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1、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
2、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
3、.0,三层塔板计算示例,xi=0.025,yi=0.1135,Ti=96.0,xi+1=0.1135,yi+1=0.3906,Ti=89.0,xi=?,yi=0.025,Ti=?,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：,平均挥发度,塔板效率,塔板数,精馏塔的分离要求与塔板数选择,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：,变量意义分析,精馏塔中的温度分布与轻组分的浓度分布,精馏塔的操作目标,确保操作安全性与平稳性具体包括塔压、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
4、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,产品回收率：,能量消耗：V/F,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:PMVs: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,CVs不同的原因分析与应用背景
5、介绍,W=(F,xF,TF),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
6、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,CVs:LD,LBMVs:L or D,QH or B,CVs 与 MVs 如何配对?,物料平衡控制的意义？它与双液位控制的关系？,物料平衡控制系统的变量配
7、对,“就近”原则下的变量配对,方案比较原则：既要满足控制CVs的基本要求，又要尽可能减少对产品质量的影响,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
8、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；（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,塔底液位合
9、适的变量配对：B LB塔顶配对方案B1：L TR，D LD塔顶配对方案B2：D TR，L LD,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。,塔顶产品纯度控制方案 B1,（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,方案特点分析,塔顶产品纯度控制方案 B2,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,方案特点分析,塔顶产品纯度控制方案 B2+,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,方案特
10、点分析,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,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,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
11、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,（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,控制方案特点分析,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
12、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塔顶配对方案D2：L LD，D TR,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。,配对D1与D2，哪个好？,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：,相对增益为：,相对增益矩阵为：,假设,则,K11 0，K21 0，,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#
13、2的关联分析,稳态增益方程：,相对增益为：,相对增益矩阵为：,假设,则,K11 0，K12 0，K22 0，,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
14、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+TRMVs:L,QH,F,BDVs: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+TSMVs:L,QH,F,DDVs: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,
