1、过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔概述精馏塔概述v主要内容主要内容 1 1.比比精馏塔的工艺流程精馏塔的工艺流程 2.2.精馏塔的分类精馏塔的分类 3.3.精馏塔的特点精馏塔的特点 4.4.精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标 5.5.精馏塔的扰动分析精馏塔的扰动分析通过这讲的学习，我们通过这讲的学习，我们可以得到以下收获：可以得到以下收获：过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的工艺简介精馏塔的工艺简介v精馏过程是现代化工、炼精馏过程是现代化工、炼油等工业生产中应用极为油等工业生产中应用极为广泛的一种传质过程，其广泛的一种传质过程，其目的是利用混合
2、液中各组目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分挥发度的不同，将各组分进行分离并达到规定的分进行分离并达到规定的纯度要求。纯度要求。过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的工艺简介精馏塔的工艺简介回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐精馏就是将一定浓度的混合精馏就是将一定浓度的混合溶液送入精馏装置，使它反溶液送入精馏装置，使它反复地进行部分汽化和部分冷复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作。完成这一塔底产品的操作。完成这一操作过程的相应设备除精馏操作过程的相应设备除精馏塔本体外，还有再沸器、冷塔本体外，还有再沸器、冷凝器、回
3、流罐和回流泵等辅凝器、回流罐和回流泵等辅助设备助设备。过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的工艺简介精馏塔的工艺简介过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的分类精馏塔的分类精馏操作按不同方法进行分类精馏操作按不同方法进行分类v根据混合物的组分数分根据混合物的组分数分二元精馏、多元精馏二元精馏、多元精馏v根据是否在混合物中加入影响汽液平衡添加剂根据是否在混合物中加入影响汽液平衡添加剂普通精馏、普通精馏、特殊精馏特殊精馏（共沸精馏、萃取精馏、加盐精馏）（共沸精馏、萃取精馏、加盐精馏）v根据塔的结构分根据塔的结构分板式塔板式塔（泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、浮喷（泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、浮喷塔等
4、）、塔等）、填料塔填料塔v根据操作的方式分根据操作的方式分连续精馏、间歇精馏连续精馏、间歇精馏过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的特点精馏塔的特点v过程变量多过程变量多被控变量多，操纵变量也多；被控变量多，操纵变量也多；v过程动态和机理复杂过程动态和机理复杂非线性、滞后大、时变、变量之间相非线性、滞后大、时变、变量之间相互关联、分布参数特征等；互关联、分布参数特征等；v控制难度大，控制要求高。控制难度大，控制要求高。过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的精馏塔的控制目标控制目标要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目
5、标。一般说来，精馏塔的控制目标，应该的控制目标。一般说来，精馏塔的控制目标，应该在保在保证产品质量合格的前提下，证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大使塔的总收益（利润）最大或总成本最小或总成本最小。因此，精馏塔的工艺要求应该从质量指。因此，精馏塔的工艺要求应该从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。标、产品产量和能量消耗三方面考虑。过程控制工程过程控制工程课程组课程组要求馏出物达到规定的质量指标。要求馏出物达到规定的质量指标。例：例：二元精馏塔二元精馏塔 使塔顶轻组分纯度或塔底重组使塔顶轻组分纯度或塔底重组分纯度符合要求，而另一产品也分纯度符合要求，而另一产品也应该保证在规定的范
6、围内。应该保证在规定的范围内。精馏塔的精馏塔的控制目标控制目标质量指标质量指标过程控制工程过程控制工程课程组课程组多元精馏塔：多元精馏塔：采用采用“关键组分关键组分”的概念，选择某二组分。的概念，选择某二组分。以它在以它在D D、B B中的浓度作为指标。中的浓度作为指标。例：脱乙烷塔例：脱乙烷塔 C C2 2H H6 6 挥发度较大挥发度较大轻关键组分。轻关键组分。C C3 3H H6 6 挥发度较小挥发度较小重关键组分。重关键组分。多元塔的质量指标是控制塔顶总产品中多元塔的质量指标是控制塔顶总产品中轻关键组分含量和底部产品中重关键组轻关键组分含量和底部产品中重关键组分含量。分含量。精馏塔的精
7、馏塔的控制目标控制目标质量指标质量指标过程控制工程过程控制工程课程组课程组v回收率回收率 R Ri i=P/FZ=P/FZi i 或或 Z Zi i 组分组分i i在原料中的浓度。在原料中的浓度。P P产品产量（合格即可）（非纯组分）产品产量（合格即可）（非纯组分）（注意：（注意：R Ri i只与合格的产品产量只与合格的产品产量P P有关，与产品组成没有严格有关，与产品组成没有严格关系，关系，故回收率故回收率R Ri i可能大于可能大于100%100%）精馏塔的精馏塔的控制目标控制目标收率、能耗收率、能耗的流量进料中组分的产品流量组分100iiRi过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的精
8、馏塔的控制目标控制目标收率、能耗收率、能耗例例:Z:Zi i=50%=0.5=50%=0.5，P/F=0.7 RP/F=0.7 Ri i=0.7/0.5=140%=0.7/0.5=140%产品合格条件下，产品合格条件下，P P愈大愈好，但能耗将相应增大。愈大愈好，但能耗将相应增大。实际上，产品纯度和能耗间有相当复杂的密切关系，当进料热实际上，产品纯度和能耗间有相当复杂的密切关系，当进料热焓一定时，可用焓一定时，可用V/FV/F代表能耗。代表能耗。V V再沸器产生的上升蒸汽量。再沸器产生的上升蒸汽量。v能耗指标能耗指标 用单位进料的塔底上升蒸气量用单位进料的塔底上升蒸气量V V/F F来表示来表
9、示。过程控制工程过程控制工程课程组课程组12010080604020080 90 9598 99 99.599.8产品回收率*100%产品纯度*100%2FV468定性规律：定性规律：1.1.若能耗指标一定，产品纯若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；度越高，其回收率越低；2.2.若产品纯度一定，在一定若产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回范围内能耗指标越高，其回收率越高。收率越高。精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系互关系过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标约束条件约束条件v为确保精馏塔的正常、安
10、全运行，必须使某些操作参为确保精馏塔的正常、安全运行，必须使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液液泛限、漏液限、压力限及临界温差限泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。等。过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标约束条件约束条件v液泛限：液泛限：气相速度过高，雾沫夹带现象严重时，液相气相速度过高，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为从下层塔板倒流到上层塔板，称为液泛液泛。气相速度的。气相速度的上限称为液泛限上限称为液泛限v漏液限：漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气气相速度过低
11、，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。相速度的下限称为漏液限。过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标约束条件约束条件v压力限：压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。v临界温差限：临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热温差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，不能保证正常传热。系数急剧下降，不能保证正常传热。过程控
12、制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的扰动分析精馏塔的扰动分析v 分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可以合理的设计控制分析各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，可以合理的设计控制方案。方案。v 各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过物料平衡和能量平各种扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。v 物料平衡影响因素：物料平衡影响因素：进料流量、进料组成进料流量、进料组成 塔顶，塔底产品采出量及组成塔顶，塔底产品采出量及组成v 能量平衡影响因素：能量平衡影
13、响因素：进料温度、再沸器加热量进料温度、再沸器加热量 冷凝器冷却量、环境温度冷凝器冷却量、环境温度过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性精馏塔操作的影响因素：精馏塔操作的影响因素：（1 1）进料量）进料量（2 2）进料浓度）进料浓度（3 3）进料温度和状态）进料温度和状态（4 4）塔顶采出量）塔顶采出量D D（5 5）塔底采出量）塔底采出量B B（6 6）再沸器加热量）再沸器加热量（7 7）冷凝器冷却量）冷凝器冷却量（8 8）回流量温度、流量）回流量温度、流量（9 9）塔顶压力）塔顶压力过程控制工程过程控制工程课程组课程组（1 1）全塔物料衡算及能量衡算）全塔物料
14、衡算及能量衡算F,VB,D,Y1X1Z1总物料衡算：总物料衡算：F=D+B F=D+B 轻组分轻组分1 1衡算：衡算：FZFZ1 1=DY=DY1 1+BX+BX1 1 1111XYXZFD1111或YXYZFB改变改变 D/FD/F或或 B/FB/F，X X1 1 、Y Y1 1 随之改变。随之改变。若保持若保持X X1 1 、Y Y1 1一定，当一定，当Z Z1 1不变时，则不变时，则D D就随就随F F成比例变化（这是成比例变化（这是FFCFFC根据）根据）（保持（保持D/F,B/F D/F,B/F 不变）不变）若若F F不变，则不变，则Z Z1 1 ，D D应随之应随之，X X1 1
15、、Y Y1 1 可不变。可不变。精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性过程控制工程过程控制工程课程组课程组热衡算：热衡算：看不出看不出X X1 1,Y,Y1 1的关系。的关系。定义分离度：定义分离度：塔的特性因子（塔结构、进料等有关）塔的特性因子（塔结构、进料等有关）BDCFHBHDHQFHQ111111YXXYS)1()1(lnln1111YXXYSFV:能耗与分离度能耗与分离度S S的关系：的关系：1111XYXZFD结论：对于给定的进料，若结论：对于给定的进料，若D D/F F和和V V/F F保持一定，则该塔的保持一定，则该塔的分离结果分离结果X X1 1,Y,Y1 1就完全确定。就完全确定
16、。精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性过程控制工程过程控制工程课程组课程组（2 2）内部物料衡算）内部物料衡算i)i)进料段的物料衡算进料段的物料衡算 上升汽量：上升汽量：回流量：回流量：泡点进料，泡点进料，e=0e=0，进料不产生上升汽。，进料不产生上升汽。露点进料，露点进料，e=1e=1，进料全部汽化。，进料全部汽化。两相进料，两相进料，0 e 1 0 e 1 FeVVsreFLLrs1过冷液相进料，过冷液相进料，e1e1.e 1.可见，进料可见，进料 e e 变化，影响塔内汽液相流量，影响变化，影响塔内汽液相流量，影响分离效果。分离效果。精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性过程控制工程过程控制工
17、程课程组课程组ii)ii)对精馏段，第对精馏段，第n n层以上部分作衡算层以上部分作衡算 式中：式中：回流比回流比DnrnrDXXLYV1DLVrr或DrnrrnXVDXVLY1DrnrrnXDLDXDLLY1DnXRXRR111DLRrYn-1Yn-1：第：第n-1n-1层板上升汽相中轻组分浓度。层板上升汽相中轻组分浓度。XnXn：第：第n n块塔板上的液相轻组分浓度。块塔板上的液相轻组分浓度。精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性过程控制工程过程控制工程课程组课程组iii)iii)对提馏段，第对提馏段，第i i层以下部分作衡算层以下部分作衡算BisisBXXLYV1BsissiXVBXVLY1Y
18、 Yi i：第：第i i层板上升气相中轻组分浓度。层板上升气相中轻组分浓度。X Xi+1i+1：第：第i+1i+1块塔板上的液相轻组分浓度。块塔板上的液相轻组分浓度。精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组物料平衡控制物料平衡控制F=D+B进料进料F F和和D D流量控制，适用于流量控制，适用于DBDBDB；进料进料D D和和B B流量控制，不适用。流量控制，不适用。不能不能F F、D D、B B同时流量控制，易不平衡。同时流量控制，易不平衡。一般，一般，F F流量可以控制恒定，选用流量
19、可以控制恒定，选用。当。当F F流量不能恒定时，要考虑流量不能恒定时，要考虑F F做前馈信号。做前馈信号。C精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组被控变量：被控变量：F:F:进料进料 D:D:顶出顶出 B:B:底采出底采出 L LB B:塔底液位塔底液位 L LD D:回流罐液位回流罐液位 P:P:塔压塔压 Q QH H:再沸器加热量再沸器加热量 Q QC C:冷凝器冷却量冷凝器冷却量 L L：回流量：回流量操纵变量：操纵变量：F F D D B B B B L,D L,D Q QC,C,Q QH H Q QH H Q QC C L L精馏塔物料平衡控
20、制方案精馏塔物料平衡控制方案CHQCQ过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔DL B QH LB LDFW特点：特点：仅保证塔的物料平衡仅保证塔的物料平衡要求，而不对塔顶、塔底产要求，而不对塔顶、塔底产品质量作严格控制。品质量作严格控制。适应场合：适应场合：（1 1）对产品质量要求不高；）对产品质量要求不高；（2 2）处理量与进料性质变）处理量与进料性质变化不频繁或变化幅度小。化不频繁或变化幅度小。精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组物料平衡控制方案之一物料平衡控制方
21、案之一（1）方案）方案1：D LD,L L,QHV，B LB；精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组物料平衡控制方案之二物料平衡控制方案之二（2）方案）方案2：D D,L LD,QHV，B LB；精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔物料平衡控制方案精馏塔物料平衡控制方案物料平衡控制方案之三物料平衡控制方案之三（3）方案）方案3：D LD,L L,QHLB，B B；过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案v 质量指标选取质量指标选取v 直接质量指标直接质量指标（
22、1 1）产品质量在线分析仪）产品质量在线分析仪 /软测量仪软测量仪v 间接质量指标间接质量指标*（1 1）灵敏板温度，与塔顶）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）；同样的浓度变化）；（2 2）温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；）温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；（3 3）双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶）双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶/塔底产品纯塔底产品纯度均适中。度均适中。过程控制工程过程控制工程课程组课程组FLDPCF
23、LDPC塔顶汽相采出量塔顶汽相采出量 DV 塔压塔压 P冷凝器冷却量冷凝器冷却量QC 塔压塔压 P精馏塔的压力控制精馏塔的压力控制精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组v 被控变量被控变量TD,LD,LB (即只对塔顶产品质量指标进行控制；而对塔底产品质量即只对塔顶产品质量指标进行控制；而对塔底产品质量指标不作严格要求指标不作严格要求)v 控制变量控制变量D,L,B (而保持再沸器加热量而保持再沸器加热量Q QH H为定值为定值)v 控制结构控制结构（1）方案方案1 1：B LB，D LD，L TD；（2）方案方案2 2：B LB，L LD，D T
24、D。1 1 按精馏段指标的控制方案按精馏段指标的控制方案精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组DLCTCFBLCFCFC（1 1）方案）方案1 1：B B L LB B，D D L LD D，L L T TD D控制滞后小，反应快，控制滞后小，反应快，有利于克服进入精馏段有利于克服进入精馏段的扰动和保证塔顶产品的扰动和保证塔顶产品要求：要求：TCTC为为PIPI控制，控制，加热量足够大加热量足够大。精馏段能量平衡控精馏段能量平衡控制，最常用的方法。制，最常用的方法。精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组
25、DLCFBLCFCFCTC（2 2）方案）方案2 2：B B L LB B，L L L LD D，D D T TD D控制滞后大，反应慢，控制滞后大，反应慢，影响控制质量的提高，影响控制质量的提高，同时同时,要求加热量足够要求加热量足够大。大。精馏段物料平衡控精馏段物料平衡控制，有利于塔的平制，有利于塔的平稳操作。稳操作。精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组2 2 按提馏段指标的控制方案按提馏段指标的控制方案v 被控变量被控变量TB,LB,LD (即只对塔底产品质量指标进行控制；而对塔顶产品质量指标不作严格要求即只对塔底产品质量指标进行控制；而对
26、塔顶产品质量指标不作严格要求)v 控制变量控制变量QH,B,D(而保持回流量而保持回流量L为定值为定值)v 控制结构控制结构（1）方案方案1：D LD，B LB，QH TB；（2）方案方案2：D LD，QH LB，B TB。精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组DLCTCFBLCFCFC（1 1）方案）方案1 1：D D L LD D，B B L LB B，Q QH H T TB B控制滞后小，反应快，控制滞后小，反应快，有利于克服进入提馏段有利于克服进入提馏段的扰动和保证塔底产品的扰动和保证塔底产品要求：回流量足够大。要求：回流量足够大。否则容易
27、引起液泛，塔否则容易引起液泛，塔操作异常。操作异常。最常用的方法。最常用的方法。精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组DLCFBLCFCFCTC（2 2）方案）方案2 2：D D L LD D，Q QH H L LB B，B B T TB B控制滞后大，反应慢，且控制滞后大，反应慢，且液位控制回路存在反向特液位控制回路存在反向特性，影响塔的产品质量。性，影响塔的产品质量。要求：回流量足够大。要求：回流量足够大。保证最大负荷时产品质保证最大负荷时产品质量。量。当当B B较小时，操作平稳。较小时，操作平稳。精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方
28、案过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔DLBQHTRLBLDTSWQHTBTD精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案3 3 精馏塔两端质量指标控制方案精馏塔两端质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案TD方案 控制变量 D L QH B 1 LD TR TS LB 2 TR LD TS LB 3 LD TR LB TS 4 被控变量 LD LB TS TBTBTDTDTDTBTB过程控制工程过程控制工程课程组课程组方案方案控制变量控制变量D DL LQ QH HB B1 1被控变量被控变量L LD DT TD DT TB BL LB B2 2被控变量被控变量T TD DL LD DT TB BL LB BTCFBTCTBTDRVV1V2QHTDTBLTCFBTCTSVQHDLTRLCTBTD问题：对上述两种方案问题：对上述两种方案进行关联分析、比较进行关联分析、比较精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组精馏塔的质量指标控制方案精馏塔的质量指标控制方案改进方案改进方案 前馈反馈控制系统前馈反馈控制系统DFBFCFCTCTC
