精馏塔精馏段温度控制设计方案

1、 精馏塔精馏段温度控制设计方案 课题研究的背景和意义1.石油化工生产常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。分离互溶液体混合物有许多种方法，精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏过程通过反复的汽化与冷凝，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量消耗，因此精馏塔的自动控制问题长1 。期以来一直受到人们的高度重视精馏过程是由精馏装置来实现的，精馏装置一般是由精馏塔、再沸器（重沸器）、冷 凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。石油化工等大型生产过 程主要采用的连续精馏。

2、精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料 塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸溜的原理是蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的组分不断地向)易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，凝上升的气相的目的。由塔顶进入冷离，其难挥发组分则愈富集从而达到组分分器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏塔热蒸发成气相返回器，加中塔底流出出液取出。的液体，其的一部分送入再沸 中，另一部分液体作为釜残

3、液取出。精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其在机理复杂，动态响应迟缓，变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏1 。塔的控制方案是一个极为重要的课题 课题研究的现状2.随着生产过程向着大型、连续和强化方面发展，对操作条件要求更加严格，参数间相 互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也控制往往不能达到控制要求，为此，需要在简单控有明确的限制，采用传统的单回路PID制系统的基础上，采取其他设施，组成复杂控制系统，也称多回路控制系统。在这种控制系统中，或是由多个测量值、多个控制器；或是有多个测量值、一个控制器、一

4、个补偿器或一个解耦器等组成多个回路的控制系统。如串级控制系统、补偿控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择性控制系统和解耦控制系统等。 3. 课题研究的容 本文的研究任务是精馏塔精馏段的控制方案以及建模与仿真研究。首先，本文简述了精馏塔的一些基本概述以及本设计所选的精馏塔的塔型；其次，熟悉板式精馏塔分离苯-甲苯的工作原理及工艺流程，通过对精馏塔精馏段的控制分析，综合控制要求和扰动等各方面因素考虑，采用温度作为间接质量指标；再次，由于精馏塔属于多输入多输出、大滞后和扰动较大的系统，简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求，而串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具

5、有较大的优势，所以本文采用串级控制系统来对精馏塔精馏段的温度进行控制；最后，建立控制系统的数学模型，通过MATLAB进行仿真，对精馏塔精馏段中的控制方案进行分析，得出结论。 第1章 苯-甲苯精馏塔概述 1.1 苯-甲苯精馏塔在化工生产中的作用和地位 精馏塔是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在精馏塔中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。 在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，精馏塔的性能对于整个装置的产品产量

6、、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，精馏塔的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，精馏塔的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。 1.2 苯-甲苯精馏塔的分类及一般构造 苯-甲苯精馏塔经过长期发展，形成了型式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对苯-甲苯精馏塔进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的

7、塔；也有按塔釜型式分类的。但是长期以来，最常用的分类是按塔的件结构分为板式塔和填料塔两大类，还有几种装有机械运动构件的塔。 在板式塔中，塔装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。 在填料塔中，塔装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。 人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料，细分为多种塔型。 装有机械运动构件的塔，也就是有补充能量的塔，常被用来进行萃取操作，液有用于吸收、除尘等操作的，其中以脉动塔和转盘塔用得较多。

8、 苯-甲苯精馏塔的构件，除了种类繁多的各种件外，其余构件则是大致相同的。 （1）塔体 塔体是苯-甲苯精馏塔的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和低盖的椭圆形封头所组成。随着化工装置的大型化，渐有采用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体除满足工艺条件（如温度、压力、塔径和塔高等）下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工等的影响。对于板式塔来说，塔体的不垂直度和弯曲度，将直接影响塔盘的水平度（这指标对板式塔效率的影响是非常明显的），为此，在塔体的设计、制造、检验、运输和吊装等各个环节中，都应严格保证达到有关要求，不使其超差。 （2

9、）塔体支座 塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分。它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的操作。为此，它应当具有足够的强度和刚度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座（简称为“裙座”）。 （3）除沫器 除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重物料、提高分离效率、改善塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。 （4）接管 苯-甲苯精馏塔的接管是用以连接工艺管路，把苯-甲苯精馏塔与相关设备连成系统。按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表接管等。 （5）人孔和手孔 人孔和

10、手孔一般都是为了安装、检修检查和装填填料的需要而设置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的设置要求。 （6）吊耳 苯-甲苯精馏塔的运输和安装，特别是在设备大型化后，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便，可在苯-甲苯精馏塔上焊以吊耳。 （7）吊柱 在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔件的运送。 1.3 本设计所选的板式塔的塔型及其要求与特点 作为主要用于传质过程的精馏塔，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，精馏塔还得考虑下列各项要求。 （1） 生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操

11、作的现象。 （2） 操作稳定、弹性大。当苯-甲苯精馏塔的气（汽）液复合量有较大的波动时，仍 甲苯精馏塔应保证能长期连续操作。-能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且苯 （3） 流体流动的阻力小，即流体通过苯-甲苯精馏塔的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。 （4） 结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。 （5） 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面具有独到之处。人们对于高效率、生产能力大、稳

12、定操作和低压力降的追求，推动着苯-甲苯精馏塔新结构型式的不断出现和发展。 板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。根据目前国外实际使用的情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。 20世纪50年代起，浮阀塔已大量用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数有数百块之多。 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘

13、稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。 浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有下列特点。 （1） 处理能力大 浮阀在塔盘上可安排得比泡罩更紧凑。因此浮阀塔盘的生产能力可比圆形泡罩塔盘提高2040。 （2） 操作弹性大 浮阀可在一定围自由升降以适应气量的变化，而气缝速度几乎不变，因之能在较宽的流量围保持高效率。它的操作弹性为35，比筛板和舌形塔盘大得多。 （3） 塔板效率高 由于气液接触状态良好，且蒸气以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少。因此塔

14、板效率较高，一般情况下比泡罩塔高15左右。 （4） 压力降小 气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡 。666.6Pa400罩塔低。在常压塔中每层塔盘的压力降一般为浮阀的型式很多，国已采用的浮阀，如V-1型、V-4型、V-6型、十字架型和A型，其中常用的是V-1型和V-4型。 本设计所选的苯-甲苯精馏塔为浮阀板式塔，浮阀塔盘操作时的气液流程和泡罩塔相似；蒸气自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀 能够随着气速的增减在相当宽广的气速围自由调节、升降，以保持稳定操作。 第2章 苯-甲苯精馏塔的工艺生产流程 2.1 精馏原理 所谓精馏，就是把一定浓

15、度的溶液送到精馏装置中，使之不断进行部分冷凝和部分汽化，从而得到预期的塔顶与塔底产品的一种操作过程。精馏操作迫使混合物的气、液两相在精馏塔体中作逆向流动，在互相接触过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相。精馏过程本质上是一种传质过程，也伴随着传热。在此过程中，大致需要如下设备：精馏塔；冷凝器；再沸器；回流罐；回流泵3。石油化工行业中的精馏装置大多采用的事连续运行的方式，具体流程图见下图2.1所示。 图2.1 连续精馏装置流程图 连续精馏的具体运行流程如下：原料从进料板(即为精馏塔中段的某块塔板)上进入，进料板将整个精馏塔分为精馏段(进料板以上的部分)和提馏段(进料板

16、以下的部分)；溶液进入精馏塔之后，因各组分具有不同的沸点，从而导致低沸点低组分(即易挥发组分)汽化较易而往上升腾，而高沸点组分(即难挥发组分)则大多随着液体向下流。并和精馏塔上升的蒸汽在各层塔板上进行充分接触，从而进行传热、传质过程：向F流的液体到达塔釜之后，部分被连续引出从而成为塔底产品。部分经加热汽化之后又返回到精馏塔中；精馏塔的上升蒸汽依次经过全部塔板，从而使蒸汽中的易挥发组分的浓度逐渐增高，上升至塔顶的蒸汽在冷凝器中被冷凝成为液体，经过回流泵和回流罐之后，部分被连续引出从而成为塔顶产品，部分则作为塔冷却液而被引回至顶部塔板上，这一过程称为回2。流 2.2 精馏装置的作用 （1）精馏段的

17、作用 加料版以上的塔段为精馏段，其作用是逐板增加上升气相中的易挥发组分的浓度。 （2）提馏段的作用 包括加料版在的以下塔板为提馏段，其作用是逐板提取下降的液相中易挥发组分。 （3）塔板的作用 塔板是供气液两相进行传质和传热的场所。每一块塔板上气液两相进行双向传质，只要有足够的塔板数，就可以将混合液分离成两个较纯净的组分。 （4）再沸器的作用 其作用是提供一定流量的上升蒸气流。 （5）冷凝器的作用 其作用是提供塔顶液相产品并保证有适当的液相回流。回流主要补充塔板上易挥发组分的浓度，是精馏连续定态进行的必要条件。精馏是一种利用回流使混合液得到高 纯度分离的蒸馏方法。2.3 苯-甲苯分离的工艺流程

18、冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐 苯 回流 原料罐原料原料预热器精馏塔 回流 塔底产品冷却器再沸器 甲苯的储罐甲苯图2.3 苯-甲苯分离工艺流程示意图 苯的沸点为80.1，熔点为5.5，在常温下是一种无色、味甜、有芳香气味的透明液体，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml，但其分子质量比水重。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。 甲苯是最简单，最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈 黄色。甲苯的熔点为-95 ，沸点为111 。甲苯带有一种特殊的芳香味（与苯的气味类似），在常温常压下是一种无色透明

19、，清澈如水的液体，密度为0866克厘米3，对光有很强的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0,6 mPa s，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg，闪点为4 ，燃点为535 。 分离苯和甲苯，可以利用二者沸点的不同，采用塔式设备改变其温度，使其分离并分别进行回收和储存。 首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为

20、被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。 2.4 苯-甲苯精馏过程的操作条件 （1）操作压力 蒸馏操作通常可在常压、加

21、压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 （2）进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生

22、产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔 的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。 （3）加热方式 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力KPa （表压）。1.12.0甲苯溶液，一般采用-及釜中液柱静压力。对于苯 第3章 精馏塔精馏段温度控制方案设计 3.1 概述 精馏塔的控制直接影响

23、到工厂产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它有多级塔板组成，在机理复杂，对控制要求较高。这些都给自动控制带来一定的困难，同时各塔工艺结构特点千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了精馏段温度控制系统的产生。 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

24、被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面光等。 3.2 精馏塔精馏段的控制要求 精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。 （1）产品质量控制 塔顶产品合乎规定的纯度，塔底成品维持在规定的围。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分（或重组分）含量和塔底产品中重组分（轻组分）含分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分，塔底产品是不易挥发的关键组分，称为重关键组分。 （2）物料平衡控制 进出物料平衡，即塔顶采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及

25、上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以回流罐与介于规定的上、下限之间为目标的。 （3）能量平衡控制 精馏塔精馏段的输入、输出能量应平衡，使塔的操作压力维持稳定。 （4）约束条件控制 为保证精馏塔的正常、安全操作，必须使某些操作参数限制在约束条件之。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。所谓液泛限，也称气相速度限，即塔气相速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛，破坏正常操作。漏液限也称最小气相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液，板效率下降。防止液泛和漏液，可以塔压降和压差来监视气相速度。压力限是指塔的操作压力的限制，一般是最

26、大操作压力限，即塔操作压力不能过大，否则会影响塔的气液平衡，严重越限甚至会影响安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧间的温差，当这一温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，传热量也随之下降，不能保证塔5。的正常传热的需要 3.3 精馏塔精馏段的扰动分析 精馏塔精馏段的操作就是按照塔顶产品的组成要求来对这几个影响因素进行调节。精馏操作过程的影响因素有以下几方面：1.塔的温度和压力；2.进料量；3.进料组分；4.进料温度；5.回流量；6.塔顶冷剂量；7.塔顶采出量等.在精馏塔精馏段操作过程中要克服各种影响因素的变化，防止对塔顶产品的数量和组成的影响。 （1）精馏塔操作压力的变化对精馏塔精馏段操作的影

27、响 塔的设计和操作都是基于一定的塔压下进行的，因此一般精馏塔总是首先要保持压力的恒定。塔压波动对塔的操作将产生如下的影响。 影响产品质量和物料平衡 改变操作压力，将使每块塔板上汽液平衡的组成发生改变。压力升高，则气相中重组分减少，相应地提高了气相中轻组分的浓度；液相中轻组分含量较前增加，同时也改变了气液相的重量比，使液相量增加，气相量减少。总的结果是：塔顶馏分中轻组分浓度增加，但数量却相对减少；釜液中的轻组分浓度增加，釜液量增加。同理，压力降低，塔顶馏分的数量增加，轻组分浓度降低；釜液量减少，轻组分浓度减少。正常操作中，应保持恒定的压力，但若因操作不正常，引起塔顶产品中重组分浓度增加时，则可采

28、用适当提高压力的办法，使产品质量合格，但此时釜液中的轻组分损失增加。 改变组份间的相对挥发度 压力增加，组份间的相对挥发度降低，分离效率下降，反之，组份间的相对挥发度增加，分离效率提高。 改变塔的生产能力 压力增加，组份的重度增大，塔的处理能力增大。 塔压的波动 这将引起温度和组成间对应关系的混乱。我们在操作中经常以温度作为衡量产品质量的间接标准，但这只有在塔压恒定的前提下才是正确的。当塔压改变时，混合物的泡点、露点发生变化，引起全塔的温度发生改变，温度和产品质量的对应关系也将发生改变。 从以上分析可看出，改变操作压力，将改变整个塔的操作情况，因此在正常操作中应维持恒定的压力（工艺指标），只有

29、在塔的正常操作受到破坏时，才可根据以上的分析，在工艺指标允许的围，对塔的压力进行适当的调节。应该指出，在精馏操作过程中，进料量、进料组成和进料温度的改变，塔釜加热蒸汽量的改变，回流量、回流温度和冷剂压力（对回流塔而言）的改变以及塔的堵塞等，都可能引起塔压的波动，此时应首先分析引起塔压波动的原因，及时处理，使操作恢复正常。 （2）进料量的变化对精馏塔精馏段操作的影响 进料流量是上工序的出料，因此，通常不可控但可测，当进料流量较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。进料流量影响物料平衡，也影响能量平衡。因此，控制策略应保持流量的基本恒定。 进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数

30、情况下也难于测量。因此，控制策略是尽量控制上一工序的操作，从外围着手，使进料成分能够保持恒定，减小其变化对精馏塔操作的影响。 （3）进料组份的变化对精馏塔精馏段操作的影响 进料组份的变化直接影响精馏塔精馏段的操作，当进料中重组份的浓度增加时，精馏段的负荷增加。对于固定了精馏段塔板数的塔来说，将造成重组份带到塔顶，使塔顶产品质量不合格。 若进料中轻组份的浓度增加时，此时精馏段的负荷增加。对于固定了提馏段塔板数的塔来说，将造成提馏段轻组份蒸出不完全，釜液中轻组份的损失加大。 同时，进料组成的变化还将引起全塔物料平衡和工艺条件的变化。组份变轻，则塔顶馏份增加，釜液排出量减少。此时，全塔温度下降，塔压

31、升高。组成变重，情况相反。进料组成变化时，可采取如下措施： 改进料口 组成变重时，进料口往下改；组成变轻时，进料口往上改。 改变回流比 组成变重时，加大回流比；组成变轻时，减少回流比。 调节冷剂和热剂量 根据组成的变动情况，相应地调节塔顶冷凝器的冷剂和塔釜热剂量，维持塔顶及塔底产品质量不变。 （4）进料温度的变化对精馏塔精馏段操作的影响 进料温度的变化对精馏操作的影响是很大的。总的来讲，进料温度降低，将增加塔底蒸发釜的热负荷，减少塔顶冷凝器的冷负荷；进料温度升高，则增加塔顶冷凝器的冷负荷，减少塔底蒸发釜的热负荷。当进料温度的变化幅度过大时，通常会影响整个塔身的温度，从而改变汽液平衡组成。例如：

32、在进料温度过低，塔釜的加热蒸汽量没有富裕的情况下，将会使塔底馏分中轻组分含量增加。 进料温度的的改变，意味着进料状态的改变，而进料状态的改变将影响精馏段、提馏段负荷的改变，进而产品质量、物料平衡都将发生改变。因此，进料温度是影响精馏塔操作的重要因素之一。 （5）回流比的大小对精馏塔精馏段操作的影响 操作中以改变回流比的大小来保证产品的质量。当塔顶馏分中重组份含量增加时，常采用加大回流比的方法将重组份压下去，以使产品质量合格。当精馏段的轻组份下到提馏段造成塔下部温度降低时，可以用适当减少回流比的办法以使塔下部温度提起来。增加回流比，对从塔顶得到产品的精馏塔来说，可以提高产品质量，但是却要降低塔的

33、生产能力，增加水、电、汽的消耗。回流比过大，将会造成塔物料的循环量过大，甚至能导致液泛，破坏塔的正常操作。 （6）塔顶冷剂量的大小对精馏塔精馏段操作的影响 对采用回流操作的塔，其冷剂量的大小，对精馏操作的影响比较显著；同时也是影响回流量波动的主要因素。 对于采用外回流的塔，同样会由于冷剂量的波动，在不同程度上影响精馏塔的操作。例如，冷剂量减少，将使冷凝器的作用变差，冷凝液量减少，而在塔顶产品的液相采出量作定值调节时，回流量势必减少。假如冷凝器还有过冷作用（即通常所称的冷凝冷却器）时，则冷剂量的减少，还会引起回流液温度的升高。这些都会使精馏塔的顶温升高，塔顶产品中重组份含量增多，质量下降。 （7

34、）塔顶采出量的大小对精馏塔精馏段操作的影响 塔顶采出量的大小和该塔进料量的大小有着相互对应关系，进料量增大，采出量应增大。 众所周知，采出量只有随进料量变化时，才能保持塔固定的回流比，维持塔的正常操作，否则将会破坏塔的气液平衡。 例如，当进料量不变时，对采用回流的塔，若塔顶采出量增大，则回流比势必减少，引起各板上的回流液量减少，气液接触不好，传质效率下降；同时操作压力也将下降，各 板上的气液相组成发生变化。结果是重组分被带到塔顶，塔顶产品的质量不合格。 在强制回流的操作中，如果进料量不变，塔顶采出量突然增大，则易造成回流液槽抽空。回流液一中断，顶温就升高，这同样也会影响塔顶产品质量下降。如果进

35、料量加大，但塔顶采出量不变，其后果是回流比增大，塔物料增多，上升蒸汽速度增大，塔顶与塔釜的压差增大，严重时会引起液泛。 由上述分析可以看出，精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量、进料组分、进料温度。其中，进料流量与进料组分是不可控的，而进料温度可通过热焓来控制。 3.4 精馏塔被控变量的选择 精馏塔被控变量的选择，主要讨论质量控制中得被控变量的确定，以及检测点的位置等问题。通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。 （1）采用产品成分作为直接质量指标 以产品成分的检测信号直接用作质量控制的被控信号，应该说是最为理想的。过去，因成分参数在检测上的困难，难以直接对

36、产品成分信号进行质量控制。近年来，成分检测仪表发展迅速，尤其是工业色谱的在线应用，为以成分信号直接作为质量控制的被控变量，创造了现实条件。 然而，因成分分析仪表受以下三方面的制约，至今在精馏塔质量控制上成功地直接应用还是为数不多的： 分析仪表的可靠性差； 分析测量过程滞后大，反应缓慢； 成分分析针对不同的产品组分，品种上较难一一满足。 因此，目前在精馏操作中，温度仍是最常用的间接质量指标。 （2）采用温度作为间接质量指标 温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种。对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的

37、温度就反应了成分。 3.5 控制方案的设计 单回路控制系统一般情况下都能满足正常生产的要求，但是当对象滞后较大，负荷和干扰变化比较剧烈而频繁，或是工艺对产品质量提出的要求很高时，采用单回路控制方法就不太有效，于是就出现了一种串级控制系统。串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统环为副控对象，外环为主控对象。环的作用是将外部扰动的影响在环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高了系统的品质，因此串级控制系统中选择环时应考虑其响应速度要比外环响应速度快得多。 串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程控制中得到了广泛的应用。对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度

38、的因素很多：被加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回路控制系统并不能把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统来实现。 串级控制系统3.5.1 图4.1是串级控制系统的结构图。串级控制在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，成为环、副环或副控回路，其控制器称为副控制器，在控制中起“粗调”作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，起“细调”作用，最终保证被控量满足控制要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则

39、去控制被控对象。这种由两个控制器串在一起控制一个执行机构的控制系统，称为串级?sVsV称为二次扰动称为一次扰动，作用在环的扰动控制系统。作用在外环的扰动216。 ?sVsV21?sYsR?22sYsR+?sGsDsGDs+1221- 串级控制系统方框图图3.1 与单回路控制系统相比，串级控制在结构上增加量一个副控回路，正是由于副控回路的存在，使串级控制具有自己的特点。 1.副控回路具有快速性，能够有效地克服进入副控回路的二次干扰。与单回路控制系统相比，被控量受二次干扰的影响可以减至原来的1/1001/10。 2.由于副控回路起到了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主控制器的增益，提高系统的工

40、作频率。 3.由于副控回路的存在，使串级系统的自适应能力增强。 3.5.2 串级控制系统的特点 控制的基础上发展起来的一种控制技术。串级控制是在原控PID串级控制是在单回路制回路中，增加了一个或几个控制回路，用用以控制可能引起被控量变化的其他因素，从而有效的抑制被控对象的时滞特性，提高系统动态响应的快速性。 （1）抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出。 （2）及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。 （

41、3）适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。 （4）能够更精确控制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的对应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制5。 器输出一一对应，从而能够更精确控制操纵变量的流量3.6 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控

42、制问题。对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控6。串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面制，无法满足控制系统的控制要求具有较大的优势。 3.6.1 变量的选择 （1）被控变量的选择 对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控变量。对于多元精馏塔由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物。在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系。误差较小。因此。绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。 （2）操纵变量的选择 精馏段的温度控制精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标在恒

43、压下根据温度检测点的位置不同。有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。而回流量L的动态响应快，温度稍有变化，即可通过调节回流7。加以控制，能够很好的克服扰动量L 3.6.2 精馏塔精馏段控制的过程分析 我们的控制目的是使塔温保持恒定，现选用精馏段的温度, 与回流量来构成串级随动控制，如图3.2所示。图中TC表示温度调节器，LC表示量调节器液位调节器，TC通常按PID调节规律，流量调节器按P调节规律。当温度发生变化时，由主调节器（ 温度调节器TC）进行控制，其输出作为副调节器（液位调节器LC）的给定值，最终控制阀门的开度，主控回路的输出作为副控回路设定值

44、修正的依据，副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象，液位一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了液位的变化对出料温度的影响。如果液位是恒定的，只需测量实际温度，并使其与温度设定值相比较，利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持温度的恒定。路中，以补偿过程的动态?超前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间滞后特性，使被控对象的滞后时间问题，减少了系统的超调量，加速了系统的调节过程，另外，通过增大液位调节器的比例增益，系统的等效时间常数可以获得较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高8。 了系统的工作频率 图3.2 精馏塔精馏段温度串级控制系统 其控制器的正、反作

45、用选择如下： （1）主被控变量 精馏塔精馏馏段温度 （2）副被控变量 回流量 （3）控制阀 从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv0。 。Kp20控制阀打开，进料流量增加，回流量也增加，因此， ）副被控对象4（ （5）副控制器 为保证负反馈，应满足Kc2KvKp2Km20，因Km20，应选Kc20，即选用反作用控制器。 （6）主被控对象 当蒸汽流量增加时，精馏段温度升高，因此，Kp10。 （7）主控制器 为保证负反馈，应满足Kp1Kc1Km10，因Km10，应选Kc10，即选用反作用控制器。 图3.3 精馏塔精馏段温度串级控制系统结构图 在这个计算机串级随动控制系统中，串级控制起到了及时检测系

46、统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制，阀位与流量得到了及时的调节，使塔温的控制达到了良好?的控制效果，并且使系统具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间很长的问题。二次干扰为该系统的主要扰动，副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。当扰动发生在副回路，例如液位发生波动引起精馏段的温度变化时，由于有副控回路的存在，液位调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起精馏段的温度变化，温度调节器及时改变其输出信号，9由副控回路去改变流量，克服了扰动影响 。3.7 控制规律的选择 在控制系统中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起

47、定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制器规律的基本出发点。 主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动围很小，一般要求无静差，因此，主控 控制规律。PID制器应选副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定围的变化，并允许有静差。为此，副控制器选择P控制规律。 总之，精馏过程由于在机理复杂，对控制作用的响应缓慢，参数间关联密切，因此控制要求高，难度大。又由于其非线性、强耦合、质量参数在线检测困难等特点，使得精馏10。 塔的自动控制问题成为过程控制界研究的热点精馏塔借助于冷凝器的冷却来保持其精馏段的温度恒定，由于冷凝器的传热和精馏塔?很长。实验和经验表明，塔温控

48、制对象可近似为的传质过程，使对象的等效纯滞后时间1114。在精馏塔精馏段温度控制系统中，保持回流量一个纯滞后环节和一个一阶环节组成的恒定与塔温发生变化能及时地调节回流阀门的开度使塔温保持恒定是我们的最终控制目的。如果采用传统的控制算法，回流量得不到及时地调节，温度变化以后才调节回流阀门的开度来改变蒸气的供给量，产生了过程上的时间滞后问题，使被控对象的等效时间很长不能及时地反应系统所承受的扰动，从而达不到预期的控制效果。本文针对这个问题，提出采用主控回路和副控回路相配合的温度串级控制系统，主回路控制器采用PID控制算 控制算法，最大可能的满足控制系统的要求。P法，副回路采用 第4章 控制系统的建

49、模 工业过程的数学模型可分为动态数学模型和静态（稳态）数学模型，动态数学模型是表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数学描述。从控制角度来看，输入变量就是操纵变量和扰动变量，输出变量是被控变量。动态模型在对过程动态的分析和控制中起着举足轻重的作用。可用于各类自动控制系统的设计与分析，以及工艺设计和操作条件的分析和确定。工业过程的静态数学模型是描述输入变量和输出变量之间不随时间变化情况下的数学关系，可用于工艺设计和最优化等，同时也是考虑控制方案的基础。 4.1 数学模型简介 4.1.1数学模型的定义及特征 数学是研究现实世界空间形式和数量关系的科学。而数学模型则是应用数学的思想方法、

50、语言和工具,是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一个抽象的、简化的结构，是为了解决实际问题而设计的关于“数、形、算”的一种十分有用的数学结构。通过建立数学模型,可以充分发挥数学科学解决实际问题的服务功能，体现出数学的真正意义。建立系统模型的过程。又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。图描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的机理来建模，也可以通过对系统的实验或统计数据的处理,并根据关于系统的已有的知识和经验来建模。还可以同时使用几种方法。 模型的实质是对现实原型的一

51、种抽象或模仿。这种抽象或模仿自然要抓住原型的本质,抛弃原型中的次要因素。从这个意义上来讲,模型既反映原型, 又不等于原型, 或者说它是原型的一种近似。 现在数学模型还没有一个统一的定义,因为站在不同的角度可以给出不同的定义。而通常说来，数学模型就是指对于现实世界的某一特定对象，为了某个特定的目的，做出一些必要的简化和假设，运用适当的数学工具得到的一个数学结构，它或者能解释特定现象的现实性态或者能预测对象的未来前景，或者能提供处理对象的最优决策或控制等。具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其在联系的数学结构

52、表达式。 数学模型的特征是： 第一，它是某事物为一种特殊目的而作的一个抽象化、简单化的数学结构，这意味着扬弃、筛选，是取舍次要因素，突出主要因素的主要结果；是事物的一种模拟，虽源于现实，但非实际的原型，而又高于现实。 第二，它是数学上的抽象，在数值上可以作为公式的应用，可以推广到与原物相近的一类问题。 第三，可以作为某事物的数学语言，可以译成算法语言，编写程序进入计算机。 数学模型分类有以下几种： 按数学模型的功能可分为定量和定性的。 按数学模型的目的可分为理论研究的，预期结果的和优化的。 按数学模型结构可分为分析的，非分析的和图论的。 按数学模型所研究对象的特性可分为确定的和随机的，静态的和

53、动态的，连续的和离散的，或线性的和非线性的。 4.1.2 建模应用 系统建模主要用于三个方面。分析和设计实际系统。例如工程界在分析设计一个新系统时，通常先进行数学仿真和物理仿真实验，最后再到现场作实物实验。数学仿真比物理仿真简单、易行。用数学仿真来分析和设计一个实际系统时，必须有一个描述系统特征的模型。对于许多复杂的工业控制过程，建模往往是最关键和最困难的任务。预测或预报实际系统的某些状态的未来发展趋势。预测或预报基于事物发展过程的连贯性。对系统实行最优控制。运用控制理论设计控制器或最优控制律的关键或前提是有一个能表征系统特征的数学模型。在建模的基础上，再根据极大值原理，动态规划，反馈、解耦，

54、极点配置、自组织、自适应和智能控制等方法，设计各种各样的控制器或控制律。 系统建模主要用于3个方面对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。但建立的任何模型都只是实际系统原型的简化，因为既不可能也没必要把实际系统的所有细节都列举出来。如果在简化模型中能保留系统原型的一些本质特征，那么就可认为模型与系统原型是相似的，是可以用来描述原系统的。因此，实际建模时，必须在模型的简化与分析结果的准确性之间作出适当的折衷，这是建模遵循的一条原则。 4.2 建立数学模型的目的 建立被控对象的数学模型的目的主要有以下几种： （1）进行工业过程优化操作。 控制系统方案的设计和仿真研究。 (2

55、) (3)控制系统的调试和控制器参数的整定。 (4)作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型。 (5)工业过程的故障检测与诊断。 (6)设备启动与停车的操作方案。 4.3 建模的方法 系统建立数学模型的基本方法主要是基于过程动力学的机理建模和基于实验数据的经验建模。机机理建模包括机理法建模，测试法建模和半测试法建模；检验建模包括阶跃响应建模，线性回归建模和神经网络建模。 一般的经验建模方法是根据实测数据，按照某种性能指标从一组模型中选择个最大化（最小化）该性能指标的模型作为过程的经验模型，因此经验建模通常包括三个基本要素：输入输出数据；一组候选的模型集。 4.3.1机理建模 机理法建模就是根据对象的机理，写出各种有关的平衡方程，并从中获得所需的数学模型这种方法获得的模型物理概念清晰、准确、不但给出了系统输入输出变量之间的关系，也给出了系统状态和输入输出之间的关系，使人们对系统有一个比较清楚的了解，因此也被称为“白箱模型”。它包含一系列的建模步骤： (1)根据建模的对象和模型使用目的进行合理的假设 由于实际的生产过程往往非常复杂，不可能完全精确地用数学公式把客观实际描述出来。因此在建立数学模型时需要进行一定的假设。在满