课程设计（论文）-精馏塔的均匀控制系统设计

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1、目录1 精馏塔控制系统介绍 .11.1 精馏塔原理 .11.2 控制要求及干扰因素 .12 设计任务及要求 .23 均匀控制系统 .23.1 均匀控制概念 .23.2 均匀控制系统特点 .44 设计方案选择 .54.1 方案一 简单均匀控制 .54.2 方案二 串级均匀控制 .55 系统各器件选型 .75.1 检测转换元件的选择、性能参数 .75.2 调节阀气开气关式选择 .96.系统仿真与分析 .117.小结与体会 .12参考文献 .131精馏塔的均匀控制系统设计1 精馏塔控制系统介绍1.1 精馏塔原理精 馏 塔 是 进 行 精 馏 的 一 种 塔 式 汽 液 接 触 装 置 ， 又 称 为

2、 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 汽 由 塔 底 进 入 ， 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 蒸 汽 中 转 移 ， 蒸 汽 中 的 难 挥 发 (高 沸 点 )组 分 不 断地 向 下 降 液 中 转 移 ， 蒸 汽 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

3、集 ， 达 到 组 分 分 离 的 目 的 。 由 塔 顶 上 升 的 蒸汽 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 ，热 蒸 发 后 ， 蒸 汽 返 回 塔 中 ， 另 一 部 分 液 体 则 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（ 相 对 挥 发 度 ） 的 特 性

4、， 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 。1.2 控制要求及干扰因素为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求:(1) 保证产品质量。以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控制系统。(2) 保证平稳生产。首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液2量应保持在限定的范围内;最后要控制塔内压力稳定。(3) 满足约束条件。系统必须满足一些参数的极限值所限定的约束条件

5、,如塔内气体流速的上下限、塔内压力极限值等。(4) 节能要求及经济性。主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。影响产品质量指标和平稳生产的主要干扰因素有: 进料流量( F) 的波动 ; 进料成分 ( ) 的变化; 进料温度( TF) 和进料热焓值( QF) 的变化;再沸器加热剂输入热量的变化; 冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化; 环境温度的变化。2 设计任务及要求精馏塔控制系统主要分为三部分控制：（1） 塔釜温度控制 精馏塔塔釜温度是产品成分的间接质量指标,要求温度检 测点在系统受到干扰时温度变化灵敏,因此塔内测温点设置在灵敏板上,通过控制再沸器蒸汽流量来实现温度的稳定。本部分可采用前馈-

6、串级控制系统,可降低对调节阀的要求。（2） 塔顶回流量控制 为保证精馏塔物料平衡,使其平稳运行,要控制塔顶和塔底采出量,对塔顶采出用回流量来控制,构成回流罐液位- 回流量串级控制系统。（3） 塔釜采出量控制第一精馏塔和第二精馏塔是物料连续的过程,第一塔的出料为第二塔的进料,工艺要求第一塔的液位稳定在一定的范围内,第二塔的进料量必须平稳,如果设置2 个单回路控制系统进行控制,2 个控制系统将会发生矛盾,解决这个矛盾的有效办法就是采用均匀控制系统。本次设计任务是针对塔釜采出量设计均匀控制3 均匀控制系统3.1 均匀控制概念均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像一个简单液

7、位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在3怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的。石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。现以连续精馏的多塔分离过程为例，如图 1 所示前后精馏塔供求关系。图 1 前后精馏塔的供求关系显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。对于甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板

8、者除外） ，影响分离效果，为此装有液位控制系统。当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。显然，这是与甲塔的液位控制系统的 工作是相互矛盾的，以致两个系统都无法正常工作。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一

9、种理想的办法。现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，以满足前后两塔的不同要求。对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分4发挥它的缓冲作用。也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变） 。因为：出入 QdtHA要起缓冲作用，就要借助于 的变化。例如， 变化 2，可以调节使入H 变化 1，Q 出 变化 1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。因此，均匀控制不是指控制

10、系统的结构，而是指控制目的而言。是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。3.2 均匀控制系统特点均匀控制的特点有如下三条：(1)表征前后供求关系的两个参数是矛盾的；(2)两个参数应该是缓慢变化的；(3)两个参数只能在允许的范围内波动。如图 2 所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。 （a）是单纯的液位定值控制；（b）是单纯的流量定值控制；（c）是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。图 2 液位与流量几种不同变化情况54 设计方案选择4.1 方案一 简单均匀控制如图 4-1 所示为精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统。从方案外表上看，他像一个单

11、回路液位定值控制系统，并且确实常被误解。所不同的主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。在所有均匀控制系统中都不需要，也不应该加正微分作用，恰恰相反有时需要加反微分作用，一般采用纯比例控制，有时可用比例积分控制作用。而且在参数整定上，一般比例度要大于100%，且积分时间也要放的相当大，这样才能满足均匀控制要求。该方案结构简单，但他对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。简单均匀控制系统适用于：进料量为主干扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。 （自衡能力弱指：当流量变化很激烈，而液位变化很小）图 4-1 简单均匀控制系统4.2 方案二 串级均匀控制如图 4-2 所示是蒸

12、馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级6控制对副环的要求相同。而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。图 4-2 串级均匀控制系统其工作过程如下：当甲塔液位上升，导致液位调节器输出增大，流量调节器输出增大，控制阀门缓慢增大；反映在工艺参数上，液位不是立即快速下降 ，而是继续缓慢上升，乙塔的进料量也缓慢增加。液位与流量均缓慢地变化，实现了均匀协调的控制目的；当乙塔的

13、进料量增大，首先通过流量调节器使控制阀门开度缓慢减小；当这一作用使甲塔的液位下降时，液位调节器输出减小，进一步缓慢改变调节阀的开度，使系统工作在新的平衡点。主副控制器一般采用比例或比例积分控制律。主控制器的参数整定与简单均匀控制系统相同，副控制器的参数整定一般为 =100200% ，Ti 为 0.11分钟简单均匀控制系统只适用于干扰较小、对流量均匀程度要求不高的场合,为提高控制效果,本设计采用液位- 流量串级均匀控制系统。要达到均匀控制的目的,主、副控制器中都不应有微分作用,液位控制器选择PI 控制作用,流量控制器选择比例控制作用,整控制器参数时注意控制作用要弱。串级均匀控制系统既可使第一塔的液位保持在 允许的范围之内,又可使第二塔进料保持平稳,维持了产品生产前后工序的协调,保证了设备稳定运行。液位- 流量串级均匀控制系统方框图如图4-3所示。7图4-3液位- 流量串级均匀控制系统方框图5 系统各器件选型5.1 检测转换元件的选择、性能参数本系统需要使用的检测转换元件为流量检测转换元件和液位检测转换元件，下面分别介绍这两种检测转换元件。一、流量检测转换元件在工程上，流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量，其常用的计量单位有以下三种：1）体积流量 Q 单位时间内通过某一截面的物料体积，用立方米每小时（m 3/h）,升每小时（l/h）等单位表示。