讲新课 课程名称 过程控制工程 课 型 (精馏塔的基本关系、 控制要求、 干扰因素及 其特性) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 17.精馏塔的控制 17.1概述 17.1.1精馏塔的基本关系 教学内容 17.1.2精馏塔的控制要求 17.1.3精馏塔的干扰因素 17.2精馏塔的特性 通过本课学习，使学生能够了解精馏塔的分类，理解精馏塔的基本关 教学目的 系、控制要求和特性 教学重点 精馏塔的基本关系和控制要求 难点：精馏塔的基本关系 教学难点 策略： 及相应的 以一个简单的二元精馏塔为例，说明精馏塔的基本关系 教学策略 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （精馏塔的基本关系、 控制要求、干扰因素及 其特性） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 17. 精馏塔的控制 17.1 概述 17.1.1 精馏塔的基本关系 17. 1. 2 精馏塔的控制要求 17. 1. 3 精馏塔的干扰因素 17.2 精馏塔的特性 教学目的 通过本课学习，使学生能够了解精馏塔的分类，理解精馏塔的基本关 系、控制要求和特性 教学重点 精馏塔的基本关系和控制要求 教学难点 及相应的 教学策略 难点：精馏塔的基本关系 策略： 以一个简单的二元精馏塔为例，说明精馏塔的基本关系 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 教学方法 分配 教学过程 手段 17.精馏塔的控制 17.1概述 过程工业中广泛使用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料的组分进行分 离 机理： 利用混合物中各组分的挥发度（沸点）不同，或在相同温度下，各组分的蒸 汽分压不同，轻组分（液相中）和重组分（汽相中）相互转移 精馏塔系统P213图17-1 精馏塔从结构上可分为：板式塔和填料塔 板式塔根据结构又可分为：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、 浮舌塔 概 填料塔是另一类传质设备，它的主要特点是结构简单，易用耐蚀材料制作， 阻力小等 在实际生产过程中，精馏操作可分为间做精馏和连续精馏两种 精馏塔的系统特点： MMO系统、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、能耗大 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 的控制方案是 个极为重要的课题。 二元精馏系统图17-1 探究式 讲授法 LD 热 釜液，B, -1
- 1 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 精 馏 塔 控 制 概 述 15 分 钟 17. 精馏塔的控制 17.1 概述 过程工业中广泛使用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料的组分进行分 离 机理： 利用混合物中各组分的挥发度（沸点）不同，或在相同温度下，各组分的蒸 汽分压不同，轻组分（液相中）和重组分（汽相中）相互转移 精馏塔系统 P213 图 17-1 精馏塔从结构上可分为：板式塔和填料塔 板式塔根据结构又可分为：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、 浮舌塔等 填料塔是另一类传质设备，它的主要特点是结构简单，易用耐蚀材料制作， 阻力小等 在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种 精馏塔的系统特点： MIMO 系统、相互关联、机理复杂、动态响应迟缓、能耗大 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。 二元精馏系统 图 17-1 探究式 讲授法 热剂 釜液,B,xB LB F,zf 冷剂剂 LD D,xD L V
17.1.1精馏塔的基本关系 精馏操作的影响因素很多，这些扰动因素都是通过物料平衡和能最平衡的形 式米影响塔的操作。 一个塔的物料平衡和能量平衡之间又是互相影响的，因此， 探究式 分析各种因素对一个塔正常操作的影响，从而确定合理的控制方案。首先必须弄 讲授法 清精馏塔中的基本关系：物料平衡和能最平衡关系。 二元精馏系统图17-1 (1)物料平衡 多媒体 个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料以及任一组分都符合物 演不法 料平衡。 图17-1所示的精馏过程，其物料平衡关系： F=B+DB、D:塔釜、塔顶馏出液 板书、 Fxf-DxD+BxBD、XB:塔釜、顶轻组分含量 互动法 的基 6-+ D=1-%8 Fxp-X8 BXD-=1 Fxp-X8 物料平衡方程： D/F↑：xBD! B/P↑：xBxD↑ (2)能量平衡 分离度 s：xB↑xD xg(1-xp) 影响分离度s的因素很多，诸如平均相对挥发度、理论塔板数、搭板效率、 进料组分、进料板位置，以及塔内上升燕汽量V和进料最F的比值等。 能量平衡方程 卡-an Xg(I-xp) 表征了s与V/尔的关系V/F增加，s也增加 但能耗增加 对于特定的塔，进料组分一定，只要D/P和V/P一定，塔顶和塔底的组分 就可确定。 也就是说由一个塔的物料平衡与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶与 塔底组分两个待定因数。保持回流比RL/D一定，就确定了分离结果是一致的， -2
- 2 - 精 馏 塔 的 基 本 关 系 15 分 钟 17.1.1 精馏塔的基本关系 精馏操作的影响因素很多，这些扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形 式来影响塔的操作。一个塔的物料平衡和能量平衡之间又是互相影响的，因此， 分析各种因素对一个塔正常操作的影响，从而确定合理的控制方案。首先必须弄 清精馏塔中的基本关系：物料平衡和能量平衡关系。 二元精馏系统 图 17-1 （1）物料平衡 一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物 料平衡。 图 17-1 所示的精馏过程，其物料平衡关系： F=B+D B、D：塔釜、塔顶馏出液 Fxf=DxD+BxB xD、xB ：塔釜、顶轻组分含量 物料平衡方程： D/F ↑：xB xD↓ B/F ↑： xB xD ↑ （2）能量平衡 分离度 s↑: xB↑ xD↓ 影响分离度 s 的因素很多，诸如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、 进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量 V 和进料量 F 的比值等。 能量平衡方程 V：上升蒸汽量 表征了 s 与 V/F 的关系 V/F 增加，s 也增加， 但能耗增加 对于特定的塔，进料组分一定，只要 D/F 和 V/F 一定，塔顶和塔底的组分 就可确定。 也就是说由一个塔的物料平衡与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶与 塔底组分两个待定因数。保持回流比 R=L/D 一定，就确定了分离结果是一致的。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法 D f B B z x x D F x = ( − ) + B f D D z x x B F x = ( − ) + D B f B x x z x F D − − = D B D f x x x z F B − − = (1 ) (1 ) B D D B x x x x s − − = (1 ) (1 ) ln B D D B x x x x F V − − = β ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ≈ F V s f
17.1.2精馏塔的控制婴求 在保证产品合格的情况下，总收益最大或总成本最小具体对一个精馏塔来 说，需从4个方面考虑，设置必要的控制系统。 (1)产品质量控制 塔顶或塔底的纯度合格 探究式 精馏 所谓产品的纯度，对二元精馏来说，其质量指标是塔顶产品中轻组分（或 讲授法 塔的 重组分)含量和塔底产品中重组分（或轻组分）含量。对多元精馏，则以关键组 分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分。 (2)物料平衡控制 及其 进出物料平衡，即塔顶、塔底猜出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平 干扰 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 因素 塔釜液位一定为目标的。 (3)能量平衡生 精馏塔的输入、输出能最平衡，使塔内的操作压力维持稳定。 (4)安全控制 多媒体 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。 演示法 钟 17.1.3糟馏塔的干扰因素 结榴塔的主题干扰因素为进料状态。即讲料流量、进料组分、讲料温府或热 此外，冷剂与加热剂的压力和温 度及环境温度等因素， 也会影响精馏塔的可 衡操作； 17.2精馏塔的特性 自问自 精馏塔是一个多变量、时变、非线性的对象。要建立整塔的动态方程，首先 答形式 要对结塔的各部分：特馏段、提留段各塔板、进料板、塔顶冷凝器、回流递 塔釜、再沸器等，分别建立各自的动态方程， 馏塔 17.21精馏塔的静态特性 (1)物料平衡关系 (2)能量平衡关系 特 17.2.2精馏塔的动态特性 (1)动态方程的建立 (2)动态影像的分析 a)上升蒸汽和回流的影响： 10 b)组分滞后的影响： 分 ©)回流储罐液量和塔釜储液量引起的滞后影响。 上述动态影响的分析，在设计和选择精馏塔的控制方案时，应当予以考虑 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2布置课后练习及下节课预习任务。 探究式 分 课后练习： 讲授法 预习：
- 3 - 精馏 塔的 控制 要求 及其 干扰 因素 8 分 钟 精 馏 塔 的 特 性 10 分 钟 17.1.2 精馏塔的控制要求 在保证产品合格的情况下，总收益最大或总成本最小.具体对一个精馏塔来 说，需从 4 个方面考虑，设置必要的控制系统。 （1）产品质量控制 塔顶或塔底的纯度合格 所谓产品的纯度，对二元精馏来说，其质量指标是塔顶产品中轻组分（或 重组分）含量和塔底产品中重组分（或轻组分）含量。对多元精馏，则以关键组 分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分。 （2）物料平衡控制 进出物料平衡，即塔顶、塔底猜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 塔釜液位一定为目标的。 （3）能量平衡控制 精馏塔的输入、输出能量平衡，使塔内的操作压力维持稳定。 （4）安全控制 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。 17.1.3 精馏塔的干扰因素 精馏塔的主要干扰因素为进料状态。即进料流量、进料组分、进料温度或热 焓。此外，冷剂与加热剂的压力和温度及环境温度等因素，也会影响精馏塔的平 衡操作。 17.2 精馏塔的特性 精馏塔是一个多变量、时变、非线性的对象。要建立整塔的动态方程，首先 要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板、进料板、塔顶冷凝器、回流罐； 塔釜、再沸器等，分别建立各自的动态方程。 17.2.1 精馏塔的静态特性 （1）物料平衡关系 （2）能量平衡关系 17.2.2 精馏塔的动态特性 （1）动态方程的建立 （2）动态影像的分析 a)上升蒸汽和回流的影响； b)组分滞后的影响； c)回流储罐液量和塔釜储液量引起的滞后影响。 上述动态影响的分析，在设计和选择精馏塔的控制方案时，应当予以考虑。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 自问自 答形式 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法
进断课 课程名称 过程控制工程 课 型 (精馏塔被控变最的选 择、精馏塔的整体控制 方案概述) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 17.3精馏塔被控变量的选择 17.4精偏塔的整体控制方案 教学内容 17.41物料平衡控制方案 17.42质量指标控制 教学目的 通过本课学习，使学生学会怎样选择精馏塔的被控变量 教学重点 精馏塔被控变量的选择 难点：精馏塔被控变量的选择 教学难点 策略： 及相应的 通过教师分析讲解精馏塔被控变量的选择 教学策略 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多煤体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
- 4 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （精馏塔被控变量的选 择、精馏塔的整体控制 方案概述） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 17.3 精馏塔被控变量的选择 17.4 精馏塔的整体控制方案 17.4.1 物料平衡控制方案 17.4.2 质量指标控制 教学目的 通过本课学习，使学生学会怎样选择精馏塔的被控变量 教学重点 精馏塔被控变量的选择 教学难点 及相应的 教学策略 难点：精馏塔被控变量的选择 策略： 通过教师分析讲解精馏塔被控变量的选择 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合