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第3 章
精馏塔的过程控制
为克服扰动的影响以及从对精馏塔实行控制的目的出 发，在众多的参数关系中，选出关键 的参数作为被控制量，它们是：塔顶产品成分A1，塔 底产品成分A2，回流罐液位h1和塔底液位 h2。为控制这四个被控变量可供采用的操作变量（控 制量）也有四个，它们是塔顶产品流量Q1、 塔底产品流量Q2，回流量QL及再沸器加热用蒸汽量QS。 由此可知，在精馏塔控制中，变量间的配对关系有4！ ＝24种的可能。
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第3章 精馏塔的过程控制 只控制一端产品质量时的控制方案
1、塔顶产品成分控制
当工艺上对塔顶产品的成分有严格的要求、而对塔 底产品组分只要保持在一定范围内即可时，只需对塔 顶产品成分进行控制。如在甲醇分离塔中，其进料为 甲醇、甲醛和水的混合液，要求把甲醇分离出来。因 甲醇为轻组分，所以这是一个塔顶产品成分的控制问 题。表10－1给出了一个甲醇分馏的参数。
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2、塔底产品成分控制
塔底产品成分控制的目的是把进料中挥发 度较小的重组分从塔底分离出来。一般采用 的控制方案为：用塔底产品流量控制塔底产 品成分，用回流量控制回流罐液位，塔顶产 品只进行流量控制，塔底液位由加热用蒸汽 量控制，如图10－10所示。
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第3章 精馏塔的过程控制 精馏塔的控制任务及其变量配对关系
对精馏塔的控制要求通常为质量指标、产品产量、及 能量消耗三个方西。质量指标是指使塔顶产品中的 轻组分（或重组分杂质）含量符合技术要求；或使 塔底产品中重组分（或轻组分杂质）符合技术要求。 质量指标是精馏塔控制中的关键，因此，精馏塔的 控制任务是在保证质量指标的前提下．使产品产量 尽量高，能量消耗尽量低。
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精馏塔的过程控制
由生产工艺要求可知，产品（塔顶及塔底馏出物）成 份的控制具有首要的意义，因此，在变量配对时， 首先要解决产品成分的变量配对。选取时应满足如 下要求：（1）相互问影响最强，反应速度快；（2） 尽量采用工艺上就近的原则并力求使塔的能量平衡 控制与物料平衡控制间的相互关联最小；（3）控制 设备尽可能简单且易于实现。实践证明，在上述24 种可能的方案中，没有哪一个方案能同时满足上述 诸项要求。因此，只好在完成某项具体功能的精馏 塔控制设计中，迸行认真的方案比较，从中选出一 个相对合理的变量配对控制方案。
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1.CAMAC系统
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CAMAC(计算机自动测试及控制)系统是适用于宇航、 交通和工业自动化等方面的大型自动测试系统。它 最早由欧洲电子学标准化委员会提出,后被IEEE(美 国电气及电子工程师协会)及IEC(国际电工协会)承 认,成为国际标准。CAMAC主要用于解决计算机和各 功能组件,即各测量或控制用仪器装置之间的接口问 题。其主要特点是数据传输速率高、通用性及灵活 性强,可兼容不同设备。我国在20世纪80年代完成了 CAMAC系统的开发,并在一些军工和普通工业部门获 得应用,但如今这种系统已逐渐被淘汰。
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④最大/最小:求多个测量结果中的最大值、最小值和 峰-峰值。智能仪器无须保存每个测量结果,仅需保 存当前的最大值和最小值。当发现新的最大值或最 小值时,就更新原来的最大值或最小值。⑤极限:在 某些测量中,用户关心的是被测量(如温度和压力等) 是否越出安全范围。这时用户可先设置高、低极限。 当被测量越出该极限时,仪器就给出某种警告。在测 量结束后,分别输出并显示越出高限、低限和未越出 界限的测量次数。⑥统计:计算测量结果的算术平均 值、方差、标准偏差、方均根值等。
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根据变量配对的要求．通常采用的控制方案是用塔顶 产品流量控制塔顶产品成份；用回流量控制回流罐 液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽的热釜 （再锑器）进行自身流量的控制，如图10－9所示。 该方案说明，在精馏塔仅需要控制塔的一端产品质 量时，应该选用物料平衡控制方式，即用塔顶产品 流量或塔底产品流量来保证塔顶成分达到要求；同 时应以塔两端产品流量较小者作为控制量去控制塔 的产品质量。仅只能选用塔顶产品流量作为控制量。 图10－9中调节器的输出均通过电气转换后采用带气 动阀门定位器的气动薄膜执行机构，其目的是为了 防爆。以确保安全。
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智能仪器中常用的数据处理有如下几项: 1)乘常数:R=cx,将测量结果x乘以用户从键盘输入的常 数c。此种改变直线斜率的运算常用于将电量变成其 他工程单位。例如,采用数字电压表通过传感器测量 压力时,将测量结果乘以特定系数后即得到被测的压 力值,可以直接输出并显示。 2)百分率偏离:R=100(x-n)/n,此运算可确定测量结果 对一个标称值的百分率偏离。用户从键盘输入标称 值n,每次把测量结果与标称值进行比较即可得到百 分率偏离。在检验元件的容差时,可直接输出并显示。
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2.仪器性能优越智能仪器中通过微处理器进行数据 存储和运算处理,很容易实现多种自动补偿、自动校 正、多次测量平均等技术,使测量精度大大提高。通 过执行适当和巧妙的算法,常常可以克服或弥补仪器 硬件本身的缺陷或弱点,改善仪器的性能。智能仪器 中,对随机误差通常用求平均值的方法来克服,对系 统误差,则根据误差产生的原因采用适当的方法处理。 例如:HP3455型数字电压表的实时自动校正是先进行 三次不同方式的测量,然后由微处理器自动把测量数 据代入自校准方程进行计算,以消除由漂移及放大器 增益不稳定所带来的误差。借助于微处理器,不仅能 校正由漂移、增益不稳定等引起的误差,还能校正由 各种传感器、变换器及电路il 2019
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3)偏移:R=x-Δ ,这是许多智能仪器都具备的一种功能, 将测量结果减去或加上一个从键盘输入的常数Δ ,即 得到偏移值。 4)比例:比例是一个量相对于另一个量的关系,在数学 上是进行除法运算。比例可分为以下几种情况: ①线性的:R=x/r,其中r是参考量,例如是一个电阻值。 如果测得该电阻上的电压,通过比例运算,就可获得 通过电阻的电流值。②对数的:R=20lg(x/r),用户从 键盘输入常数r后,仪器自动进行对数计算,将结果以 分贝(dB)为单位输出并显示。③功率:R=x2/r,将测 量结果平方后除以参考量r。如果r是负载电阻,x是 该电阻上的电压,则通过该计算可直接输出并显示功 率值。
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3.仪器操作自动化
智能仪器自动化程度高 ,被称之为自动测试仪器。 传统仪器面板上的开关和按钮大部分被键盘所代替, 操作人员仅需按键即可完成所有的操作。智能仪器 通常都能自动选择量程、自动校准,有的还能自动调 整测试点,既方便了操作,也排除了人为因素的影响, 提高了测试的准确性和可靠性。
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4.数据传送与通信
智能仪器通常都具有GP—IB标准通信接口,能够很 方便地接入自动测试系统,接受遥控命令、实现自动 测试。许多智能仪器还配置有RS—232C/RS— 422/RS—485等标准串行接口、现场总线接口等,具 有远距离数据通信功能,便于组成测控网络。
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可见，这是一个2x2的耦合系统，如图11－12所示。显 然，此时应进行解耦设计，两端产品成分解耦控制 方案如图10－13所示。这个方案的设计思想是希望 回流量的变化只影响塔顶组分，至于它对塔底组分 的影响是通过解耦装置D21(s) 使蒸汽阀门预先动作， 予以补偿；同样，希望蒸汽量的变化只影响塔底组 分，而它对塔顶组分的影响，将通过另一个解耦装 置D12(s)使回流阀预先动作，予以补偿，从而实观 了两端产品质量的解耦控制。关于解耦模型D21(s)、 D12(s)的取得，可根据不变性原理的前馈补偿法进 行设计，其框图如图10－14所示。
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第3章 精馏塔的过程控制 1.3.1 自动测试系统
自动测试系统(ATS,Automatic Test System)最早 是为适应多点自动巡回检测的需要而开发的。当采 用计算机技术之后,自动测试系统有了极大的发展, 不但可以快速自动地完成对上百个物理参数和开关 状态的巡回检测,而且具有过程监测、数据分析、故 障诊断及预测等多项功能。由智能仪器组成的自动 测试系统是一个分布式多微机系统,各智能仪器在任 务一级并行工作,相互间通过标准外部总线进行必要 的数据通信,协同完成原来由大型系统才能胜任的综 合测试任务。
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一般情况下，塔的进料流量QF是不可控制的， 如分离裂解气的乙烯塔，它的进料流量受前 一工序决定；而在有些情况下，进料流量也可 以控制，如炼油厂初馏塔的原油流量就可控 制为恒定值；进料成分AF的变动是无法控制 的，它由上一工序决定，但多数情况变化是 缓慢的。总之，大多数情况下，进料流量QF 及进料成分AF的变化是精馏过程中的主要扰 动。