- 1 - 精餾塔精餾段溫度控制設(shè)計(jì)方案 石油化工生產(chǎn)常需將液體混合物分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的。分離互溶液體混合物有許多種方法， 精餾是在煉油、化工等眾多生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用的一個(gè)傳質(zhì)過(guò)程。精餾過(guò)程通過(guò)反復(fù)的汽化與冷凝，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度。精餾塔的控制直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視 1。 精餾過(guò)程是由精餾裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，精餾裝置一般是由精餾塔、再沸器（重沸器）、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。石油化工等大型生產(chǎn)過(guò)程主要采用的連續(xù)精餾。 精餾塔 是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸 裝置 ，又稱為蒸餾塔。有 板式塔 與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔 。蒸溜的原理是蒸氣由塔底進(jìn)入。蒸發(fā)出的氣相與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā) (低沸點(diǎn) )組分不斷地向氣相中轉(zhuǎn)移，氣相中的難揮發(fā) (高沸點(diǎn) )組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，氣相愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，從而達(dá)到組分分離的目 的。由塔頂上升的氣相進(jìn)入 冷凝器 ，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入 再沸器 ，加熱蒸發(fā)成氣相返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕觥?精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過(guò)程，其內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對(duì)控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題 1。 隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方面發(fā)展，對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜 ，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對(duì)能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制，采用傳統(tǒng)的單回路 此，需要在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采取其他設(shè)施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，也稱多回路控制系統(tǒng)。在這種控制 - 2 - 系統(tǒng)中，或是由多個(gè)測(cè)量值、多個(gè)控制器；或是有多個(gè)測(cè)量值、一個(gè)控制器、一個(gè)補(bǔ)償器或一個(gè)解耦器等組成多個(gè)回路的控制系統(tǒng)。如串級(jí)控制系統(tǒng)、補(bǔ)償控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)和解耦控制系統(tǒng)等。 本文的研究任務(wù)是精餾塔精餾段的控制方案以及建 模與仿真研究。首先， 本文簡(jiǎn)述了精餾塔的一些基本概述以及本設(shè)計(jì)所選的精餾塔的塔型；其次，熟悉板式精餾塔分離苯 過(guò)對(duì)精餾塔精餾段的控制分析，綜合控制要求和擾動(dòng)等各方面因素考慮，采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)；再次，由于精餾塔屬于 多輸入多輸出、大滯后和擾動(dòng)較大的系統(tǒng) ， 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就很難控制，無(wú)法滿足控制系統(tǒng)的 控制要求，而 串級(jí)控制系統(tǒng)在改善復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)方面具有較大的優(yōu)勢(shì) ，所以本文采用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)精餾塔精餾段的溫度進(jìn)行控制； 最后，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò) 精餾塔精餾段中的控制方案進(jìn)行分析，得出結(jié)論。 - 3 - 第 1章 苯 在化工生產(chǎn)中的作用和地位 精餾塔 是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。可在 精餾塔 中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中， 精餾塔 的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力 和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面，都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道， 精餾塔 的投資費(fèi)用占整個(gè)工藝設(shè)備投資費(fèi)用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。因此， 精餾塔 的設(shè)計(jì)和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。 的分類及一般構(gòu)造 苯 過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，形成了型式繁多的結(jié)構(gòu)，以滿足各方面的特殊需要。為了便于研究和比較，人們從不同的角度對(duì) 苯 行分類。例如：按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔 和干燥塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動(dòng)過(guò)程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分類的。但是長(zhǎng)期以來(lái)，最常用的分類是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類，還有幾種裝有機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的塔。 在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過(guò)塔盤上的液層使兩相密切接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。 在填料塔中，塔內(nèi)裝填一定段數(shù)和一定高度的填料層，液體沿填料表面呈膜狀向下流動(dòng)，作為連續(xù)相的氣體自下而上流動(dòng)，與液體逆流傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化 。 人們又按板式塔的塔盤結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料，細(xì)分為多種塔型。 裝有機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的塔，也就是有補(bǔ)充能量的塔，常被用來(lái)進(jìn)行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動(dòng)塔和轉(zhuǎn)盤塔用得較多。 苯 構(gòu)件，除了種類繁多的各種內(nèi)件外，其余構(gòu)件則是大致相同的。 - 4 - （ 1） 塔體 塔體是 苯 外殼。常見的塔體是由等直徑、等壁厚的圓筒和作為頭蓋和低蓋的橢圓形封頭所組成。隨著化工裝置的大型化，漸有采用不等直徑、不等壁厚的塔體。塔體除滿足工藝條件（如溫度、壓力、塔徑和塔高等）下的強(qiáng) 度、剛度外，還應(yīng)考慮風(fēng)力、地震、偏心載荷所引起的強(qiáng)度、剛度問(wèn)題，以及吊裝、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、開停工等的影響。對(duì)于板式塔來(lái)說(shuō)，塔體的不垂直度和彎曲度，將直接影響塔盤的水平度（這指標(biāo)對(duì)板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸和吊裝等各個(gè)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)嚴(yán)格保證達(dá)到有關(guān)要求，不使其超差。 （ 2） 塔體支座 塔體支座是塔體安放到基礎(chǔ)上的連接部分。它必須保證塔體坐落在確定的位置上進(jìn)行正常的操作。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能承受各種操作情況下的全塔重量，以及風(fēng)力、地震等引起的載荷。最常用 的塔體支座是裙式支座（簡(jiǎn)稱為“裙座”）。 （ 3） 除沫器 除沫器用于捕集夾帶在氣流中的液滴。使用高效的除沫器，對(duì)于回收貴重物料、提高分離效率、改善塔后設(shè)備的操作狀況，以及減少對(duì)環(huán)境的污染等，都是非常必要的。 （ 4） 接管 苯 接管是用以連接工藝管路，把 苯 相關(guān)設(shè)備連成系統(tǒng)。按接管的用途，分為進(jìn)液管、出液管、進(jìn)氣管、出氣管、回流管、側(cè)線抽出管和儀表接管等。 （ 5） 人孔和手孔 人孔和手孔一般都是為了安裝、檢修檢查和裝填填料的需要而設(shè)置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的 設(shè)置要求。 （ 6） 吊耳 苯 運(yùn)輸和安裝，特別是在設(shè)備大型化后，往往是工廠基建工地上一項(xiàng)舉足輕重的任務(wù)。為起吊方便，可在 苯 焊以吊耳。 （ 7） 吊柱 在塔頂設(shè)置吊柱是為了在安裝和檢修時(shí)，方便塔內(nèi)件的運(yùn)送。 設(shè)計(jì)所選的 板式塔的塔型及其 要求與特點(diǎn) 作為主要用于傳質(zhì)過(guò)程的 精餾 塔，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要， 精餾 塔還得考慮下列各項(xiàng)要求。 （ 1） 生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾 帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。 （ 2） 操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng) 苯 氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。并且 苯 保證能長(zhǎng)期連續(xù)操作。 - 5 - （ 3） 流體流動(dòng)的阻力小，即流體通過(guò) 苯 壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動(dòng)力消耗，以降低經(jīng)常操作費(fèi)用。對(duì)于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度。 （ 4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過(guò)程中的投資費(fèi)用。 （ 5） 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、 調(diào)節(jié)和檢修。 事實(shí)上，對(duì)于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述的所有要求，僅是在某些方面具有獨(dú)到之處。人們對(duì)于高效率、生產(chǎn)能力大、穩(wěn)定操作和低壓力降的追求，推動(dòng)著苯 結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。 板式塔是分級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類繁多。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用的情況，主要塔型是浮閥塔、篩板塔及泡罩塔。 20 世紀(jì) 50 年代起，浮閥塔已大量用于工業(yè)生產(chǎn)，以完成加壓、常壓、減壓下的精餾、吸收、脫吸等傳質(zhì)過(guò)程。大型浮閥塔的塔徑可達(dá) 10m，塔高達(dá) 83m，塔板數(shù)有數(shù)百塊之多。 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來(lái)的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動(dòng)的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過(guò)程中。塔徑從 200 6400用效果均較好。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá) 10m，塔高可達(dá) 80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。 浮閥塔之所以廣泛應(yīng)用，是由于它具有下列特點(diǎn)。 （ 1） 處理能力大 浮閥在塔盤上可 安排得比泡罩更緊湊。因此浮閥塔盤的生產(chǎn)能力可比圓形泡罩塔盤提高 20 40 。 （ 2） 操作彈性大 浮閥可在一定范圍內(nèi)自由升降以適應(yīng)氣量的變化，而氣縫速度幾乎不變，因之能在較寬的流量范圍內(nèi)保持高效率。它的操作彈性為 3 5，比篩板和舌形塔盤大得多。 （ 3） 塔板效率高 由于氣液接觸狀態(tài)良好，且蒸氣以水平方向吹入液層，故霧沫夾帶較少。因此塔板效率較高，一般情況下比泡罩塔高 15 左右。 （ 4） 壓力降小 氣流通過(guò)浮閥時(shí)，只有一次收縮、擴(kuò)大及轉(zhuǎn)彎，故干板壓力降比泡罩塔低。在常壓塔中每層塔盤的 壓力降一般為 400 - 6 - 浮閥的型式很多，國(guó)內(nèi)已采用的浮閥，如 、 、 、十字架型和 中常用的是 和 。 本設(shè)計(jì)所選的苯 浮閥塔盤操作時(shí)的氣液流程和泡罩塔相似；蒸氣自閥孔上升，頂開閥片，穿過(guò)環(huán)形縫隙，以水平方向吹入液層，形成泡沫。浮閥能夠隨著氣速的增減在相當(dāng)寬廣的氣速范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)、升降，以保持穩(wěn)定操作。 - 7 - 第 2 章 苯 餾原理 所謂精餾，就是把一定濃度的溶液送到精餾裝置中，使之不斷進(jìn)行 部分冷凝和部分汽化，從而得到預(yù)期的塔頂與塔底產(chǎn)品的一種操作過(guò)程。精餾操作迫使混合物的氣、液兩相在精餾塔體中作逆向流動(dòng)，在互相接觸過(guò)程中，液相中的輕組分逐漸轉(zhuǎn)入氣相，而氣相中的重組分則逐漸進(jìn)入液相。精餾過(guò)程本質(zhì)上是一種傳質(zhì)過(guò)程，也伴隨著傳熱。在此過(guò)程中，大致需要如下設(shè)備：精餾塔；冷凝器；再沸器；回流罐；回流泵3。石油化工行業(yè)中的精餾裝置大多采用的事連續(xù)運(yùn)行的方式，具體流程圖見下圖 示。 圖 續(xù)精餾裝置流程圖 連續(xù)精餾的具體運(yùn)行流程如下：原料從進(jìn)料板 (即為精餾塔中段的某塊塔板 )上進(jìn)入，進(jìn)料板將整個(gè)精餾塔分為精餾段 (進(jìn)料板以上的部分 )和提餾段 (進(jìn)料板以下的部分 )；溶液進(jìn)入精餾塔之后，因各組分具有不同的沸點(diǎn)，從而導(dǎo)致低沸點(diǎn)低組分 (即易揮發(fā)組分 )汽化較易而往上升騰，而高沸點(diǎn)組分 (即難揮發(fā)組分 )則大多隨著液體向下流。并和精餾塔內(nèi)上升的蒸汽在各層塔板上進(jìn)行充分接觸，從而進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)過(guò)程：向 分被連續(xù)引出從而成為塔底產(chǎn)品。部分經(jīng)加熱汽化之后又返回到精餾塔中；精餾塔內(nèi)的上升蒸汽依次經(jīng)過(guò)全部塔板，從而使蒸汽中的易揮發(fā)組分的濃度逐漸 - 8 - 增高，上升至塔頂?shù)恼羝诶淠髦?被冷凝成為液體，經(jīng)過(guò)回流泵和回流罐之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔頂產(chǎn)品，部分則作為塔內(nèi)冷卻液而被引回至頂部塔板上，這一過(guò)程稱為回流 2。 餾裝置的作用 （ 1）精餾段的作用 加料版以上的塔段為精餾段，其作用是逐板增加上升氣相中的易揮發(fā)組分的濃度。 （ 2） 提餾段的作用 包括加料版在內(nèi)的以下塔板為提餾段，其作用是逐板提取下降的液相中易揮發(fā)組分。 （ 3） 塔板的作用 塔板是供氣液兩相進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的場(chǎng)所。每一塊塔板上氣液兩相進(jìn)行雙向傳質(zhì)，只要有足夠的塔板數(shù)，就可以將混合液分離成兩個(gè)較純凈的組分。 （ 4） 再沸器的作用 其作用是提供一定流量的上升蒸氣流。 （ 5） 冷凝器的作用 其作用是提供塔頂液相產(chǎn)品并保證有適當(dāng)?shù)囊合嗷亓?。回流主要補(bǔ)充塔板上易揮發(fā)組分的濃度，是精餾連續(xù)定態(tài)進(jìn)行的必要條件。精餾是一種利用回流使混合液得到高純度分離的蒸餾方法。 冷凝器 塔頂產(chǎn)品冷卻器 苯的儲(chǔ)罐 苯 回流 原料 原料罐 原料預(yù)熱器 精餾塔 回流 再沸器 塔底產(chǎn)品冷卻器 甲苯的儲(chǔ)罐 甲苯 圖 苯的沸點(diǎn)為 熔點(diǎn)為 在常溫下是一種無(wú)色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。苯比水密度低，密度為 其分子質(zhì)量比水重。苯難溶于水， 1升水中最多溶解 ；但苯是一種良好的有機(jī)溶劑，溶解有機(jī)分子和一些非極性的無(wú)機(jī)分子的能力很強(qiáng)。 - 9 - 甲苯是最簡(jiǎn)單，最重要的芳烴化合物之一。在空氣中，甲苯只能不完全燃燒，火焰呈黃色。甲苯的熔點(diǎn)為 ，沸點(diǎn)為 111 。甲苯帶有一種特殊的芳香味（與苯的氣味類似），在常溫常壓下是一種無(wú)色透明，清澈如水的液體，密度為 0 866 克厘米 3，對(duì)光有很強(qiáng)的折射作用（折射率： 1,4961）。甲苯幾乎不溶于水 (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，丙酮和大多數(shù)其他常用有機(jī)溶劑中 也有很好的溶解性。甲苯的粘性為 0,6 s，也就是說(shuō)它的粘稠性弱于水。甲苯的熱值為 kJ/點(diǎn)為 4 ，燃點(diǎn)為 535 。 分離苯和甲苯，可以利用二者沸點(diǎn)的不同，采用塔式設(shè)備改變其溫度，使其分離并分別進(jìn)行回收和儲(chǔ)存。 首先，苯和甲苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中 上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與甲苯的分離。 （ 1） 操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔骸?加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如， 采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。 對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無(wú)特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消 耗。 （ 2） 進(jìn)料狀態(tài) - 10 - 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。 （ 3） 加熱方式 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要 高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于苯 般采用 壓）。 - 11 - 第 3 章 精餾塔精餾段溫度控制方案設(shè)計(jì) 述 精餾塔的控制直接影響到工廠產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的對(duì)象，它有多級(jí)塔板組成，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制要求較高。這些都給自動(dòng)控制帶來(lái)一定的困難，同時(shí)各塔工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)千差萬(wàn)別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點(diǎn)，進(jìn)行自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)和研究。精餾塔的 控制最終目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在這個(gè)情況為了更好實(shí)現(xiàn)精餾的目標(biāo)就有了 精 餾段溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。 精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，表現(xiàn)為：過(guò)程變量多，被控變量多，可操縱變量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜，例如，非線性、時(shí)變、關(guān)聯(lián)；控制方案多樣，例如，同一被控變量可以采用不同的控制方案，控制方案的適應(yīng)面光等。 餾塔精餾段的控制要求 精餾塔的控制目標(biāo)是，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤(rùn)）最大或總成本最小。具體對(duì)一個(gè)精餾塔來(lái)說(shuō)，需 從四個(gè)方面考慮，設(shè)置必要的控制系統(tǒng)。 （ 1）產(chǎn)品質(zhì)量控制 塔頂產(chǎn)品合乎規(guī)定的純度，塔底成品維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂產(chǎn)品中輕組分（或重組分）含量和塔底產(chǎn)品中重組分（輕組分）含分，塔頂產(chǎn)品的關(guān)鍵組分是易揮發(fā)的，稱為輕關(guān)鍵組分，塔底產(chǎn)品是不易揮發(fā)的關(guān)鍵組分，稱為重關(guān)鍵組分。 （ 2） 物料平衡控制 進(jìn)出物料平衡，即塔頂采出量應(yīng)和進(jìn)料量相平衡，維持塔的正常平穩(wěn)操作，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。物料平衡的控制是以回流罐與介于規(guī)定的上、下限之間為目標(biāo)的。 （ 3） 能量平衡控制 精餾塔精餾段的輸入、輸出能量應(yīng)平衡，使塔內(nèi)的操作壓力維持穩(wěn)定。 （ 4）約束條件控制 為保證精餾塔的正常、安全操作，必須使某些操作參數(shù)限制在約束條件之內(nèi)。常用的精餾塔限制條件為液泛限、漏液限、壓力限及臨界溫差限等。所謂液泛限，也稱氣相速度 - 12 - 限，即塔內(nèi)氣相速度過(guò)高時(shí)，霧沫夾帶十分嚴(yán)重，實(shí)際上液相將從下面塔板倒流到上面塔板，產(chǎn)生液泛，破壞正常操作。漏液限也稱最小氣相速度限，當(dāng)氣相速度小于某一值時(shí)，將產(chǎn)生塔板漏液，板效率下降。防止液泛和漏液，可以塔壓降和壓差來(lái)監(jiān)視氣相速度。壓力限是指塔的操作壓力的限 制，一般是最大操作壓力限，即塔操作壓力不能過(guò)大，否則會(huì)影響塔內(nèi)的氣液平衡，嚴(yán)重越限甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)間的溫差，當(dāng)這一溫差低于臨界溫差時(shí)，給熱系數(shù)急劇下降，傳熱量也隨之下降，不能保證塔的正常傳熱的需要 5。 餾塔精餾段的擾動(dòng)分析 精餾塔 精餾段 的操作就是按照塔頂產(chǎn)品的組成要求來(lái)對(duì)這幾個(gè)影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。精餾操作過(guò)程的影響因素有以下幾方面： 精餾段 操作過(guò) 程中要克服各種影響因素的變化，防止對(duì)塔頂產(chǎn)品的數(shù)量和組成的影響。 （ 1） 精餾塔操作壓力的變化對(duì)精餾 塔精餾段 操作 的 影響 塔的設(shè)計(jì)和操作都是基于一定的塔壓下進(jìn)行的，因此一般精餾塔總是首先要保持壓力的恒定。塔壓波動(dòng)對(duì)塔的操作將產(chǎn)生如下的影響。 影響產(chǎn)品質(zhì)量和物料平衡 改變操作壓力，將使每塊塔板上汽液平衡的組成發(fā)生改變。壓力升高，則氣相中重組分減少，相應(yīng)地提高了氣相中輕組分的濃度；液相中輕組分含量較前增加，同時(shí)也改變了氣液相的重量比，使液相量增加，氣相量減少。總的結(jié)果是：塔頂餾分中輕組分濃度增加，但數(shù)量卻相對(duì)減少 ；釜液中的輕組分濃度增加，釜液量增加。同理，壓力降低，塔頂餾分的數(shù)量增加，輕組分濃度降低；釜液量減少，輕組分濃度減少。正常操作中，應(yīng)保持恒定的壓力，但若因操作不正常，引起塔頂產(chǎn)品中重組分濃度增加時(shí)，則可采用適當(dāng)提高壓力的辦法，使產(chǎn)品質(zhì)量合格，但此時(shí)釜液中的輕組分損失增加。 改變組份間的相對(duì)揮發(fā)度 壓力增加，組份間的相對(duì)揮發(fā)度降低，分離效率下降，反之，組份間的相對(duì)揮發(fā)度增加，分離效率提高。 改變塔的生產(chǎn)能力 壓力增加，組份的重度增大，塔的處理能力增大。 塔壓的波動(dòng) 這將引起溫度和組成間對(duì)應(yīng)關(guān)系的 混亂。我們?cè)诓僮髦薪?jīng)常以溫度作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量 - 13 - 的間接標(biāo)準(zhǔn)，但這只有在塔壓恒定的前提下才是正確的。當(dāng)塔壓改變時(shí)，混合物的泡點(diǎn)、露點(diǎn)發(fā)生變化，引起全塔的溫度發(fā)生改變，溫度和產(chǎn)品質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生改變。 從以上分析可看出，改變操作壓力，將改變整個(gè)塔的操作情況，因此在正常操作中應(yīng)維持恒定的壓力（工藝指標(biāo)），只有在塔的正常操作受到破壞時(shí)，才可根據(jù)以上的分析，在工藝指標(biāo)允許的范圍內(nèi)，對(duì)塔的壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。應(yīng)該指出，在精餾操作過(guò)程中，進(jìn)料量、進(jìn)料組成和進(jìn)料溫度的改變，塔釜加熱蒸汽量的改變，回流量、回流溫度和 冷劑壓力（對(duì)內(nèi)回流塔而言）的改變以及塔的堵塞等，都可能引起塔壓的波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)首先分析引起塔壓波動(dòng)的原因，及時(shí)處理，使操作恢復(fù)正常。 （ 2）進(jìn)料量的變化對(duì)精餾塔精餾段操作的影響 進(jìn)料流量是上工序的出料，因此，通常不可控但可測(cè)，當(dāng)進(jìn)料流量較大時(shí)，對(duì)精餾塔的操作會(huì)造成很大的影響。進(jìn)料流量影響物料平衡，也影響能量平衡。因此，控制策略應(yīng)保持流量的基本恒定。 進(jìn)料成分影響物料平衡和能量平衡，但進(jìn)料成分通常不可控，多數(shù)情況下也難于測(cè)量。因此，控制策略是盡量控制上一工序的操作，從外圍著手，使進(jìn)料成分能 夠保持恒定，減小其變化對(duì)精餾塔操作的影響。 （ 3） 進(jìn)料組份的變化對(duì)精餾 塔精餾段 操作 的 影響 進(jìn)料組份的變化直接影響精餾 塔精餾段的 操作，當(dāng)進(jìn)料中重組份的濃度增加時(shí)，精餾段的負(fù)荷增加。對(duì)于固定了精餾段塔板數(shù)的塔來(lái)說(shuō)，將造成重組份帶到塔頂，使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格。 若進(jìn)料中輕組份的濃度增加時(shí)，此時(shí)精餾段的負(fù)荷增加。對(duì)于固定了提餾段塔板數(shù)的塔來(lái)說(shuō)，將造成提餾段輕組份蒸出不完全，釜液中輕組份的損失加大。 同時(shí)，進(jìn)料組成的變化還將引起全塔物料平衡和工藝條件的變化。組份變輕，則塔頂餾份增加，釜液排出量減 少。此時(shí)，全塔溫度下降，塔壓升高。組成變重，情況相反。進(jìn)料組成變化時(shí)，可采取如下措施： 改進(jìn)料口 組成變重時(shí)，進(jìn)料口往下改；組成變輕時(shí)，進(jìn)料口往上改。 改變回流比 組成變重時(shí)，加大回流比；組成變輕時(shí)，減少回流比。 調(diào)節(jié)冷劑和熱劑量 根據(jù)組成的變動(dòng)情況，相應(yīng)地調(diào)節(jié)塔頂冷凝器的冷劑和塔釜熱劑量，維持塔頂及塔底產(chǎn)品質(zhì)量不變。 （ 4） 進(jìn)料溫度的變化對(duì)精餾 塔精餾段 操作 的 影響 進(jìn)料溫度的變化對(duì)精餾操作的影響是很大的?？偟膩?lái)講，進(jìn)料溫度降低，將增加塔底 - 14 - 蒸發(fā)釜的熱負(fù)荷，減少塔頂冷凝器的 冷負(fù)荷；進(jìn)料溫度升高，則增加塔頂冷凝器的冷負(fù)荷，減少塔底蒸發(fā)釜的熱負(fù)荷。當(dāng)進(jìn)料溫度的變化幅度過(guò)大時(shí)，通常會(huì)影響整個(gè)塔身的溫度，從而改變汽液平衡組成。例如：在進(jìn)料溫度過(guò)低，塔釜的加熱蒸汽量沒(méi)有富裕的情況下，將會(huì)使塔底餾分中輕組分含量增加。 進(jìn)料溫度的的改變，意味著進(jìn)料狀態(tài)的改變，而進(jìn)料狀態(tài)的改變將影響精餾段、提餾段負(fù)荷的改變，進(jìn)而產(chǎn)品質(zhì)量、物料平衡都將發(fā)生改變。因此，進(jìn)料溫度是影響精餾塔操作的重要因素之一。 （ 5） 回流比的大小對(duì)精餾 塔精餾段 操作 的 影響 操作中以改變回流比的大小來(lái)保證產(chǎn)品的 質(zhì)量。當(dāng)塔頂餾分中重組份含量增加時(shí)，常采用加大回流比的方法將重組份壓下去，以使產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)精餾段的輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時(shí)，可以用適當(dāng)減少回流比的辦法以使塔下部溫度提起來(lái)。增加回流比，對(duì)從塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔來(lái)說(shuō)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是卻要降低塔的生產(chǎn)能力，增加水、電、汽的消耗。回流比過(guò)大，將會(huì)造成塔內(nèi)物料的循環(huán)量過(guò)大，甚至能導(dǎo)致液泛，破壞塔的正常操作。 （ 6） 塔頂冷劑量的大小對(duì)精餾 塔精餾段 操作 的 影響 對(duì)采用內(nèi)回流操作的塔，其冷劑量的大小，對(duì)精餾操作的影響比較顯著；同時(shí)也是影響回流量波 動(dòng)的主要因素。 對(duì)于采用外回流的塔，同樣會(huì)由于冷劑量的波動(dòng)，在不同程度上影響精餾塔的操作。例如，冷劑量減少，將使冷凝器的作用變差，冷凝液量減少，而在塔頂產(chǎn)品的液相采出量作定值調(diào)節(jié)時(shí)，回流量勢(shì)必減少。假如冷凝器還有過(guò)冷作用（即通常所稱的冷凝冷卻器）時(shí)，則冷劑量的減少，還會(huì)引起回流液溫度的升高。這些都會(huì)使精餾塔的頂溫升高，塔頂產(chǎn)品中重組份含量增多，質(zhì)量下降。 （ 7） 塔頂采出量的大小對(duì)精餾 塔精餾段 操作 的 影響 塔頂采出量的大小和該塔進(jìn)料量的大小有著相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)料量增大，采出量應(yīng)增大。 眾所周知，采 出量只有隨進(jìn)料量變化時(shí)，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會(huì)破壞塔內(nèi)的氣液平衡。 例如，當(dāng)進(jìn)料量不變時(shí)，對(duì)采用內(nèi)回流的塔，若塔頂采出量增大，則回流比勢(shì)必減少，引起各板上的回流液量減少，氣液接觸不好，傳質(zhì)效率下降；同時(shí)操作壓力也將下降，各板上的氣液相組成發(fā)生變化。結(jié)果是重組分被帶到塔頂，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量不合格。 - 15 - 在強(qiáng)制回流的操作中，如果進(jìn)料量不變，塔頂采出量突然增大，則易造成回流液槽抽空。回流液一中斷，頂溫就升高，這同樣也會(huì)影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量下降。如果進(jìn)料量加大，但塔頂采出量不變，其后果是 回流比增大，塔內(nèi)物料增多，上升蒸汽速度增大，塔頂與塔釜的壓差增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起液泛。 由上述分析可以看出，精餾塔的主要干擾因素為進(jìn)料狀態(tài)，即進(jìn)料流量、進(jìn)料組分、進(jìn)料溫度。其中，進(jìn)料流量與進(jìn)料組分是不可控的，而進(jìn)料溫度可通過(guò)熱焓來(lái)控制。 餾塔被控變量的選擇 精餾塔被控變量的選擇，主要討論質(zhì)量控制中得被控變量的確定，以及檢測(cè)點(diǎn)的位置等問(wèn)題。通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。 （ 1）采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標(biāo) 以產(chǎn)品成分的檢測(cè)信號(hào)直接用作質(zhì)量控制的被控 信號(hào)，應(yīng)該說(shuō)是最為理想的。過(guò)去，因成分參數(shù)在檢測(cè)上的困難，難以直接對(duì)產(chǎn)品成分信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量控制。近年來(lái)，成分檢測(cè)儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線應(yīng)用，為以成分信號(hào)直接作為質(zhì)量控制的被控變量，創(chuàng)造了現(xiàn)實(shí)條件。 然而，因成分分析儀表受以下三方面的制約，至今在精餾塔質(zhì)量控制上成功地直接應(yīng)用還是為數(shù)不多的： 分析儀表的可靠性差； 分析測(cè)量過(guò)程滯后大，反應(yīng)緩慢； 成分分析針對(duì)不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿足。 因此，目前在精餾操作中，溫度仍是最常用的間接質(zhì)量指標(biāo) 。 （ 2）采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo) 溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見的一種。對(duì)于一個(gè)二元組分精餾塔來(lái)說(shuō)，在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成分有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。 制方案的設(shè)計(jì) 單回路控制系統(tǒng)一般情況下都能滿足正常生產(chǎn)的要求，但是當(dāng)對(duì)象滯后較大，負(fù)荷和干擾變化比較劇烈而頻繁，或是工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高時(shí)，采用單回路控制方法就不太有效，于是就出現(xiàn)了一種串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)或多閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán) 為副控對(duì)象，外環(huán)為主控對(duì)象。內(nèi)環(huán)的作用是將外部擾動(dòng)的影響在內(nèi)環(huán) - 16 - 進(jìn)行處理，而盡可能不使其波動(dòng)到外環(huán)，這就加快了系統(tǒng)的快速性并提高了系統(tǒng)的品質(zhì)，因此串級(jí)控制系統(tǒng)中選擇內(nèi)環(huán)時(shí)應(yīng)考慮其響應(yīng)速度要比外環(huán)響應(yīng)速度快得多。 串級(jí)控制是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量極為有效的方法，在過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)引起出口溫度的因素很多：被加熱流量的和溫度的擾動(dòng)，壓力的波動(dòng)、熱質(zhì)的變化，回流量的擾動(dòng)等，而對(duì)這些擾動(dòng)單回路控制系統(tǒng)并不能把所有的干擾都包含進(jìn)去，不能是出口溫度穩(wěn)定在要求的值上，為解決上述滯后時(shí)間和控制要 求之間的矛盾，保持出口流量溫度的恒定，可以通過(guò)溫度串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 級(jí)控制系統(tǒng) 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，成為內(nèi)環(huán)、副環(huán)或副控回路，其控制器稱為副控制器，在控制中起“粗調(diào)”作用；一個(gè)閉環(huán)在外面，成為外環(huán)、主環(huán)或主控回路，其控制器稱為主控制器，起“細(xì)調(diào)”作用，最終保證被控量滿足控制要求。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出則去控制被控對(duì)象。這種由兩個(gè)控制器串在一起控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。作用在 外環(huán)的擾動(dòng) 1用在內(nèi)環(huán)的擾動(dòng) 26。 1 2 2 1 +- - 2 2 12 級(jí)控制系統(tǒng) 方框 圖 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上增加量一個(gè)副控回路，正是由于副控回路的存在，使串級(jí)控制具有自己的特點(diǎn)。 夠有效地克服進(jìn)入副控回路的二次干擾。與單回路控制系統(tǒng)相比，被控量受二次干擾的影響可以減至原來(lái)的 1/1001/10。 此可以加大主控制器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。 串級(jí)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)。 級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 串級(jí)控制是在單回路 制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)。串級(jí)控制是在原控 - 17 - 制回路中，增加了一個(gè)或幾個(gè)控制內(nèi)回路，用用以控制可能引起被控量變化的其他因素，從而有效的抑制被控對(duì)象的時(shí)滯特性，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。 （ 1） 抗干擾性強(qiáng)。由于主回路的存在，進(jìn)入副回路的干擾影響大為減小。同時(shí)，由于串級(jí)控制系統(tǒng)增加了一個(gè)副回路，具有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，大大提高了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，從而也就提高了對(duì)干擾的克服能力，尤其對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾。表現(xiàn)更為突出。 （ 2） 及時(shí)性好。串級(jí)控制對(duì)克服容量滯后大的對(duì)象特別有效。 （ 3） 適應(yīng)能力強(qiáng)。串級(jí)控制系統(tǒng)就其主回路來(lái)看，它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但其副回路對(duì)主調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)對(duì)象操作條件和負(fù)荷的變化情況不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化。 （ 4） 能夠更精確控制操縱變量的流量。當(dāng)副被控變量是流量時(shí)，未引入流 量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動(dòng)都會(huì)影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用串級(jí)控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，使流量測(cè)量值與主控制器輸出一一對(duì)應(yīng)，從而能夠更精確控制操縱變量的流量 5。 餾塔精餾段溫度串級(jí)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 單回路控制系統(tǒng)能解決工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化過(guò)程的大量參數(shù)定值控制問(wèn)題。對(duì)于多數(shù)復(fù)雜控制系統(tǒng)，如多輸入多輸出系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)和擾動(dòng)較大的系統(tǒng)等簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就很難控制，無(wú)法滿足控制系統(tǒng)的 控制要求 6。串級(jí)控制系統(tǒng)在改善復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。 量的選擇 （ 1） 被控變量的選擇 對(duì)于二元精餾塔，當(dāng)塔壓恒定時(shí)，溫度與成分之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，常用溫度作為被控 變 量。對(duì)于多元精餾塔由于石油化工過(guò)程中精餾產(chǎn)品大多數(shù)是碳?xì)浠衔锏耐滴?。在一定塔壓下，溫度與成分之間仍有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。誤差較小。因此。絕大多數(shù)精餾塔當(dāng)塔壓恒定時(shí)采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。 （ 2） 操縱變量的選擇 精餾段的溫度控制精餾段溫度控制以精餾段產(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標(biāo)在恒壓下根據(jù)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置不同。有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。操縱 變量可選擇回流量或塔頂采出量。而回流量 L 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，溫度稍有變化，即可通過(guò)調(diào)節(jié)回流量 L 加以控制，能夠很好的克服 擾動(dòng) 7。 - 18 - 餾塔精餾段控制的過(guò)程分析 我們的控制目的是使塔溫保持恒定，現(xiàn)選用精餾段的溫度 , 與回流量來(lái)構(gòu)成串級(jí)隨動(dòng)控制 ， 如圖 圖中 位調(diào)節(jié)器， 量調(diào)節(jié)器按 溫度發(fā)生變化時(shí)，由主調(diào)節(jié)器（ 溫度調(diào)節(jié)器行控制，其輸出作為副調(diào)節(jié)器（液位調(diào)節(jié)器 給定值，最終控制閥門的開度 ， 主控回路的輸出作為副 控回路設(shè)定值修正的依據(jù)，副控回路的輸出作為真正的控制量作用于被控對(duì)象 ， 液位一旦發(fā)生變化，副控回路及時(shí)地控制閥門的開度位置，較快地克服了液位的變化對(duì)出料溫度的影響 。 如果液位是恒定的，只需測(cè)量實(shí)際溫度，并使其與溫度設(shè)定值相比較，利用二者的偏差控制管道上的閥門就能保持溫度的恒定 。 路中，以補(bǔ)償過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，使被控對(duì)象的滯后時(shí)間 超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后問(wèn)題，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，加速了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程 ， 另外，通過(guò)增大液位調(diào)節(jié)器的比例增益，系統(tǒng)的等效時(shí)間常 數(shù)可以獲得較小的數(shù)值，從而增加了副控回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作 頻率 8。 圖 餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 其控制器的正、反作用選擇如下： （ 1） 主被控變量 精餾塔 精餾 餾段溫度 （ 2） 副被控變量 回 流量 （ 3） 控制閥 從安全角度考慮，選擇氣開型控制閥， 。 （ 4） 副被控對(duì)象 控制閥打開，進(jìn)料流量增加， 回 流量也增加，因此， 。 - 19 - （ 5） 副控制器 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足 ，因 ，應(yīng)選 ，即選用反 作用控制器。 （ 6） 主被控對(duì)象 當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)， 精 餾段溫度升高，因此， 。 （ 7） 主控制器 為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足 ，因 ，應(yīng)選 ，即選用反作用控制器。 圖 餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在這個(gè)計(jì)算機(jī)串級(jí)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制起到了及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中可能引起被控量發(fā)生變化的一些因素并加控制，閥位與流量得到了及時(shí)的調(diào)節(jié)，使塔溫的控制達(dá)到了良好的控制效果，并且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，有效地解決了對(duì)象的等效純滯后時(shí)間 很長(zhǎng)的問(wèn)題 。 二次干擾為該系統(tǒng)的主要擾動(dòng)，副控回路有效而快速地克服二次擾動(dòng)的影響 。 當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路內(nèi)，例如液位發(fā)生波動(dòng)引起精餾段的溫度變化時(shí)，由于有副控回路的存在，液位調(diào)節(jié)器能及時(shí)地動(dòng)作，快速消除了擾動(dòng)的影響；當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副控回路以外時(shí)，如物料、能量的轉(zhuǎn)輸變化引起 精 餾段的溫度變化，溫度調(diào)節(jié)器及時(shí)改變其輸出信號(hào)，由副控回路去改變流量，克服了擾動(dòng) 影響 9。 制規(guī)律的選擇 在控制系統(tǒng)中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇控制器規(guī)律 的基本出發(fā)點(diǎn)。 主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無(wú)靜差，因此，主控制器應(yīng)選 制規(guī)律。 - 20 - 副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對(duì)主參數(shù)的影響，因而可以允許在一定范圍的變化，并允許有靜差。為此，副控制器選擇 總之， 精餾過(guò)程由于內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制作用的響應(yīng)緩慢，參數(shù)間關(guān)聯(lián)密切，因此控制要求高，難度大 。 又由于其非線性、強(qiáng)耦合、質(zhì)量參數(shù)在線檢測(cè)困難等特點(diǎn)，使得精餾塔的自動(dòng)控制問(wèn)題成為過(guò)程控制界研究 的熱點(diǎn) 10。 精餾塔借助于冷凝器的冷卻來(lái)保持其精餾段的溫度恒定，由于冷凝器的 傳熱和精餾塔的傳質(zhì)過(guò)程，使對(duì)象的等效純滯后時(shí)間 很長(zhǎng) 。 實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，塔溫控制對(duì)象可近似為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)一階環(huán)節(jié) 組成 1114。 在精餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)中，保持回流量的恒定與塔溫發(fā)生變化能及時(shí)地調(diào)節(jié)回流閥門的開度使塔溫保持恒定是我們的最終控制目的 。 如果采用傳統(tǒng)的控制算法，回流量得不到及時(shí)地調(diào)節(jié)，溫度變化以后才調(diào)節(jié)回流閥門的開度來(lái)改變蒸氣的供給量，產(chǎn)生了過(guò)程上的時(shí)間滯后問(wèn)題，使被控對(duì)象的等效時(shí)間很長(zhǎng)不能及時(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，從而達(dá)不到預(yù)期的控制效果 。 本 文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出采用主控回路和副控回路相配合的溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，主回路控制器采用 回路采用 大可能的滿足控制系統(tǒng)的要求。 - 21 - 第 4 章 控制系統(tǒng)的建模 工業(yè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可分為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸出變量與輸入變量之間隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。從控制角度來(lái)看，輸入變量就是操縱變量和擾動(dòng)變量，輸出變量是被控變量。 動(dòng)態(tài)模型在對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)的分析和控制中起著舉足輕重的作用。可用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，以及工藝設(shè)計(jì)和操作條件的 分析和確定。工業(yè)過(guò)程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是描述輸入變量和輸出變量之間不隨時(shí)間變化情況下的數(shù)學(xué)關(guān)系，可用于工藝設(shè)計(jì)和最優(yōu)化等，同時(shí)也是考慮控制方案的基礎(chǔ)。 學(xué)模型簡(jiǎn)介 數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界空間形式和數(shù)量關(guān)系的科學(xué)。而數(shù)學(xué)模型則是應(yīng)用數(shù)學(xué)的思想方法、語(yǔ)言和工具 ,是 關(guān)于部分現(xiàn)實(shí)世界和為一種特殊目的而作的一個(gè)抽象的、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)， 是為了解決實(shí)際問(wèn)題而設(shè)計(jì)的關(guān)于“數(shù)、形、算”的一種十分有用的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型 ,可以充分發(fā)揮數(shù)學(xué)科學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題的服務(wù)功能 ， 體現(xiàn)出數(shù)學(xué)的真正 意義 。 建立系統(tǒng)模型的過(guò)程。又稱模型化。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過(guò)程都屬于建模。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的手段和方法也是多種多樣的?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，根據(jù)事物的機(jī)理來(lái)建模 ， 也可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理 ,并根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)建模。還可以同時(shí)使用幾種方法。 模型的實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)實(shí)原型的一種抽象或模仿。這種抽象或模仿自然要抓住原型的本質(zhì) ,拋棄原型中的次要因素。從這個(gè)意義上來(lái)講 ,模型既反映原型 , 又不等于原型 , 或者說(shuō)它是原 型的一種近似。 現(xiàn)在數(shù)學(xué)模型還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義 ,因?yàn)檎驹诓煌慕嵌瓤梢越o出不同的定義。而通常說(shuō)來(lái) ， 數(shù)學(xué)模型就是指對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的某一特定對(duì)象 ， 為了某個(gè)特定的目的 ， 做出一些必要的簡(jiǎn)化和假設(shè) ， 運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu) ， 它或者能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)性態(tài)或者能預(yù)測(cè)對(duì)象的未來(lái)前景 ， 或者能提供處理對(duì)象的最優(yōu)決策或控制等。 具體來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)學(xué)及其它數(shù)學(xué)符號(hào)建立起來(lái)的等式或不等式以及圖表、圖象、框圖等描述客觀事物的特征及其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式 。 數(shù)學(xué)模型的特征是： - 22 - 第一，它 是某事物為一種特殊目的而作的一個(gè)抽象化、簡(jiǎn)單化的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，這意味著揚(yáng)棄、篩選，是取舍次要因素，突出主要因素的主要結(jié)果；是事物的一種模擬，雖源于現(xiàn)實(shí)，但非實(shí)際的原型，而又高于現(xiàn)實(shí)。 第二，它是數(shù)學(xué)上的抽象，在數(shù)值上可以作為公式的應(yīng)用，可以推廣到與原物相近的一類問(wèn)題。 第三，可以作為某事物的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，可以譯成算法語(yǔ)言，編寫程序進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 數(shù)學(xué)模型分類有以下幾種： 按數(shù)學(xué)模型的功能可分為定量和定性的。 按數(shù)學(xué)模型的目的可分為理論研究的，預(yù)期結(jié)果的和優(yōu)化的。 按數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)可分為分 析的，非分析的和圖論的。 按數(shù)學(xué)模型所研究對(duì)象的特性可分為確定的和隨機(jī)的，靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)的和離散的，或線性的和非線性的。 模應(yīng)用 系統(tǒng)建模主要用于三個(gè)方面。分析和設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)。例如工程界在分析設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)時(shí)，通常先進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真和物理仿真實(shí)驗(yàn)，最后再到現(xiàn)場(chǎng)作實(shí)物實(shí)驗(yàn)。數(shù)學(xué)仿真比物理仿真簡(jiǎn)單、易行。用數(shù)學(xué)仿真來(lái)分析和設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，必須有一個(gè)描述系統(tǒng)特征的模型。對(duì)于許多復(fù)雜的工業(yè)控制過(guò)程，建模往往是最關(guān)鍵和最困難的任務(wù)。預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)實(shí)際系統(tǒng)的某些狀態(tài)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。預(yù) 測(cè)或預(yù)報(bào)基于事物發(fā)展過(guò)程的連貫性。對(duì)系統(tǒng)實(shí)行最優(yōu)控制。運(yùn)用控制理論設(shè)計(jì)控制器或最優(yōu)控制律的關(guān)鍵或前提是有一個(gè)能表征系統(tǒng)特征的數(shù)學(xué)模型。在建模的基礎(chǔ)上，再根據(jù)極大值原理，動(dòng)態(tài)規(guī)劃，反饋、解耦，極點(diǎn)配置、自組織、自適應(yīng)和智能控制等方法，設(shè)計(jì)各種各樣的控制器或控制律。 系統(tǒng)建模主要用于 3 個(gè)方面對(duì)于同一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，人們可以根據(jù)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實(shí)際系統(tǒng)原型的簡(jiǎn)化，因?yàn)榧炔豢赡芤矝](méi)必要把實(shí)際系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)都列舉出來(lái)。如果在簡(jiǎn)化模型中能保留系統(tǒng)原型的一些本質(zhì)特征，那么就可認(rèn) 為模型與系統(tǒng)原型是相似的，是可以用來(lái)描述原系統(tǒng)的。因此，實(shí)際建模時(shí)，必須在模型的簡(jiǎn)化與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性之間作出適當(dāng)?shù)恼壑?，這是建模遵循的一條原則。 立數(shù)學(xué)模型的目的 建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的目的主要有以下幾種： （ 1） 進(jìn)行工業(yè)過(guò)程優(yōu)化操作。 (2)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和仿真研究。 - 23 - (3)控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的整定。 (4)作為模型預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制方法的數(shù)學(xué)模型。 (5)工業(yè)過(guò)程的故障檢測(cè)與診斷。 (6)設(shè)備啟動(dòng)與停車的操作方案。 模的方法 系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的基本方法主要是基于過(guò)程動(dòng)力學(xué)的機(jī)理建模和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)建模。機(jī)機(jī)理建模包括機(jī)理法建模，測(cè)試法建模和半測(cè)試法建模；檢驗(yàn)建模包括階躍響應(yīng)建模，線性回歸建模和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。 一般的經(jīng)驗(yàn)建模方法是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照某種性能指標(biāo)從一組模型中選擇個(gè)最大化（最小化）該性能指標(biāo)的模型作為過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此?jīng)驗(yàn)建模通常包括三個(gè)基