精馏塔的控制（ Part II ）

精馏塔的控制（Part II） 戴连奎浙江大学工业控制研究所 2013/06/12

内容 • 精馏段质量指标的控制问题与常用控制方案介绍 • 提馏段质量指标的控制问题与常用控制方案 • 两端质量控制问题与常用的控制方案 • 精馏塔其它控制系统 • 水-乙醇双组分精馏塔的动态模型及其控制系统仿真

精馏段质量指标控制问题 CVs: LD, LB+TR MVs: L, QH+ F、D、B中的两个 DVs: xF + F、D、B之一控制目标：在平稳操作的前提下，克服干扰对塔顶产品质量的影响讨论：如何确保塔顶产品质量?

塔顶产品纯度控制问题的分解 • 塔底液位合适的MV的选择 ? • 塔顶产品纯度的MV选择原则： “物料平衡控制”（D或F） “能量平衡控制”（L）

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制问题的分析 塔底液位合适的变量配对： B → LB 塔顶配对方案B1 ： L → TR，D → LD 塔顶配对方案B2： D → TR，L → LD

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B1 方案特点分析（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

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B2 方案特点分析 • 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

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B2+ 方案特点分析 • 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

逆流操作模式#1下塔顶产品纯度控制问题的分析逆流操作模式#1下塔顶产品纯度控制问题的分析塔底液位合适的变量配对： B → LB 塔顶配对方案B1D： L → TR，F → LD 塔顶配对方案B2D： F → TR，L → LD

逆流操作模式#1下塔顶产品纯度控制方案 B1D 方案特点分析（1）L对 TR的控制作用快且强（2）产品质量能保证，但回流罐液位控制难度大。改进？

逆流操作模式#1下塔顶产品纯度控制方案 B1D+ 问题：如何防止因塔顶产品量提（降）量过大导致的回流罐液位失控？

逆流操作模式#1下塔顶产品纯度控制方案 B2D 方案特点分析（1）F对 TR的控制作用慢（2）回流罐液位控制容易，但产品质量控制难度大（不推荐）

逆流操作模式#2下塔顶产品纯度控制方案的分析逆流操作模式#2下塔顶产品纯度控制方案的分析塔底液位合适的变量配对： F → LB 配对方案B1B ： L → TR，D → LD 配对方案B2B： D → TR，L → LD 请自行提出相应的控制方案，并进行特点分析

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。 • 各种操作模式下的精馏段质量控制，（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。

提馏段质量指标控制问题 CVs: LD, LB+TS MVs: L, QH+ F、D、B中的两个 DVs: xF + F、D、B之一控制目标：在平稳操作的前提下，克服干扰对产品质量的影响讨论：如何确保塔底产品质量?

塔底产品纯度控制问题分解 （1）塔顶部分与前述的物料平衡控制问题相同；（2）塔底部分涉及到塔底产品纯度（或塔底液位）的MV的选择问题。

顺流操作模式下提馏段指标控制问题的分析 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

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 控制方案特点分析（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

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？

逆流操作模式#2下提馏段指标控制问题的分析 塔底合适的变量配对： F → LB，QH → TS （为什么？）塔顶配对方案C1B： D → LD 塔顶配对方案C2B： L → LD

逆流模式#2下提馏段质量控制方案 方案特点分析

逆流操作模式#1下提馏段指标控制方案讨论 请自行提出适宜的变量配对，给出相应的控制方案，并进行特点分析

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。 • 各种操作模式下的提馏段质量控制，（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的应用背景 CVs: LD, LB ,TR, TS MVs: L, QH+ F、D、B中的两个 DVs: xF + F、D、B之一 CVs & MVs 如何配对 ?

两端产品纯度控制系统的变量配对 （1）塔顶涉及到塔顶产品纯度（或回流罐液位）的MV的选择问题；（2）塔底涉及到塔底产品纯度（或塔底液位）的MV的选择问题。考虑到塔底液位控制的快速性，宜选择物料平衡控制（B或F）作为调节手段。

顺流操作模式下两端产品纯度控制问题分析 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 配对D1与D2，哪个好？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。

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……

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#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……

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

精馏塔其它控制系统 • 进料热焓控制为减少产品质量控制的干扰，需要对进料温度或热焓进行定值控制 • 进料前馈控制为提高精馏塔控制系统的鲁棒性，需要对进料流量的变化进行有效的前馈控制 • 精馏操作的节能控制 • 基于在线分析仪的产品纯度闭环控制

进料流量前馈控制方案 分析该控制方案的自动调节过程与优缺点

在线分析仪在产品纯度控制中的应用 工业应用背景：多组分精馏塔的产品纯度控制（1）控制周期不同的离散控制算法的引入（2）三串级系统控制参数整定方法讨论

水-酒精体系精馏塔的动态模型与控制系统仿真水-酒精体系精馏塔的动态模型与控制系统仿真 • 水-酒精体系精馏塔的动态模型详见《过程控制工程》（第三版） 11.2节，P242-247 • 精馏塔物料平衡控制的仿真详见11.4节，P253-254 • 塔顶与/或塔底产品质量控制的仿真详见11.4节，P259-267

物料平衡控制下回流量阶跃变化的系统输出响应物料平衡控制下回流量阶跃变化的系统输出响应

物料平衡控制下（回流量不变时）塔底加热量的阶跃响应物料平衡控制下（回流量不变时）塔底加热量的阶跃响应

物料平衡控制下（塔顶产出不变时）塔底加热量的阶跃响应物料平衡控制下（塔顶产出不变时）塔底加热量的阶跃响应

精馏塔控制仿真研究 1. 液位控制方案：D LD, B LB (1.1) V或 L阶跃变化对 CVs及 D, B的影响； (1.2) 塔顶产品纯度控制：L xD, 而V不变； (1.3) 塔底产品纯度控制：V xB, 而L不变； (1.4) 两端产品纯度控制：L xD, V xB. 2. 液位控制方案：L LD, B LB 3. 液位控制方案：L+D LD, B LB

控制方案课堂练习 假设塔底产品为后续连续反应器的进料，要求正常情况下 B 稳定不变（但可根据市场情况作调整）。试更新现有的控制方案以满足上述控制目标，并说明B提量时控制系统的自动响应过程

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

精馏塔的控制（ Part II ）