页2023/3/2832采用压力补偿的温度作为间接质量指标采用压力补偿的温度作为间接质量指标温差控制温差控制双温差控制双温差控制 根据压力补偿计算温度设定值的控根据压力补偿计算温度设定值的控制制 第32页/共62页2023/3/2833温差控制温差控制F设计依据：F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.F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F注意事项：F对分离要求较高的精馏塔可采用温差控制F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F也可直接用压力进行补偿的控制方案F主要用于消除塔
15、压变化的影响，即压力变化时，温差不变第33页/共62页2023/3/2834双温差控制双温差控制F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.F依据：负荷变化引起塔压变化，在精馏段和提馏段均有相应的温度差，用精馏段温度差与提馏段温度差的差值可补偿塔压变化的影响.F注意事项u双温差控制器的设定值要合适u对进料流量的波动也有较好的控制效果第34页/共62页2023/3/2835根据压力补偿计算温度设定值的控制根据压力补偿计算温度设定值的控制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；Tsp是在实际塔压
16、条件下的温度设定值 第35页/共62页2023/3/2836精馏塔的基本控制精馏塔的基本控制 物料平衡控制：用塔顶或塔底的馏出物料作为操纵变量 的控制能量平衡控制：用塔顶回流量或再沸器加热量作为操纵变量的控制第36页/共62页2023/3/2837精馏塔被控变量和操纵变量配对准则精馏塔被控变量和操纵变量配对准则准则一准则一当仅需一端的产品进行控制时选用物料平衡控制来控制该段当仅需一端的产品进行控制时选用物料平衡控制来控制该段的产品质量的产品质量准则二准则二当塔两端的产品流量较小时应作为操纵变量控制塔两端的产当塔两端的产品流量较小时应作为操纵变量控制塔两端的产品质量品质量准则三准则三当塔两端产品
17、均需质量控制时通常对含纯产品较少杂质较多当塔两端产品均需质量控制时通常对含纯产品较少杂质较多一端的质量控制一端的质量控制第37页/共62页2023/3/2838精馏塔物料平衡控制问题特点：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。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。DLQHBLDLB第38页/共62页2023/3/2839方方案案操纵变操纵变量量DLQHB备注备注1受控变受控变量量L DLQHLB对产品的质量控制较弱对产品的质量控制较弱2DLDQHLB当当DB时采用时采用3L DLLBB当当BD时采用时采用4DL DLBB不可用不
18、可用精流塔物料平衡控制方案第39页/共62页2023/3/2840物料平衡控制方案之方案一对产品的质量控制较弱第40页/共62页2023/3/2841物料平衡控制方案之方案二当DB时采用1、如果对B自控，B的小波动会造成D的大波动2、小流量控制液位太慢第41页/共62页2023/3/2842物料平衡控制方案之方案三当BD时采用第42页/共62页2023/3/2843一端产品质量控制：塔顶质量被控变量：TR,LD,LB (即只对塔顶产品质量指标进行控制，对塔底产品质量指标不作严格要求)方案方案 操纵变量操纵变量DLQHB5LDTRQHLB6TRLDQHLB7LDTRLBB8TRLDLBB第43页
19、/共62页2023/3/2844一个产品质量控制之方案五直接控制塔内能量平衡关系来实现对分离精度的控制，但是回流L的波动对精馏塔的平稳操作是不利的。再沸器加热量需要足够大，以保证最大负荷时的产品质量。第44页/共62页2023/3/2845一个产品质量控制之方案六一种物料平衡控制方案。实质是通过D的变化使LD改变，从而在 LD的液位控制作用下使L变化。因此温度回路滞后较大。回流量较大时控制D较灵敏。当产品质量不合格时，可采取全回流保证产品质量。再沸器加热量也要保持较高的值。第45页/共62页2023/3/2846一个产品质量控制之方案七塔顶温度回路和塔底液位回路之间存在着较严重的关联，多为负相
20、关，不使用。第46页/共62页2023/3/2847一端产品质量控制：塔底质量被控变量：TS,LD,LB (即只对塔底产品质量指标进行控制，对塔顶产品质量指标不作严格要求)方案方案 操纵变量操纵变量DLQHB9受控变量受控变量LDLTSLB10LDLLBTS11DLDTSLB12DLDLBTS第47页/共62页2023/3/2848一个产品质量控制之方案九采用再沸器加热量控制温度，动态响应快，反应迅速。方案中回流采用定值控制，当回流量不足时容易引起液泛。第48页/共62页2023/3/2849一个产品质量控制之方案十与方案六类似，也是物料平衡控制方式。实质是通过B的变化使LB改变，从而在 LB
21、的液位控制作用下使QH变化。底部产品流量小时采用；并且质量不合格时可以暂停出料。第49页/共62页2023/3/2850精馏塔两端质量指标控制问题DLQHBLDTRTSLB目的：为了使操作成本特别是能耗减少第50页/共62页2023/3/2851两端质量指标控制方案第51页/共62页2023/3/2852两端质量指标控制之方案十三该方案在应用前应先分析两个质量回路的相关性：（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，则要考虑采用解耦控制。第52页/共62页2023/3/2853两端质量指标控制之方案十四根据精馏塔静态特性有：则可求出相
22、对增益：第53页/共62页2023/3/2854精馏塔的其他控制方案进料热焓控制，以克服进料温度与进料状态对产品质量的影响；进料前馈反馈控制，以适应进料量的变化，并提高控制质量；浮动塔压控制：尽可能降低塔压，以节约能耗；但应相应改变灵敏板温度控制的设定，以保证产品合格。产品质量指标的“卡边”控制：关键技术：在线分析仪(软测量仪)+先进控制系统第54页/共62页2023/3/2855前馈反馈控制系统第55页/共62页2023/3/2856精馏塔的塔压控制精馏塔的塔压控制压力控制的必要性和塔压的影响压力控制的必要性和塔压的影响加压精馏塔的控制加压精馏塔的控制减压精馏塔的控制减压精馏塔的控制常压塔的
23、控制常压塔的控制第56页/共62页2023/3/2857压力控制的必要性和塔压的影响压力控制的必要性和塔压的影响压力控制的必要性压力控制的必要性塔压变化会引起塔板上汽液平衡关系的变化，塔压变化会引起塔板上汽液平衡关系的变化，影响塔的平稳操作影响塔的平稳操作用温度反映塔的质量指标时，温度与成分的用温度反映塔的质量指标时，温度与成分的对应关系在一定塔压下才成立对应关系在一定塔压下才成立塔压的影响：塔压的影响：增加塔压，可提高混合液的沸点，有利于减增加塔压，可提高混合液的沸点，有利于减少冷量少冷量降低塔压，可降低混合液的沸点，可防止分降低塔压，可降低混合液的沸点，可防止分解解第57页/共62页202
24、3/3/2858加压精馏塔的控制加压精馏塔的控制液相采出，流出物含大量不凝物液相采出，流出物含大量不凝物 液相采出，流出物含少量不凝物 第58页/共62页2023/3/2859加压精馏塔的控制加压精馏塔的控制液相采出，流出物含微量不凝物液相采出，流出物含微量不凝物 气相采出，流出物含少量不凝物 第59页/共62页2023/3/2860减压精馏塔的控制减压精馏塔的控制采用蒸汽喷射泵抽真空采用蒸汽喷射泵抽真空 第60页/共62页2023/3/2861常压塔的控制常压塔的控制压力控制的必要性和塔压的影响压力控制的必要性和塔压的影响加压精馏塔的控制加压精馏塔的控制减压精馏塔的控制减压精馏塔的控制第61页/共62页2023/3/2862过程控制 青海大学感谢您的观看！第62页/共62页