精馏塔的控制（ Part I ）

戴连奎

浙江大学工业控制研究所 2013/06/02

内 容 控制系统一般设计与实施步骤 精馏塔被控变量与控制变量的选择 精馏塔压力控制 顺流控制方式下的物料平衡控制问题及其对

产品纯度的影响 顺流控制方式下的物料平衡控制方案介绍与

特点分析 逆流控制方式下的物料平衡控制问题与控制

方案介绍

过程控制系统的组成

U(t)

+_

MVs

DVs

传感变送器

执行器或执行回路

被控过程控制器CVs

Ym (t)

Ysp (t)

其中， CVs 为被控变量， MVs 为操作变量， DVs 为干扰变量；Ym (t) 为测量信号， Ysp (t) 为设定值（或称“给定值”），

U(t) 为控制器输出（或称控制变量）

过程控制系统的一般设计步骤

1. 结合工艺过程，确定控制目标2. 被控变量 CVs 的选择

当控制目标不可测时，需要选择易测量又与控制目标密切相关的工艺参数作为 CVs

3. 操作变量 MVs 的选择MV 直接与控制阀的安装位置有关，既要对至少一个 CVs 具有较强的控制增益，同时要求MV 便于操作，并具有较大的调节范围

过程控制系统的一般设计步骤4. 操作变量与被控变量的配对（ Pairing ）

当 MVs 与 CVs 为多变量时，需要结合静态关联分析、动态响应速度、 CVs 重要性等因素进行配对选择，尽可能减少相互间的关联

5. 控制方案的选择对于某一个 MV 与对应的 CV ，控制方案涉及辅助测量信息与控制器内部结构的选择

6. 控制算法的选择对于某一结构的控制器，控制算法涉及测量信息与控制器输出之间的函数关系（ PID 算法占 90% 以上）

过程控制系统的实施步骤1. 测量仪表与执行器的选型与购置

结合自控设计方案与工艺参数变化范围，选择仪表量程；结合工艺介质属性、工作条件与经济性，进行测量仪表与执行器的选型

2. 控制器或控制装置的选择与购置结合整个控制系统规模（如 AI/AO/DI/DO 点数），兼顾系统经济性与可靠性，选择合适的控制装置硬软件系统

过程控制系统的实施步骤3. 控制系统的组态

控制系统组态也称控制系统的“软连线”，用于实现自控设计所涉及的各种控制方案

4. 现场仪表的现场安装与调试现场仪表涉及各种测量仪表与执行器，安装完毕后必须进行现场调试，以确保其准确、灵敏

5. 控制系统的联调与投用控制系统联调，通常采用控制器“手动”操作法，以确保控制器输出能够引起对应 CV 或辅助测量希望的响应，而投用涉及 PID 参数整定、手 / 自动切换等

两元精馏过程典型工艺流程

过程描述

平衡条件

控制目标 ?

进料

塔底产品

精馏塔系统

再沸器

塔顶产品回流液

回流泵

冷凝器

回流罐

水蒸汽

上升蒸汽

冷却水

提馏段

精馏段

不凝气

塔底泵

精馏塔控制目标 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

精馏塔 CVs 的选择

F

B, xB

V

TR

TS

QH

P

QC

DG

D, xDL

LD

LB

产品质量对应的CVs 的选择问题 ?

MVs 如何选择？

连续生产过程的不同流向物料平衡控制策略

原料贮罐

中间贮罐

成品贮罐

中间贮罐

中间贮罐

Qo

采购计划

QRM Qi

生产管理和产品监督

Qn

顺产品流向控制方案

对于整个过程而言，主要扰动为产品销售量的变化

中间贮罐包括：车间内单元设备的缓冲罐，或精馏塔塔底与回流罐等可存贮液体并具有较大体积的容器。

连续生产过程的不同流向物料平衡控制策略

混合流向控制方案

原料贮罐

中间贮罐

成品贮罐

关键设备

中间贮罐

Qo

采购计划

QRM Qi

生产管理和产品监督

Qn

逆产品流向控制方案

原料贮罐

中间贮罐

成品贮罐

中间贮罐

中间贮罐

Qo

采购计划

QRM Qi

Qn

精馏塔 MVs 的选择 顺流控制方式

F 为主要干扰 逆流控制方式

方式 #1：塔顶出料为关键产品D 为干扰；而 B 、F 可作为 MVs方式 #2：塔底出料为关键产品B 为干扰；而 D 、F 可作为 MVs

F

B, xB

V

TR

TS

QH

P

QC

DG

D, xDL

LD

LB

精馏塔顺流控制问题

精馏塔

塔顶产品量 D

干扰(F, xF, TF)

MVs CVs

塔顶回流量 L

塔底产品量 B

加热蒸汽流量 QH

冷却剂流量 QC

塔顶不凝气流量 DV

塔顶压力 P

回流罐液位 LD

塔底液位 LB

塔顶产品纯度 xD

塔底产品纯度 xB

塔顶压力控制问题

F

B, xB

V

TR

TS

QH

P

QC

DG

D, xDL

LD

LB

CV: P

MVs : 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

F

L

D

PPT41

PC41

Psp

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

F

L

D

PPT41

Psp

PC41

顺流方式下的简化精馏塔控制问题

CVs 不同的原因分析与应用背景介绍

精馏塔

D

L

B

QH

LB

LD

WMVs CVs

(A)

精馏塔

D

L

B

xD / TR

LB

LD

WMVs CVs

(B)

精馏塔

D

L

B

LB

LD

WMVs CVs

xB / TS

xD / TR

(D)

精馏塔

D

L

B

LB

LD

WMVs CVs

xB / TS

(C)

QH

QH QH

W = ( F, xF,TF)

顺流方式下精馏塔的物料平衡控制问题

CVs: LD, LB

MVs: L or D, QH or B

CVs 与 MVs 如何配对 ?

F

BQH

FT11

FC11

LT21

DL

LT22

V LB

LD

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对

方案 MVs D L B QH

A1 CVs LD -- LB --

A2 CVs -- LD LB --

A3 CVs LD -- -- LB

A4 CVs -- LD -- LB“就近”原则下的变量配对

精馏塔

D

L

B

QH

LB

LD

WMVs CVs

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

双组份两元精馏塔的物料平衡关系

F, xF

V

B, xB

D, xD

VR

L

MDBDF

总物料平衡：

BDF BxDxFx

BD

FD

BD

BF

xx

xx

F

B

xx

xx

F

D

,

轻组分物料平衡：

物料平衡方程：1 1

1D F Bx x xD D

F F

塔顶塔底产品分离度及其影响因素

F, xF

V

B, xB

D, xD

VR

L

MD

)1(

)1(1

1 DB

BD

B

B

D

D

xx

xx

x

x

x

xS

分离度：

回流比 L/D 对分离度的影响：nE

FxLD

S

11

变量意义分析

进料组成变化对产品不纯度的影响

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

xB

1 -

xD

xF= 0.47

xF= 0.52

xF= 0.57C

A

B

某双组份精馏塔，塔板数 n =16 ，塔板效率 E=0.816 ，轻重组份平均分离度 α=2.0。操作参数：顶产品产率 D/F=0.5;

回流比 L/D=2.5

曲线意义分析

进料组成变化对产品不纯度的影响

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

xB

1 -

xD

xF= 0.47

xF= 0.52

xF= 0.57C

A

B

对于某一双组份精馏塔，在物料平衡控制下，塔顶与塔底出料的纯度取决于进料纯度 xF 、产品产率 D/F 、顶回流比 L/D。

当 D/F 、 L/D 不变时，产品纯度仅取决于 xF。

结论：若进料组成变化不大，只要维持 D/F （或 B/F ）、 L/D基本不变，则产品纯度变化不大，此时就无需控制。

D/F 与 L/D 变化对产品不纯度的影响

讨论： L/D 变化对产品纯度的影响，工作点“ D” 、“ F” ； D/F 变化对产品纯度的影响，工作点“ A” 、“ B”

物料平衡控制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，塔底产品纯度提高，但塔顶产品纯度显著下降。

物料平衡控制系统的变量配对

方案 MVs D L B QH

A1 CVs LD -- LB --

A2 CVs -- LD LB --

A3 CVs LD -- -- LB

A4 CVs -- LD -- LB“就近”原则下的变量配对

精馏塔

D

L

B

QH

LB

LD

WMVs CVs

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

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

DF, xF

BQH

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

LC22

FT13

FC13

V

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

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 ）干扰 V 对产品纯度影响小（ 4 ）不适合于小回流比系统

D

BQH

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

LC22

FT14

FC14

F, xF

V

方案 A2 的抗干扰性分析

物料平衡控制方案 A2+

F

BQH

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

FT15

FC15

与方案 A2 的差别分析

物料平衡控制方案 A3

DF

BQH

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

LC22

FT13

FC13

FT16

FC16

V 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

F

BQH

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

FT15

FC15

V

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

逆流控制方式 #1 下精馏塔的物料平衡控制问题

CVs: LD, LB

MVs: L 或 F, QH 或 B

变量如何配对 ? 控制方案如何设计 ?

F

BQH

LT21

L

LT22

V LB

LD

D

FT14

FC14

主要干扰： D

控制系统应尽可能减少对产品纯度的影响

逆流控制方式 #1 下物料平衡控制问题分析

CVs: LD, LB

MVs: L 或 F, QV 或 B

主要干扰： D

控制系统应尽可能减少对产品纯度的影响

维持 D/F 、 L/D （或V/D 、 V/F ）基本不变

合适的配对： B → LB

（方案 A1D ） L → LD

（方案 A2D ） F → LD

逆流控制方式 #1 下的物料平衡控制方案 A1D

使用条件： V足够大

讨论：引入比值控制的优缺点？何时不需要？

D

BQH

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

LC22

FT14

FC14

F, xF

V

K1

逆流控制方式 #1 下的物料平衡控制方案 A2D

使用条件： V足够大主要问题： LT22波动大；

如何改进方案？

D

BQH

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

FT14

FC14

F, xF

V

FT13

FC13

LC22

K2

逆流控制方式 #2 下物料平衡控制问题与方案讨论

CVs: LD, LB

MVs: L 或 D, QH 或 F

变量如何配对 ? 控制方案如何设计 ?

主要干扰： B

控制系统应尽可能减少对产品纯度的影响F

BQH

LT21

DL

LT22

V LB

LD

FT15

FC15

小 结 控制系统一般设计与实施步骤 精馏塔的控制目标与 CVs 的选择 全生产过程的物料平衡控制方式与 MVs 选择 物料平衡控制下，精馏产品纯度关键影响因

素的分析 顺流控制方式下的物料平衡控制方案介绍与

特点分析 逆流控制方式下的物料平衡控制问题与控制

方案讨论