精馏塔提馏段串级控制系统设计1111111Word文档格式.doc
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5.3蒸汽压力扰动的仿真分析 42
5.4进料量扰动的仿真分析 43
5.5单回路控制系统的MATLAB仿真及扰动分析 44
结论 47
引言
“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。
随着科学技术的快速发展，过程控制也在日新月异的发展。
它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量、节约原材料和能源，而且在减少环境污染上也起到了十分重要的作用，所以，它在规模大和结构复杂的工业生产过程中是必要的组成部分[1]。
精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。
精馏塔的控制直接影响到产品的产量、质量和能量的消耗，同时各塔工艺结构特点各不相同，这就需要对其特性进行深入分析，针对具体塔的特点，进行自动控制方案的设计和研究。
精馏塔的控制最终目标是：
在保证产品质量的前提下，使精馏塔釜液为主要产品时，经常按提馏段的指标来进行控制。
如果是按照液相进收率最高、能耗最小，或使总收益最大。
在这种情况下，为了能够更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。
按提馏段指标的控制方案：
当进料量为液相时，也常常采用这种方案。
这是因为在液相进料时，对于进料量的变化，首先影响到精馏塔塔底产品的浓度，由于塔顶或精馏段塔板上的温度不能够很好的反映出浓度的变化，所以采用提馏段温度控制。
另外，提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，以改变再沸器加热量作为温控手段的方案，就是所说的提馏段温控。
精馏是化工、炼油生产领域中极为广泛的传质传热过程，目的是将混合物中的各组分分离，达到规定标准的纯度。
比如说，石油化工生产中的中间产品裂解气，需要通过精馏操作进一步分离成要求很高纯度的乙烯、丙烯、丁二烯及芳烃等化工原科。
精馏过程的实质，是利用混合物中各组分具有不同的沸点，也就是说，使液相中的轻组分转移到气相中，而气相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。
此外，对于精密精馏，如果没有相应的自动控制和它配合，就很难达到预想的效果。
所以，精馏塔的自动控制极为重要，同时也很受人们的关注。
精馏过程中的主要设备就是精馏塔。
有关精馏塔的结构设计有各种各样的类型，但一个精馏塔一旦投入使用，塔板的结构和数量就不容易改变，在其精馏塔的整个运行过程中，只能通过操作条件的不断变换来保证产品的质量。
从工程控制的角度出发，希望能更好地控制精馏塔来保证产品质量，提高产品产量和降低能量消耗。
目前一般的精馏塔和它的附属设备中，大多数工艺参数均已得到了测量和控制。
如果仅仅是从每个单独的控制回路着手来改进一个塔的性能，都会遇到难以克服的困难。
之所以控制方案多，是因为在精馏塔的操作过程当中，被控的变量比较多，可以选用的操纵变量也很多，同时又可有各种不同组合。
由于精馏塔是一个高阶对象，动态响应缓慢，所以较难控制，剧烈的波动易出不合格产品。
因此工艺对精馏塔操作的基本要求是能达到规定的产品分离度，并且能量的消耗要小。
常规上，采用了串级控制系统。
第一章精馏塔的自动控制
1.1控制目的
要对精馏塔实施有效的控制，必须首先清楚精馏塔的控制目的，也就是对控制的要求。
一般来说，对于精馏塔的控制系统必须能够保证产品的质量指标、物料能量平衡和约束条件，这些是一个精馏过程能平稳安全生产出合格产品的前提[2]。
1、质量指标
塔顶或塔底产品之一应该保证合乎规定的纯度，另一产品成分也应该维持在规定的范围之内，或者塔顶和塔底产品均应保证一定的纯度要求。
对于二元精馏来说，质量指标就是为塔顶产品中的轻组分（或重组分）含量和塔底产品中的重组分（轻组分）含量；
但是，对于多元精馏，通常以关键组分的含量来描述质量指标。
所谓关键组分，是指对产品质量影响较大的组分，挥发度较大而由塔顶馏出的关键组分，称为轻关键组分；
而挥发度较小由塔底馏出的关键组分，称为重关键组分。
图1-1精馏塔示意图
2、物料能量平衡
馏出液和釜液的平均采出量之和，应等于平均进料量，并且这两个采出量的变动应该比较和缓，有利于上下工序的平稳操作，塔内及顶、底容器的蓄液量应介于规定的上、下限之间；
此外，精馏塔的输入输出能量应平衡，以保证塔内操作压力的稳定不变。
3、约束条件
为了能够让精馏塔工作正常、操作安全，我们规定它的约束条件在一定范围内，约束条件为液泛限、压力限和边缘温差限等等。
液泛限，又名气相速度限，就是精馏塔里德气相速度比较高时，雾沫夹带会比较严重，事实上，液相是从下面塔板倒流到上面塔板上，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。
最好是在稍低于液泛的流速下操作。
流速的控制还要考虑塔的工作弹性。
对于浮阀塔来说，由于工作范围较宽，通常很易满足条件。
但对于某些工作范围较狭窄的筛板塔和乳化填料塔就必须要很好地注意。
防止液泛和漏液，我们可以用塔压降或者是压差来监视气相速度。
压力限是塔的操作压力的限制，一般来说，塔操作压力不能过大，否则会影响塔内的气液平衡，严重越限有可能导致安全生产。
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，给热系数将会急剧下降，传热量也会随之下降，不能保证精馏塔的正常传热的需要。
4、能量平衡和经济平衡性指标
在保证精馏塔产品质量、产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，用来实现较好的经济性。
1.2精馏塔的扰动分析
影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及塔底部出料量的变化。
影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度的变化等。
对于扰动来说，有可控的也有不可控的。
1、进料流量和进料成分
进料流量通常不可控但可测。
当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作就会造成很大的影响。
这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中，组成前馈-反馈控制系统。
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，多数情况下也是难以测量的。
2、进料温度和进料热焓值
进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。
控制策略是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成串级控制。
3、再沸器加热蒸汽压力
再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。
控制策略是组成塔压的定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制。
4、冷却水压力和温度
冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制。
使用风冷时控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。
5、环境温度
环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。
1.3精馏过程
根据混合物中各组分挥发能力不同的差异，通过液体和气体的回流的特点，使得气体和液体两相能够逆向并且多级相互接触，在前面所说的约束条件下，让那个易挥发的组分时刻从液相中向气相中导入，然而，难挥发的组分时刻从气相中向液相中导入，导致混合物实现分离，这就是精馏的概念[3]。
在此过程中，传热和传质过程是同步进行的，这种类型属于传质过程控制型。
精馏操作是利用混合液中各组分具有不同的挥发度，也就是说，在同一温度下，根据蒸汽压力不同，从而能够实现分离液体混合物。
精馏操作是在精馏塔中完成的。
溶液中组分的数量可以是两个或两个以上，在实际工业生产过程中，只有两个组分的溶液不算太多，对于多组分溶液，经常是大量需要分离的溶液。
多组分溶液的精馏基本原理和两组分溶液的精馏是一样的。
在本节中只对简单的两组分溶液的精馏做一下讨论，着重说明精馏的基本原理。
1、精馏原理
就像我们所知道的，在恒定的压力下，对于单组分液体来说，在沸腾时，虽然给它继续加热，但是它的温度却保持恒定不变，即单组分液体的沸点是恒定的。
对于多组分的理想液体来说，在恒定的压力下，在沸腾时，溶液的温度却是可变的。
可以用汽-液平衡定仪来测定汽液平衡数据。
表1-1便是用不同浓度的苯-甲苯溶液在常压下所测得的一系列汽-液平衡数据。
表中。
设为相平衡时液相中苯组分的浓度（摩尔分数）；
为相平衡时液相中甲苯组分的浓度（摩尔分数）；
为相平衡时汽相中苯组分的浓度（摩尔分数）；
为相平衡时汽相中甲苯组分的浓度（摩尔分数）。
通常对于两组分溶液来说，浓度x或y如果不标明是哪一个组分时，一般是指极易挥发组分的含量。
由表1-1可以明显看出，在恒定压力下，溶液汽-液平衡的温度和它的组分密切相关。
高沸点组分的浓度越高（在苯-甲苯溶液中，甲苯是高沸点组分），溶液平衡温度就越高。
如果和纯物质的汽液平衡相比较，溶液汽-液平衡的一个特点是：
在平衡状态下，汽相浓度与液相浓度是不相同的。
表1-1苯-甲苯汽-液平衡数据（在常压下）
对于同一浓度的汽相和液相来说，露点温度和泡点温度一般是不相等的，前者比后者高。
如果把温度设置成纵坐标，把液相或汽相中苯的浓度设置成横坐标，将表1-1的数据绘制成曲线，则可得到如图1-2所示的温度-浓度图（t-x-y图）。
不同的多组分溶液具有不同的温度-浓度图。
图1-2苯-甲苯溶液的温度-浓度图
在图1-2中，曲线1代表在一定压力下，溶液浓度与泡点的关系，称为液相线，线上每一点都代表饱和液体。
曲线2代表溶液浓度与露点的关系，称为汽相线，线上每一点都代表饱和蒸汽。
这两条线把相图一共划分成三个区域，液相线1以下的区域是液相区；
汽相线2以上，溶液全部汽化，是过热蒸汽区；
两线之间区域是汽、液两相共存区，溶液处于任一点E时，都可以分为相互平衡的汽、液两相，也就是分为液相F和C。
对于应用温度-浓度图，不但可以求取任一温度下的汽、液相平衡浓度，或者求取两相平衡时的温度，而且借助温度－浓度图还可以清楚地了解精馏原理。
2、精馏塔的基本型式
精馏塔是实现精馏操作的最重要的设备，通过精馏塔使汽、液两相在塔内充分接触，进行传质和传热，最终使混合物中易挥发组分和难挥发组分得到分离。
目前工业生产中应用比较多的筛板塔和俘阀塔[4]。
3、连续精馏装置和流程
精馏，就是将一定浓度的溶液送入精馏装置中，使它不断的进行一部分汽化和一部分冷凝，从而得我们想要的塔顶产品操作和塔底产品操作，此操作过程的主要设备是精馏塔本体，以及还有一些辅助设备，如再沸器、冷凝器和回流罐等。
目前，在工业上，一般所采用的连续精馏装置的流程如图1-3所示。
当原料F从精馏塔中段某一块塔板进入时，这块塔板就称为进料板。
此时，进料板把全塔分成了两段，我们把进料板上边的部分叫做精馏段；
我们把进料板下边的部分叫做提馏段。
对于塔内的溶液，根据液体的沸点各不相同，易挥发的组分由于汽化而向上运动，难挥发的组分随液体向下运动，并和塔内的上升蒸汽，在各层塔板k上充分的接触。
一部分被连续地引出成为塔底产品B；
另一部分则在再沸器中被载热体加热汽化又返回塔中。
塔内上升的蒸汽依次经过所有的塔板，使蒸汽中易挥发组分逐渐增浓，上升到塔顶的蒸汽在冷凝器中被冷凝成为液体，经回流罐和回流泵后，一部分成为塔顶产品D连续引出。
另一部分则引回到塔顶的塔板上，作为塔内冷却液，称为回流量L。
在连续精馏过程中，原料液F连续不断地进入塔内，塔顶产品D和塔釜产品B也连续不断地分别从塔顶和塔釜取走，当操作达到稳定时，每层塔板上液体和蒸汽的浓度均保持不变，而且原料F、塔顶产品D和塔釜产品B的浓度和流量也都保持定值。
精馏过程可以发生在常压下、高压和低压下。
当加压精馏时，所分离的溶液在常压下是气相；
然而，当在减压精馏时，所分离的是液相。
图1-3连续精馏装置的工艺流程
第二章精馏塔的特性
2.1静态影响的分析
影响精馏过程的因素有很多，和其它单元操作一样，精馏也是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的。
精馏塔的正常操作主要和物料平衡和能量平衡有关。
此时，进料量、进料组分的变化是影响物料平衡的主要原因，塔顶的采出量和塔底的采出量的变化是次要原因。
单相进料时和热焓两相进料时的变化是影响能量平衡的主要原因，再沸器加热量、冷凝器冷却量的变化是次要原因。
与此同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响，相互制约的。
所以，想要了解这些因素对精馏过程的影响，一定要分析精馏塔的静态特性[5]。
所谓静态特性就是以物料平衡和能量平衡作为基础，确定精馏塔在稳态下各参数之间的定量关系。
下面就通过二元精馏塔为例来分析它的静态特性。
1、全塔物料平衡
在稳态时，进塔的物料必须等于出塔的物料，所以总的物料平衡关系为
F＝D十B（2-1）
轻组分的物料平衡关系为
（2-2）
式（2-2）中，F，D，B分别为进料量、塔顶采出量和塔底采出量，xF，xD，xB分别为进料、塔顶采出物和塔底采出物中轻组分的浓度。
通过联立方程式（2-1）和式（2-2）可得式（2-3）：
或（2-3）
从式（2-3）中，很明显看出进料F在产品中的分配量（D／F或B／F）是决定塔顶和塔底产品中轻组分浓度xD和xB的主要因素。
D／F改变了，xD和xB都可以改变。
此外，对于进料组分浓度，也是一个影响xD和xB的重要因素。
然而仅仅是物料平衡关系，还不能完全确定xD和xB，只能确定xD和xB之间的关系。
要确定xD和xB的值还要建立另一个关系式，这个关系式可以由塔的能量平衡关系得出。
2、能量平衡
在稳态时，通过传热和进料带，精馏塔的所有能量一定与通过传热和产品带出的离开塔的能量相平衡。
平衡式如下所示：
（2-4）
在上式中，为再沸器的加热量；
为冷凝器的冷却量；
进料热焓；
塔顶产品的热焓；
塔底产品的热焓。
在上面的式子中，我们忽略了热损失。
在上面的式子里并不能体现出能量变化对产品纯度的影响，反过来，上式中的每一项都会影响精馏塔里的上升蒸汽量V，然而，上升蒸汽量V和产品纯度的关系可以有以下过程计算得出。
我们拿二元精馏来举例说明，全回流的方程可以写成下式：
（2-5）
在式（2-5）中，a是平均挥发度；
n就是理论上的所说的塔板数。
由式（2-5）可知，在全回流过程当中，a和n决定了二元精馏塔两端产品纯度间的分离。
为了能够使式（2-5）遍及到全回流以外，我们将分离度S定义为：
（2-6）
如果发生部分回流时，对于影响精馏塔分离度的因素会很多，如下式所表示的：
（2-7）
在式子（2-7）中，E代表塔板的效率；
代表进料板大的位置；
其他符号和前面一样，a，n，E和是一定的或变化不大，同时进料浓度xF的变化对S的影响与V／F对S的影响相比要小得多的多，是可以忽略的。
所以可简化成：
该式表明了，假如V／F一定，那么分离度S就已经被确定了。
可将上式进一步近似为：
（2-8）
并把式（2-7）代人到式（2-8），得：
（2-9）
式子（2-9）表示了精馏塔的能量关系，反映了V／F对塔分离结果的影响。
因而由式（2-4）和式（2-9）可知，只要保持D／F和V／F一定（或者F一定时，保持D及V一定），这个塔的分离结果xD，xB就完全确定。
3、内部物料平衡
为方便起见，用二元精馏塔及塔顶和塔底产品均是液相为例，在恒分子流假设的前提下，分析塔内各项物料平衡关系。
对于如图2-1所示的二元精馏塔，假定：
图2-1二元精馏塔各项物料情况
（1）在精馏段内，通过各层塔板的上升蒸汽流量均相等；
（2）在提馏段内，通过各层塔板的上升蒸汽流量均相等；
=V（V为再沸器内蒸汽量）；
（3）在精馏段内，通过各层塔板的下流液体流量均相等，称为内回流，当回流温度等于塔顶温度时，内回流等于外回流L；
（4）在提馏段内，通过各层塔板的下流液体流量均相等；
（5）回流罐和塔底液位不变；
（6）塔压也保持不变。
在以上这些条件下，有下述平衡关系。
a.加料板的物料平衡
F+L+V=+（2-10）
对于液相泡点进料
=F+L,V=
对于汽相露点进料
=F+V,L=
对于其他情况下的进料，则需依据热量平衡关系作相应的考虑。
b.精馏段的物料平衡精馏段的物料平衡关系如图2-2所示。
对精馏段内任一塔板i以上作物料平衡计算，轻组分的物料平衡关系式为：
（2-11）
式子（2-11）中，为来自下方第i+1层塔板的汽相中的轻组分浓度，为塔板i上液相中的轻组分浓度。
式（2-11）可改写为：
（2-12）
式（2-12）表明了精馏段内任一塔板的汽相浓度与汽液比／和D／之间的关系。
改变汽液比必将使塔板上浓度发生变化。
然而，汽液比除了决定于再沸器上升蒸汽量V以外,还决定于回流量与塔顶采出量D。
通常将回流量与采出量之比为回流比R，即：
（2-13）
当D=0时称为全回流。
由此可知，要改变精馏塔的操作工艺，应操作精馏塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，通过内部平衡关系，使每块塔板上的浓度改变，从而导致最终产品纯度的变化。
图2-2精馏段的物料平衡关系
塔顶和冷凝器的物料平衡关系为：
D=-L（2-14）
c.提馏段的物料平衡提馏段的物料平衡关系如图2-3所示。
对提馏段内任一塔板j以下作物料平衡计算，轻组分的物料平衡关系式：
（2-15）
式（2-15）中，为塔板j上气相中的轻组分浓度；
是从第j-1块塔板流下的液相中的轻组分浓度。
式（2-15）亦可改写为：
（2-16）
式（2-16）表明了在提馏段内任一塔板上的汽相浓度与汽液比的关系。
同样，要使塔的操作工况改变，应操作塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，从而通过内部平衡关系最终改变产品的纯度。
图2-3提馏段物料平衡关系
塔底和再沸器的物料平衡关系为：
B=-V（2-17）
通过以上分析，影响精馏过程的主要因素可概括如下：
①进料量；
②回流量；
③进料浓度；
④塔顶采出量；
⑤塔底采出量；
⑥再沸器的加热量。
对于上述各种扰动，一些是可控制的，一些是不可控制的。
在一般情况下，进料量是不可控制的，比如说，分离裂解气的乙烯塔，它的进料量会受前一工序的影响。
有些情况下进料流量也是可以控制的，比如说，炼油厂中精馏塔的原油流量可以用定值来控制。
进料浓度的变动是无法控制的，它由前一工序决定的，但一般说来，它的变化是比较缓慢的。
对于进料温度和状态的变化，对精馏塔的操作影响比较大。
为了能够维持精馏塔操作的能量平衡以及稳定运行操作，如果采用单相进料，可以应用进料温度控制，以便克服这种扰动。
如果采用两相进料，我们可以想方设法控制热焓恒定，以便克服这种扰动。
总而言之，从对它的静态特性以及内部平衡关系的分析来看，不难看出，要想克服塔的主要扰动，可采用以下几种控制手段：
塔顶采出量；
回流量；
塔底采出量；
再沸器加热量；
回流罐排气量；
冷凝器冷却量。
前三个量是通过影响全塔的物料平衡与塔的内部平衡，起到控制作用；
后三个量直接改变塔的能量平衡关系和改变塔内汽液比，起到控制产品质量的作用。
2.2动态影响分析
通过对前面讨论的内容，都是各参数对塔操作的静态影响。
然而在动态过程中，这些参数对塔操作的影响的快慢各不相同的，因此，在我们设计此控制方案的时侯，一定要考虑它的动态影响，才能使这种控制系统很快的克服各种扰动。
如果精馏塔是一个时变、非线性和多变量的一个对象，这些变量存在联系时，所以，做定量分析时，建模已经变得非常重要。
从本节开始，将对塔的动态影响做更深的分析。
1、回流和上升蒸汽的影响
在精馏塔内，对于上升蒸汽流量的变化，响应速度是非常之快的[6]。
上升蒸汽只需要克服塔架上极薄覆盖的液体阻力，可是，当塔压控制一定时，塔内汽体蓄存量的变化可忽略不计，所以，在几秒钟之内，上升蒸汽量就可以影响到塔顶。
然而，塔板下流的液相存在很大的延迟。
主要是在回流量增加的时侯，开始要使存积在塔板上的液相蓄存量也会随之增加，之后在这增加静压头的作用下，使得塔板的液相速度不断增加，因此对回流量变化的响应存在一定的迟延。
显而易见，除了顶部的塔板外，要想使汽液比发生变化，用再沸器的加热量作为控制手段比用回流量的响应要快。
2、组分迟延的影响
不管改变再沸器加热量，导致上升蒸汽的变化也好，还是对于回流的变化也好，它们所施加的影响，都是通过对每块塔板上组分之间的互相平衡来实现的，最后才引起顶部产品和底部产品组分浓度的变化。
由于组分要达到静态平衡需要较长时间，因此尽管上升蒸汽量变化可以很快影响到塔顶组分浓度，但要使塔顶组分浓度变化并达到一个新的平衡仍需花费很长的时间。
回流变化情况类似，只是花费的时间更多。
3、回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响
由式（2-12）可知，回流量L总是等于塔顶汽相流量和塔顶采出量D之差。
因此，恒定时，控制D实质上就是改变了回流量L。
然而，回流罐有固定的蓄液量，从D的变化到L的变化都会引起迟延。
液位的变化会引起蓄液量的变化，从而会影响到L和D之间的关系。
为此要使，L和D的关系式成立，回流罐液位应当保持，这样在采用改变D（或D／F）来控制塔顶产品质量的方案中，才能在不变时使回流量L及时跟踪采出量D的变化，否则将引起滞后，影响控制品质。
塔釜也有与回流罐类似的蓄液量引起的滞后影响，塔釜液位变化引起蓄液量变化，从而引起V和B的变化。
要使，V和B间的关系式（2-15）成立，塔釜液位必须严格保持一定。
这样在采用改变B来控制塔底产品质量的方案中，才能在L不变时使再沸器加热量所引起的上升蒸汽量V及时跟踪塔底采出量B的变化，否则将引起滞后，影响控制品质[7]。
2.3补偿方法
我们常常采用的补偿方法有温差控制、双温差控制和补偿计算控制。
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