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1、中北大学课程设计说明书1第 1 章 精馏概述精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。轻组分的转移提供能量；，对控制系统的设计冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂。因此，熟悉工艺过程和内在特性十分重要。1.1 精馏原理以
2、及工业流程精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。 中北大学课程设计说明书2图 1.
3、1 连续精馏装置工艺流程图第第 2 2 章章 控制系统设计控制系统设计2.1 单回路控制系统简介2.1.1. 单回路控制系统的结构和类型单回路控制系统又称简单控制系统。是指由一个被控对象，一个检测元件及变送器一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。其方框图如图 2-1 所示。单回路控制系统结构简单，易于分析设计，投资少，便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此，在生产过程中得到了广泛的应用。设计一个控制系统，首先应对被控对做全面的了解。除被控对象的动态特性为，对于手工艺过程，设备等也需要比较深入的了解。在此基础上，确定正确的控制方，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件
4、及检测位置，选用恰当的执行器，调节器以及调节器的控制规律等。最后将调节器的参数整定到最佳值中北大学课程设计说明书3图 2-1 控制系统方框图2.1.2.2.1.2.单回路控制系统的选用原则单回路控制系统的选用原则主要有：1.作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要小；2.若被控变量信号无法直接获得取，可选择与之有单函数关系的见解参数作为被控变量；3.作为被控变量，必须是独立的变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系确定；4.作为被控变量，必须考虑工艺和理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。2.2 精馏塔精馏段温度控制系统设计方案当精馏塔顶采出液作为主要产品
5、时，往往按精馏塔精馏段指标进行控制。采用精馏段指标控制的具体场合有：对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格；全部为气相进料；塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不显著，或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。2.2.1.精馏塔精馏段被控变量的选择通常，精馏段的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。采用温度作为间接质量指标，对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控变量。对于多元精馏塔。由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对
6、应关系，误差较小。因此，绝大多数精馏塔精馏段质量控制仍采用温度作为间接指标。2.2.2精馏段温度控制系统温度检测点选择中北大学课程设计说明书4根据温度检测点的位置不同，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。塔顶温度控制方案对温度检测装置提出较高要求，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对温度的扰动，因此，该控制方案很少采用，主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。采用精馏段灵敏板温度作为被控变量，能够快速反映产品成分的变化。该塔板在扰动正反向变化时具有相接近的较大的增益。但是塔板效率不易准确估计，而且灵敏板位置需通过仿真计算或实测确定。中温通常指加料板稍上或稍下的塔板，或加料板的温度。
7、采用中温作为被控变量，可以兼顾塔顶和塔底成分，及时发现操作线的变化。但因不能及时反映塔顶或塔底产品的成分，因此，不能用于分离要求较高、进料浓度变化较大的应用场合。综合比较，本系统采用灵敏板温度作为被控变量比较方便和贴近实际生产情况。三精馏塔精馏段温度单回路控制系统设计精馏塔有多个被控变量和操作变量，合理的将这些变量配对，并依此设计控制系统有利于精馏塔的平稳操作和塔效率的提高。根据欣斯基关于精馏塔控制的三条准则-仅需要控制塔一端产品时，选用物料平衡方式；塔两端产品流量较小时，应作为操作变量去控制两端产品质量；如果两端都进行质量控制时，杂质较多的一端采用物料平衡控制，杂质较少的一端采用能量平衡控制
8、。如下图 2-2，为精馏塔精馏段直接物料平衡控制。该方案的被控变量是精馏段的温度，操纵变量为塔顶出液 D，加热气量不变。优点是物料和能量平衡之间的关联较小，内回流受环境温度影响小，有利于精馏塔的平稳操作，另外，由于操纵变量是 D，所以，若产品不合格则可以马上停止进料。中北大学课程设计说明书5图 2-2 精馏塔精馏单回路控制图第第 3 3 章章 硬件选型硬件选型3.1 控制系统调节器的选型在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它将来自变送器的测量信号 VI与调节器的内给定或外给定信号 VS进行比较，得到其偏差 e,有 e=VI-VS ,然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算
9、，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控变量如温度、液位、压力和流量等的自动控制作用。调节器的分类方法很多，按使用的能源来分，有气动调节器和电动调节器；按结构形式分有基地式调节器、单元组合调节器和组装式调节器。单元组合调节器有气动单元组合调节器和电动单元组合调节器。共有 I 型、II 型和 III 型调节器。由于 DDZ-III 型调节器性能优越，易于与计算机联用。因此，本设计的调节器选择使用 PID 算法的 DDZ-III 型调节器。3.2 单回路调节器的选型调节器 选用 DDZ型电动调节器，具 体型号为 DTZ2100 主要技术指标：中北大学课程设计说明书63.33.3 执行器的选型
10、执行器的选型3.3.13.3.1执行器执行机构选型执行器执行机构选型执行器接受来自调节器的输出信号，并转换成直线位移或角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出的被控过程的物料或能量，实现过程参数的自动控制。根据使用的能源种类，执行器可分为电动执行器，气动执行器和液动执行器。常规情况下三种执行器的主要特性比较见表 3.1。中北大学课程设计说明书7表 3.1 执行器主要特性比较主要特性气动执行器电动执行器液动执行器构造简单复杂简单体积中小大配置管线较复杂简单复杂推力中小大动作滞后大小小维护检修简单复杂简单使用场合适用于防火防爆不适用于防火防爆要注意火花价格低高高综合比较三种执行器的特性，
11、设计采用气动执行器比较适宜。图 3-1：阀门定位器与气动调节机构配套使用原理图 中北大学课程设计说明书8图 3-2 配气动薄膜调节阀的电气阀门定位器3.3.2.3.3.2.调节阀的选择调节阀的选择调节阀是过程控制系统中，一个极其重要的环节，对它的选择正确与否直接影响到过程控制系统的控制质量。严重时甚至系统不能正常运行，因此，必须高度重视调节阀中北大学课程设计说明书9的选型。一般应根据被控介质的特点和生产工艺要求来合理选择，主要考虑以下几个问题：1.调节阀的尺寸选择。调节阀接管的尺寸通常用公称直径 Dg和阀座直径 dg 来表示。Dg和 dg 是根据计算出来的调节器的流通能力来确定的。具体选型可参
12、照调节阀流通能力与其尺寸之间的关系表。例设计管道最大体积流量为 40m3/ h，流体密度为 0.05g/cm3 ,阀前后压差为 p=0.2Mpa,查表得 Dg=40mm, dg=40mm。2.调节阀的气开、气关选择。在生产过程中，调节阀的气开气关形式的选择，主要从生产工艺的安全来考虑，当气源一旦中断，阀门处于全开或全关状态，应能保证生产过程的设备和人身安全。蒸汽加热器选择气开调节阀，一旦气源中断，阀门就处于全关状态停止加热。由于本设计中其他调节阀要对物料流量进行精度调节，也应选择气开式调节阀，气源中断，阀门就得立马全关。3.单座阀和双座阀的选择。通常在对泄漏量有严格要求，低静压、低压差和小口径
13、的场合应选择单座阀；而在对泄漏量无要求，高静圧、高压差和大口径的场合，应选择双座阀。本设计，涉及到的工业现场为精馏操作，所以选择直通单座阀。3.4 检测变送仪表的选型在精馏塔精馏段温度单回路控制系统中 1.温度变送器的选型。温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制根据测量精度和测量范围等要求，选用 K 型镍铬-镍硅热电偶为温度传感 器。中北大学课程设计说明书10第第 4 4 章章 控制系统辨识控制系统辨识41 精馏塔的特性精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。4.1.1 精馏塔的静态特性一个精
14、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中北大学课程设计说明书11衡关系。图 6.1-1 所示的精馏过程，其物料平衡关系为：总物 （1.2-BDF1）轻组分 （1.2-BDfxBxDzF2）由式（6.2-1）和（6.2-2）联立可得：BBfDxxzDFx)(BDfD xxzxFD （1.2-3）式中 、分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；FDB、分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。fzDxBx从上述关系可看出：当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即、FDDx下降。而当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即、上升。BxFBDxBx然而，在（或）一定
15、，且一定的条件下并不能完全确定、的数值，FDFBfzDxBx只能确定与之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定与DxBxDx两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。Bx在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度 可用下式s表示：（1.2-)1 ()1 (DBBD xxxxs4） 从上式可见：随着分离度 的增大，而减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离sBx度 的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以s中北大学课程设计说明书12及塔内上升蒸汽量和进料量的比值等。对于一个既定的塔来说：VF（1.2-)(FVfs 5） 式（6.2-6）的函数关系也可用一近似式表示：（1.2-FV In)1 ()1 (DBBD xxxx 6）式中为塔的特性因子。由式（2.2-6） 、 （2.2-7）可以看出，随着增加， 值提高。也就是增加，FVsDx下降，分离效果提高了。由于是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示BxV塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：的增FV大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要和一定，这个它的分离结果，FD/FV即与将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方
