精馏塔温度控制设计过程控制毕业设计

摘要

精馏是在石油、化工等生产过程中广泛运用的一种传质过程。通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同进行分离。一般的精馏装置有精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等设备组成。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。精馏塔是一个多输入多输出的多变量的过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓，变量之间互有影响，所以控制复杂。精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前期下，使塔的总收益最大，总成本最小。

本文主要是针对精馏塔温度控制设计。温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早的也是目前最常见的方式,。用温度作为间接质量指标有一个前提，塔内压力应为定值。

关键词：精馏塔；温度控制；串级控制；前馈—串级；MATLAB仿真

Abstract

Distillation is in petroleum, chemical industry etc widely used in the process of production of a mass transfer process. Through distillation process, the various components of hybrid material separation, respectively at the purity of specified. Separation mechanism is the use of various components in the mixture of volatility of different separation. General rectification device has rectifying column and reboiler, condensation cooler, reflux drum and the reflux pump and other equipment. Rectifying column is a kind of for distillation tower gas-liquid contact device, also known as the distillation tower. Rectification tower is a process of multiple input multiple output of multivariable internal mechanism is complex, dynamic response is slow, influence each other between variables, so the control of complex. Rectification tower control objectives are: to guarantee the quality of products qualified early, the total revenue of the tower is the largest, the minimum total cost.

This article is mainly aimed at rectifying column temperature control design. Temperature indirectly as a quality index, is the first application in the quality control of rectification tower is by far the most common way, With temperature indirectly as a quality index has a premise, the tower pressure should be valued.

Key Words：Rectification tower Temperature control Cascade control Feedforward cascade Matlab simulation

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

引言 (1)

1 绪论 (3)

1.1 课题意义与现状 (3)

1.1.1 课题意义 (3)

1.1.2 课题现状 (3)

1.2 本课题研究的主要内容 (4)

2 精馏塔控制过程控制分析 (5)

2.1 精馏基本原理 (5)

2.2 控制方案介绍 (8)

2.3 精馏塔的灵敏板选择 (9)

2.4 精馏塔控制要求 (10)

2.5 精馏塔精馏段的扰动分析 (11)

3 精馏塔温度控制方案分析 (15)

3.1 精馏塔串级方案分析 (15)

3.2 精馏塔前馈—串级方案分析 (16)

3.3 工艺描述 (19)

4 控制系统的建模 (20)

4.1 建模方法简述 (20)

4.2 过程建模的目的 (20)

4.3 建模的方法 (20)

4.3.1 机理建模 (20)

4.3.2 物料和能量守恒关系 (21)

4.3.3 经验建模 (21)

4.3.4 阶跃响应建模 (22)

4.4 阶跃响应的获取 (22)

4.5 经验建模的方法 (22)

4.6 建立数学模型 (23)

5 系统仿真 (25)

5.1 系统仿真技术概述 (25)

5.2 系统仿真的分类与发展 (25)

5.2.1 仿真系统的分类 (25)

5.2.2 仿真系统的发展 (26)

5.3 MATLAB简介 (26)

5.4 SIMULINK的简介 (27)

5.5 使用MATLAB对实验结果进行仿真 (27)

结论 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

引言

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。

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）组分不断地向下降液中转移，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，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，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出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。

精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其内在机理复杂，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，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。

本文设计目的精馏塔灵敏板温度控制系统，包括——灵敏板温度控制器、再沸器1流量控制回路、再沸器2流量控制回路、一个精馏塔对象，灵敏板温度控制器根据输入的灵敏板温度设定值和精馏塔对象灵敏板温度测量值，计算出流量设定值输出，输出端连接至1个再沸器流量控制回路输入端和一个加热负荷比例计算模块，两个再沸器流量控制回路并联于灵敏板温度控制器和精馏塔对象之间，两控制回路输出端连接精馏塔对

象输入端，精馏塔对象通过两控制回路输入的流量设定值控制各自的加热介质流量，为精馏塔塔釜再沸器提供热源，精馏塔对象通过对灵敏板温度测量输出灵敏板温度，输出端连接到灵敏板控制器反馈输入端，其特征在于：灵敏板温度控制器输出端同再沸器2控制回路输入端之间串联负荷分配控制回路，输出到复合控制器（作为再沸器2的流量设定1）；两再沸器出口温度测量值输出至温度均衡控制回路作为输入端，该温度均衡控制回路输出到复合控制器（作为再沸器2的流量设定2）；复合控制器输出端连接到再沸器2流量控制回路输入端。

1绪论

1.1课题意义与现状

1.1.1课题意义

精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物个组成的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（及沸点较低或饱和蒸汽压较高的组份）汽化。经多次部分液相气化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需求。精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可以减少残留物料的污染作用。

影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界的干扰（如进料温度，流量及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精馏塔的温度我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求大多较高。这就需要根据具体要求分析特性，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。

1.1.2课题现状

国外精馏塔系统发展比较成熟。新型板式塔是将MD塔板悬挂降液管技术移植到常规塔板技术上，增加了踏板鼓泡面积，提高了精馏塔设备的处理能力。国外还开发了一种超重力精馏分离传质机器—Higee。这种超重力离心分离机具备极为优良的传质效率和处理能力特征。

目前，国内精馏塔塔温控制一般采取温控仪+继电器进行控制，这种方法虽然廉价，但是在控制上受到很多限制，很难满足生产要求。所以开发了一种以西门子S7-200PLC为核心的精馏塔温度控制系统。近年来出现的超重力精馏技术，利用高速旋转产生的数百至千倍重力的超重力场代替常规的重力场，极大地强化气液传质过程，将传质单元高度降低1个数量级。从而使巨大的塔设备变为高度不到2米的超重力精馏机，达到增加效率、缩小体积的目的。超重力精馏改变了传统的塔设备精馏模式，只要在

室内厂房里就可以实现连续精馏过程。对社会的发展而言可节省钢材资源，延长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约场地与空间资源，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。

1.2本课题研究的主要内容

课题研究内容是精馏塔的温度控制。精馏塔温度控制选取塔釜灵敏板温度作为被控变量，灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。用控制温度间接控制产品的质量。

2精馏塔控制过程控制分析

2.1精馏基本原理

所谓精馏，就是把一定浓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，在塔顶及塔底均得到预期产品的一种操作过程。在此过程中，人致需要如下设备：①精馏塔：②冷凝器：③再沸器：④回流罐；⑤回流泵。石油化工行业中的精馏装置大多采取的是连续运行的方式，其具体流程图见下图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：①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（进料板以下的部分）；②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。并和精馏塔内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：③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；④精馏塔内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，部分则作为塔内冷却液而被引回至顶部塔板上，这一过程称为回流。

精馏的分类方法较多，常见的有以下几种分类方法：①按需分离组分的不同来分，可分为二元精馏及多元精馏；②按精馏塔的结构来分，可分为板式塔和填料塔；⑨按精馏操作的连续性来分，可分为间歇精馏及连续精馏；④按精馏操作压力来分，可分为常压精馏、加压精馏及减压精馏：⑤按混合物重组分的挥发度来分，可分为一般精馏与特殊精馏，其中特殊精馏又分为萃取精馏与共沸精馏等。

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。

在恒定压力下，对单组分液体在沸腾时继续加热，其温度保持不变。但对于多组分的理想溶液来说，在恒定压力下，沸腾溶液的温度却是可变的。一般而言，在恒定压力下，溶液气液相平衡与其组分有关。高沸点组分的浓度越高，溶液平衡温度越高。与纯物质的气液平衡相比较，溶液气液平衡的一个特点是：在平衡状态下，气相浓度与液相浓度是不相同的。一般情况下，气相中的低沸点组分的浓度高于它在液相中的数值。对于纯组分的气液相平衡，把恒定压力下的平衡温度称为该压力下的沸点或冷凝点。但对于处在相平衡下的溶液，则把平衡温度称为在该压力下某气相浓度的露点温度或对应的液相浓度的泡点温度。

对于同一浓度的气相和液相来说，露点温度与泡点一般是不相等的，前者比后者高。以苯与甲苯混合液为例，若以温度为纵坐标，液相或气相中苯的浓度为横坐标，将苯一甲苯气液相平衡数据绘成曲线，可得如图2.2所示的温度一浓度曲线图。

在图2.2中，曲线1表示在一定压力下，溶液的浓度与泡点的关系，称为液相线，线上每一点均代表饱和液体；曲线2表示溶液浓度与露点的关系，称为气相线，线上每一点均代表饱和蒸汽。液相线以下的区域是液相区；气相线以上，溶液全部汽化，称为过热蒸汽区；两线之间为汽、液两相共存区，溶液处于任一点时，都可以分为相互平衡的汽、液两相。

设在一个标准大气压下，将浓度为1x 、温度为1t ，的溶液加热，当达到泡点温度2t 时，液体开始沸腾，产生的蒸汽浓度为1y ，1y 与平1x 衡，而且1y >1x 。如继续加热，且不从物系中取走物料，当温度升高到3t 时，则在共存的汽、液两相中，液相的浓度为2x ，蒸汽相的浓度为与2x 成平衡的2y ，且2y >2x 。若再继续升高温度达4t 时，液相

完全汽化，而在液相消失前，其浓度为3x ，液相完全汽化成蒸汽后，则气相浓度3y ，与溶液的最初浓度1x 相同。若继续加热至2t ，蒸汽成为过热蒸汽，随着温度升高，浓度保持不变。自J 点向上至H 点的这一阶段，是使溶液汽化的过程，称为部分汽化的过程。若继续加热到日点或日点以上，则称为全部汽化过程。显然，只有用部分汽化的方法，才能从溶液中分离出具有不同浓度的蒸汽，而且其中所含易挥发组分较多，也即部分汽化能起一定的分离作用。而完全汽化则不能使溶液的浓度改变，起不到分离作用。反之，也可从溶液的蒸汽出发，进行冷凝，此过程恰与上述汽化过程相反。

75

80

85

10095

90

105

110

120

115

70123浓度s x 100

温度/℃ 图2.2 苯一甲苯气液相平衡温度浓度曲线

由上述讨论可见，部分汽化或部分冷凝之所以能起到部分分离的作用，其基本依据仍然是溶液中两组分的挥发性能之间的差异。部分汽化和部分冷凝是精馏装置中反复发生的过程，依靠此作用才能达到将溶液中两组分加以分离的目的。所以，多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分吸收冷凝是精馏的基础。由于溶液汽化要吸收热量，气体冷凝要放出热量。为此，精馏过程必须具备使塔釜加热汽化的设备（再沸器）和使塔顶蒸汽冷凝的设备冷凝器。

2.2控制方案介绍

随着控制技术的不断发展，新型控制方案、控制算法不断出现，自定化控制技术工具也有了飞速的发展，尤其是计算机在工业过程中的应运日益广泛，使得精馏塔过程控制中新的控制方案层出不穷，控制系统的品质指标越来越高，保证了塔的平稳操作。新型控制方案：解耦控制、推断控制、精馏塔的节能控制及精馏塔的最优控制。所谓精馏塔的最优控制是指在产品质量保证一定规格的前提下，综合某些要求，规定一种明确的指标，并使其达到最优。

本文设计精馏塔塔釜温度有两种方案：

第一种：采用灵敏板温度作为主参数，以再沸器加热蒸汽的流量作为副参数，这样就组成了一个由灵敏板温度和再沸器加热蒸汽流量组成的串级调节系统，以实现对精馏塔的塔釜温度的控制。其示意图如图2.3：

图2.3 串级控制原理图

第二种：采用灵敏板温度作为主参数，以再沸器加热蒸汽的流量作为副参数，这样就组成了一个由灵敏板温度和再沸器加热蒸汽流量组成的串级调节系统，再跟进料流量组成前馈—串级控制系统。其示意图如图2.4所示：

图2.4 前馈—串级控制原理图

2.3精馏塔的灵敏板选择

精馏塔内从上到下与气液两相组成变化相对应有一个温度分布。在接近精馏塔塔顶和塔底的相当一段高度内，气液组成和温度变化不明显。如果只测塔两端温度，一旦塔顶或塔底温度发生可觉察的温度变化时，塔顶或塔底产品的组成已经不合格了，这主要是因为这两处的温度变化有延时造成的。在离塔两端一定距离处的塔板上，温度随塔高有较大的变化。若塔内浓度分布发生变化，则这些板上的温度将发生较大的变化，易于测量发现变化，因此可以在塔顶温度没有发生改变前久采取措施防止塔顶Xd降低。这些塔板被称为灵敏板，生产上常用测量和控制灵敏板的温度来调节控制馏出液和釜残液的质量。

当正在操作中的精馏塔受到某一外界干扰，如回流比、进料组成波动等，全塔各板的组成和温度将发生变化。变化最灵敏的一块板或相邻的几块板称为灵敏板。在一定总压下，塔顶温度是馏出液组成的直接反映。但在高纯度分离时，在塔顶（或塔底）相当高的一个塔段中温度变化极小。可见高纯度分离时一般不能用测量塔顶温度的方法来控制馏出液的质量。仔细分析操作条件变动前后温度分别的变化，即可发现在精馏段或提馏段的某些塔板上，温度变化量最为显著。或者说，这些塔板的温度对外界干扰因素的反映最灵敏，故将这些塔板称之为灵敏板。将感温元件安置在灵敏板上可以较早觉察精馏操作所受到的干扰；而且灵敏板比较靠近进料口，可在塔顶馏出液组成尚未产生变化之前先感受到进料参数的变动并即使采取调节手段，以稳定馏出液的组成。

在精馏塔逐板计算中，往往可以发现某一板和相邻板的组成变化较大，因而温度变化也较大，在操作发生变化时，该板的温度变化最灵敏，所以称此板为灵敏板。采用灵敏板控制的好处是：

（1）变化灵敏，调节准确。

（2）可以提前看出塔釜物料的变化趋势，提前调节，避免轻组分带人釜液中。

精馏塔灵敏板选择，原则上精馏塔的稳定操作取决于对灵敏板参数的稳定监控，需要在实践中摸索。这个参数与你的板结构、处理量、物系、操作条件、上下游工况的影响等有关

塔顶

踏

板

序

号

塔底

温度t

图2.5 精馏塔内部温度分布图

精馏塔内温度分布：由塔底至塔顶逐渐降低

温度在塔顶或塔底相当一段高度内变化极小，通过监测塔顶和塔底温度来反映馏出液组成和釜残液组成。

操作条件（F、q、 R再沸器与冷凝器的热负荷等）改变必然引起分离效果的变化，但每一块板改变的程度不等。

灵敏板：温度改变最显著的塔板。以该塔板上的温度监控全塔的操作状态，有利于对精馏塔进行预见性调节。

2.4精馏塔控制要求

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

塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一端成品维持在规定的范围内。在某些特定情况下也有要求塔顶和塔底产品均保证一定的纯度要求。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、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝液罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。

（3）能量平衡控制

精馏塔的输入、输出能量应平衡，使塔内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内。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，即塔内气相速度过高时，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，一般是最大操作压力限，即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，不能保证塔的正常传热的需要。

2.5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。

①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。

②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。

③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。

④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，在工艺指标允许的范围内，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（对内回流塔而言）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，塔压升高。组成变重，情况相反。进料组成变化时，可采取如下措施：

①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。

②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。

③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：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，但是却要降低塔的生产能力，增加水、电、汽的消耗。回流比过大，将会造成塔内物料的循环量过大，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

对采用内回流操作的塔，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）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，才能保持塔内固定的回流比，维持塔的正常操作，否则将会破坏塔内的气液平衡。

例如，当进料量不变时，对采用内回流的塔，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。如果进料量加大，但塔顶采出量不变，其后果是回流比增大，塔内物料增多，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。

3精馏塔温度控制方案分析

3.1精馏塔串级方案分析

图3.1 串级控制系统方块图

串级控制系统框图如图3.1所示。该系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯称为副环和主环。处于副环上的控制器、对象和变送器分别称副控制器、副对象和副变送器。副对象的输出称副被控变量，简称副变量。处于主环上的控制器、对象和变送器分别称为主控制器、主对象和主变送器。主对象的输出称为主被控变量，简称主变量。在本方案中流量控制器（FIC）是副控制器，流量是副变量，温度控制器（TIC）是主控制器，温度则是主变量。由图3.1知，主控制器的输出为副控制器的给定；而副控制器的输出直接送往控制阀。

工作过程：出于安全考虑选定控制阀为气开阀，温度和流量控制器均为反作用，假定系统处于稳定状态。

第一种情况：干扰来自副环。蒸汽流量突然增大，这时塔温肯定会增加，但是这一变化有一定的时间，也就是有很大的滞后。但是这一变化流量改变，继而流量控制器会有变化，它会作用于控制阀是的流量减小，从而调节了温度的变化。在这里流量控制器相当于起“预调”的作用。

第二种情况：干扰来自主环。进料量突然增大，这会导致塔釜液位上升，塔内温度下降对于温度控制器来说得到的是负偏差信号，输出会增大，也就是流量控制器的给定值变大了，此时流量没变化，所以流量控制器接收的是负偏差信号，流量控制器输出增大。从而蒸汽流量加大，温度回升达到新的平衡。

串级系统的特点：

（1）串级控制系统具有更高的工作频率；由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作频率得到提高。

（2）串级控制系统具有较高的抗干扰能力。

（3）串级控制系统具有一定的自适应能力（鲁棒性）。

3.2精馏塔前馈—串级方案分析

前馈—串级控制系统的串级系统采用两套检测变送器和两个控制器，前一个控制器的输出作为后一个控制器的设定，后一个控制器的输出送往控制阀。前一个控制器称为主控制器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个控制器称为副控制器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。串级部分包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副控制器、控制阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主控制器、副控制器、控制阀、副过程和主过程构成。

图3.2 前馈—串级控制系统方块图

前馈—串级控制系统的前馈系统采用一个控制器和一个变送器，当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响（完全补偿条件）如图3.3。前馈—串级控制系统框图如图3-2所示。

前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。