【正文】 為突出。串級控制是在原控制回路中，增加了一個或幾個控制內(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象的時滯特性，提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性。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的1/100~1/10。這種由兩個控制器串在一起控制一個執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。對精餾塔精餾段溫度串級控制系統(tǒng)引起出口溫度的因素很多：被加熱流量的和溫度的擾動，壓力的波動、熱質(zhì)的變化，回流量的擾動等，而對這些擾動單回路控制系統(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，可以通過溫度串級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 控制方案的設(shè)計單回路控制系統(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，或是工藝對產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高時，采用單回路控制方法就不太有效，于是就出現(xiàn)了一種串級控制系統(tǒng)。 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： ① 分析儀表的可靠性差； ② 分析測量過程滯后大，反應(yīng)緩慢； ③ 成分分析針對不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿足。通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號和間接的溫度信號。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)重時會引起液泛。例如，當(dāng)進(jìn)料量不變時，對采用內(nèi)回流的塔，若塔頂采出量增大，則回流比勢必減少，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；同時操作壓力也將下降，各板上的氣液相組成發(fā)生變化。假如冷凝器還有過冷作用（即通常所稱的冷凝冷卻器）時，則冷劑量的減少，還會引起回流液溫度的升高?；亓鞅冗^大，將會造成塔內(nèi)物料的循環(huán)量過大，甚至能導(dǎo)致液泛，破壞塔的正常操作。 （5）回流比的大小對精餾塔精餾段操作的影響 操作中以改變回流比的大小來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)進(jìn)料溫度的變化幅度過大時，通常會影響整個塔身的溫度，從而改變汽液平衡組成。②改變回流比 組成變重時，加大回流比；組成變輕時，減少回流比。組份變輕，則塔頂餾份增加，釜液排出量減少。對于固定了精餾段塔板數(shù)的塔來說，將造成重組份帶到塔頂，使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，控制策略應(yīng)保持流量的基本恒定。 從以上分析可看出，改變操作壓力，將改變整個塔的操作情況，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，才可根據(jù)以上的分析，在工藝指標(biāo)允許的范圍內(nèi)，對塔的壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。③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。總的結(jié)果是：塔頂餾分中輕組分濃度增加，但數(shù)量卻相對減少；釜液中的輕組分濃度增加，釜液量增加。（1）精餾塔操作壓力的變化對精餾塔精餾段操作的影響塔的設(shè)計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。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大，否則會影響塔內(nèi)的氣液平衡，嚴(yán)重越限甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。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。（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。 精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）最大或總成本最小。這些都給自動控制帶來一定的困難，同時各塔工藝結(jié)構(gòu)特點千差萬別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點，進(jìn)行自動控制方案設(shè)計和研究。采用直接蒸汽加熱時，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。在實際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。當(dāng)物性無特殊要求時，一般是在稍高于大氣壓下操作。 苯甲苯精餾過程的操作條件 （1）操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。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，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進(jìn)入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。 kJ/kg，閃點為4 ℃，燃點為535 ℃。甲苯的熔點為95 ℃，沸點為111 ℃。苯比水密度低，但其分子質(zhì)量比水重。（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?。?） 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。 連續(xù)精餾裝置流程圖連續(xù)精餾的具體運行流程如下：①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)；②溶液進(jìn)入精餾塔之后，因各組分具有不同的沸點，從而導(dǎo)致低沸點低組分(即易揮發(fā)組分)汽化較易而往上升騰，而高沸點組分(即難揮發(fā)組分)則大多隨著液體向下流。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，在互相接觸過程中，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。浮閥的型式很多，國內(nèi)已采用的浮閥，如V1型、V4型、V6型、十字架型和A型，其中常用的是V1型和V4型。 （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。 （1） 處理能力大 浮閥在塔盤上可安排得比泡罩更緊湊。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。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。人們對于高效率、生產(chǎn)能力大、穩(wěn)定操作和低壓力降的追求，推動著苯甲苯精餾塔新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。 （4） 結(jié)構(gòu)簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。并且苯甲苯精餾塔應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。 （1） 生產(chǎn)能力大。為起吊方便，可在苯甲苯精餾塔上焊以吊耳。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。最常用的塔體支座是裙式支座（簡稱為“裙座”）。對于板式塔來說，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)對板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計、制造、檢驗、運輸和吊裝等各個環(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。 （1）塔體 塔體是苯甲苯精餾塔的外殼。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。但是長期以來，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，還有幾種裝有機械運動構(gòu)件的塔。因此，精餾塔的設(shè)計和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視?？稍诰s塔中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。3. 課題研究的內(nèi)容 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。精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量過程，其內(nèi)在機理復(fù)雜，動態(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極為重要的課題[1]。蒸溜的原理是蒸氣由塔底進(jìn)入。石油化工等大型生產(chǎn)過程主要采用的連續(xù)精餾。精餾過程通過反復(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。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)過程中廣泛應(yīng)用的一個傳質(zhì)過程。 實際生產(chǎn)過程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。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殘液取出。如串級控制系統(tǒng)、補償控制系統(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。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。據(jù)有關(guān)資料報道，精餾塔的投資費用占整個工藝設(shè)備投資費用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。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過程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分類的。 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，作為連續(xù)相的氣體自下而上流動，與液體逆流傳質(zhì)。 苯甲苯精餾塔的構(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。塔體除滿足工藝條件（如溫度、壓力、塔徑和塔高等）下的強度、剛度外，還應(yīng)考慮風(fēng)力、地震、偏心載荷所引起的強度、剛度問題，以及吊裝、運輸、檢驗、開停工等的影響。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強度和剛度，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。 （4）接管 苯甲苯精餾塔的接管是用以連接工藝管路，把苯甲苯精餾塔與相關(guān)設(shè)備連成系統(tǒng)。 （6）吊耳 苯甲苯精餾塔的運輸和安裝，特別是在設(shè)備大型化后，往往是工廠基建工地上一項舉足輕重的任務(wù)。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要求。當(dāng)苯甲苯精餾塔的氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。事實上，對于現(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到之處。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)過程。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔之所以廣泛應(yīng)用，是由于它具有下列特點。它的操作彈性為3～5，比篩板和舌形塔盤大得多。在常壓塔中每層塔盤的壓力降一般為400～。第2章 苯甲苯精餾塔的工藝生產(chǎn)流程 精餾原理 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)品的一種操作過程。石油化工行業(yè)中的精餾裝置大多采用的事連續(xù)運行的方式。 精餾裝置的作用（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。（4） 再沸器的作用 其作用是提供一定流量的上升蒸氣流。 苯甲苯分離的工藝流程冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器苯的儲罐苯　　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)品冷卻器甲苯的儲罐甲苯 苯甲苯分離工藝流程示意圖℃，℃，在常溫下是一種無色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。在空氣中，甲苯只能不完全燃燒，火焰呈黃色。甲苯的粘性為0,6 mPa s，也就是說它的粘稠性弱于水。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時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。最終，完成苯與甲苯的分離。對于沸點低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。 （2）進(jìn)料狀態(tài) 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。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對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。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它有多級塔板組成，內(nèi)在機理復(fù)雜，對控制要求較高。 精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，表現(xiàn)為：過程變量多，被控變量多，可操縱變量也多；過程動態(tài)和機理復(fù)雜，例如，非線性、時變、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。所謂產(chǎn)品的純度，就二元精餾來說，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。 （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)。防止液泛和漏液，可以塔壓降和壓差來監(jiān)視氣相速度。精餾操作過程的影響因素有以下幾方面：；；；；；；，防止對塔頂產(chǎn)品的數(shù)量和組成的影響。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，同時也改變了氣液相的重量比，使液相量增加，氣相量減少。 ②改變組份間的相對揮發(fā)度壓力增加，組份間的相對揮發(fā)度降低，分離效率下降，反之，組份間的相對揮發(fā)度增加，分離效率提高。當(dāng)塔壓改變時，混合物的泡點、露點發(fā)生變化，引起全塔的溫度發(fā)生改變，溫度和產(chǎn)品質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生改變。進(jìn)料流量影響物料平衡，也影響能量平衡。 （3）進(jìn)料組份的變化對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，精餾段的負(fù)荷增加。同時，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。進(jìn)料組成變化時，可采取如下措施：①改進(jìn)料口 組成變重時，進(jìn)料口往下改；組成變輕時，進(jìn)料口往上改?？偟膩碇v，進(jìn)料溫度降低，將增加塔底蒸發(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。因此，進(jìn)料溫度是影響精餾塔操作的重要因素之一。增加回流比，對從塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔來說，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。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，回流量勢必減少。眾所周知，采出量只有隨進(jìn)料量變化時，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會破壞塔內(nèi)的氣液平衡?；亓饕阂恢袛啵敎鼐蜕撸@同樣也會影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量下降。 精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，以及檢測點的位置等問題。近年來，成分檢測儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線應(yīng)用，為以成分信號直接作為質(zhì)量控制的被控變量，創(chuàng)造了現(xiàn)實條件。對于一個二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點和產(chǎn)品的成分有單值的對應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。串級控制是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量極為有效的方法，在過程控制中得到了