精馏塔过程的控制课件.ppt

19,精馏过程,的控制,19.1,概述,19.2,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,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,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,：,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,：,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,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。,19.2,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,:,D,B,F,?,?,总物料：,轻组分：,B,D,f,Bx,Dx,Fx,?,?,B,B,f,D,x,x,x,D,F,x,?,?,?,),(,B,D,B,f,x,x,x,x,F,D,?,?,?,或,),(,f,D,D,B,x,x,B,F,x,x,?,?,?,B,D,f,D,x,x,x,x,F,B,?,?,?,是决定塔顶和塔底产品中轻重组分含量的关键因素,F,B,F,D,同理有：,进料成分,z,f,对,x,D,、,x,B,的影响也很大。,F,x,F,V,B,x,B,D,x,D,(,2),能量平衡,已知分离度,S,，,),1,(,1,?,?,?,s,x,sx,x,B,B,D,),1,(,D,D,D,B,x,s,x,x,x,?,?,?,能耗与分离度,S,的关系：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,),1,(,),1,(,ln,ln,D,B,B,D,x,x,x,x,S,F,V,?,?,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,x,D,x,B,就完全确定。,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,R,S,V,L,V,L,F,?,?,?,?,泡点进料时：,r,S,V,V,L,F,L,?,?,?,露点进料时：,S,r,L,L,V,F,V,?,?,?,精馏段任一塔板上的物料平衡,S,L,S,V,B,x,B,1,?,i,y,i,x,D,i,R,i,R,Dx,x,L,y,V,?,?,?,1,R,V,R,L,L,?,D,x,D,1,?,i,y,i,x,i,或,D,R,i,R,R,i,x,V,D,x,V,L,y,?,?,?,1,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,B,j,S,j,S,Bx,x,L,y,V,?,?,?,1,或,B,S,j,S,S,j,x,V,B,x,V,L,y,?,?,?,1,提馏段的操作线方程,精馏塔的控制问题,精馏,过程,塔顶采出量,D,回流量,R,塔底采出量,B,再沸器上升蒸汽量,V,冷凝器冷却量,Q,C,塔顶汽相采出量,D,V,塔顶产品纯度,x,D,塔底产品纯度,x,B,塔底液位,L,B,回流罐液位,L,R,塔顶压力,P,外部扰动,(进料的流量,组成与温度等),操作变量/控制变量,被控变量,精馏塔简化的控制问题,精馏塔,塔顶采出量,D,回流量,R,塔底采出量,B,再沸器上升蒸汽量,V,精馏段灵敏板温度,T,D,塔底液位,L,B,回流罐液位,L,R,外部扰动,(进料的流量,组成与温度等),操作变量/控制变量,被控变量,提馏段灵敏板温度,T,B,*,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相对独立的子系统。,19.2.2,精馏塔的干扰因素,T,F,Z,F,Q,F,F,(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,Z,F,变化,为不可控的干扰。,（,3,）进料温度,T,F,及热焓,Q,F,变化,（,4,）蒸汽加入热量的变化,（,5,）回流量及冷剂量,精,馏,塔,回流,冷却剂,塔顶产品,q,回,蒸汽,q,蒸,19.3,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,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。,（,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。,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,52,65,塔板,苯,-,甲苯,-,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。,轻组分,x,T,（以塔底产品为主）,1,2,3,4,5,受扰变化至,1,，则纯度变坏，温差，则增加蒸汽量，使纯度,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！,（,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,LT,101,LC,101,TDT,101,FC,101,FT,101,FC,102,FT,102,TT,104,TT,103,TT,102,TT,101,TDT,102,TDC,101,?,LT,102,LC,102,F,B,D,H,C,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。,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：,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。,（,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,L,R,和再沸器加热蒸汽量,V,S,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,FC,103,FT,103,FC,102,FT,102,LT,101,LC,101,FC,101,FT,101,LT,102,LC,102,当进料流量,F,、及状态恒定时,固定,L,R,和,V,s,，,D,和,B,就确定了。,分别控制,L,R,和,V,S,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,F,H,L,R,FT,103,FC,102,FT,102,FC,101,FT,101,K,1,K,2,V,S,适用：,L,R,/D,（回流比）不是很大，且,F,的流量及状态恒定。,固定馏出液流量,D,和再沸器加热蒸汽量,V,S,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,LT,102,LC,102,FC,103,FT,103,LT,101,LC,101,适用于回流比,L,R,/,D,较大的场合，控,制,D,要比控制,V,S,更有利，保证,D,比较平稳。,固定塔底采出量,B,和回流量,L,R,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,FC,103,FT,103,LC,101,LT,101,FT,103,FC,103,FC,101,FT,101,LT,102,LC,102,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,Z,F,的变化时，很难保证,产品纯度。,FC,101,FT,101,FC,102,FT,102,（,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,L,R,、馏出液流量,D,、,再沸器加热蒸汽量,V,S,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,L,R,、,D,、,V,S,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：,间接物料平衡控制,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,FC,103,FT,103,FC,101,FT,101,LT,101,LC,101,TC,101,TT,101,LT,102,LC,102,被控变量：,T,D,能量控制：,V,S,操纵变量：,L,R,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,，,L,R,，,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,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,F,B,常一线,H,分,馏,塔,V,s,L,R,FC,103,FT,103,FC,102,FT,102,LT,101,LC,101,LT,102,LC,102,TC,101,TT,101,FC,101,FT,101,LC,103,LT,103,LC,104,LT,104,LC,105,LT,105,FC,104,FT,104,FC,105,FT,105,FC,106,FT,106,常二线,常三线,常四线,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,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,LT,102,LC,102,FC,103,FT,103,FC,102,FT,102,TC,101,TT,101,LT,101,LC,101,（,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。,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,TC,101,TT,101,LT,101,LC,101,FC,101,FT,101,LT,102,LC,102,FC,102,FT,102,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,TC,101,TT,101,LT,101,LC,101,FC,103,FT,103,LT,102,LC,102,FC,102,FT,102,FT,101,K,回流比定值控制，对负荷的,适应性较强。,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%V,S,的塔,F,B,D,H,精,馏,塔,V,s,L,R,TT,101,TC,101,FC,101,FT,101,LT,102,LC,102,FC,102,FT,102,LC,101,LT,101,直接物料平衡控制,（,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,?,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。,D,L,R,PT,101,PC,101,D,L,R,PT,101,PC,101,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。,?,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,V,1,全开塔压还偏高时，打开,V,2,增大传,热量使压力下降,分程控制。,?,液相采出，馏出物中含有微量不凝物,D,L,R,PT,101,PC,101,V,1,V,2,改变传热量控制塔顶压力,D,L,R,图,1,按压力改变冷剂流量,PT,101,PC,101,图,2,按压力改变传热面积,D,L,R,PT,101,PC,101,图,3,采用热旁路,D,L,R,PT,101,PC,101,有利于节约冷却剂,反应迟钝,反应灵敏，,应用较广泛,相关因素：,外回流,L,R,的流量，内回流,=L,R,+,L,，,当塔顶蒸汽温度与外回流温度相同时，内回流,=L,R,（,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,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,可采用前馈串级控制方案,保持塔底温度恒定,FC,1,、提馏段温控,（,1,）塔底出料成分要求较高,（,2,）进料全为液相,（,3,）操作回流比较大,主控系统：,被控变量为提馏段温度，,操纵变量为再沸器加热量。,辅助控制：,PC,LC,LC,TC,FC,2,、精馏段温控,TC,主控系统：,控制精馏段温度，,操纵变量为回流量。,辅助控制：,