精馏塔塔釜温度控制系统设计

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1、精馏塔塔釜温度控制系统设计辽宁工业大学过程控制系统 课程设计（论文）题目：精馏塔塔釜温度控制系统的设计院（系）： 指导教师：（签字 起止时间：精馏塔塔釜温度控制系统设计 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化学 号 设计题课程设计(论文)任务亠 冲y精馏塔塔釜温度控制系统的设计*1#f II II 、I 八 ,I, . 、_ 、|课题完成的设计任务及功能?丿漫剰裁术参数实现功能设计精馏塔塔釜温度控制系统精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置，通过精馏操作可将由多组分组成的混合物分离成较纯组分的产品。精馏塔温 度是保证分离纯度的重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回 流到

2、塔内，一方面保证精馏塔温度恒定，另一方面保证生产的 连续性。工艺要求塔釜温度控制在800 0.5 C。在生产过 程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从05Mpa突然下 降到0.3Mpa，压力变化了 40%。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和 参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、仿真分析/实验测试分析；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说 明书应在4000字以上。技术参数测量范围：01000C ；控制温度：800 0.5 C；最大偏差：15C。精馏塔塔釜温度控制系统设计注：成绩：

3、平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要本系统利用工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温 度控制系统。通过选用铂铑10铂热电偶传感器、ZMAP-16P DN15 气动调节阀、DT2031数字调节器、热电偶温度变送器来实现。系统设 计主要包括控制方案的设计和系统各仪表选型，软件设计，系统仿真四 大部分。软件设计采用 DCS 组态来完成，并完成了系统监控画面。系 统仿真采用 MATLAB 进行仿真，并得出仿真图。本系统便是基于工业 生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统，通过对 工业生产过程控制，来实现对精馏塔塔釜温度的控制。此次设计就是要 设计一个精馏塔

4、塔釜温度的串级控制系统。要求当物料进入精馏塔时， 塔釜的温度可控并且温度恒定，保证生产的连续性。关键词：精馏；温度控制；PID目录第1章 绪论0第2章 控制方案的设计22.1 设计要求22.2 方案设计22.2.1 塔釜温度的前馈控制 32.2.2 塔釜温度的串级控制 42.2.3 塔釜温度的反馈控制 5第3章 系统各仪表选型73.1 温度传感器的选择73.2 执行器的选择83.3 调节器的选择934压力变送器的选择93.5温度变送器的选择113.6控制器的正反作用选择12第4章 软件设计124.1 系统控制流程图124.2 DCS 组态 13第5章 系统仿真1 55.1 PID控制器的参数整

5、定155.2凑试法确定PID参数165.3 切线法确定被控对象的传函1654系统 MATLAB仿真分析20第6章 课程设计总结23参考文献24第1章 绪论精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置。有板式塔及填 料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔及间歇精 馏塔。蒸气由塔底进入。蒸发出的气相及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）组分不断地向气相中转移， 气相中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，气相愈接 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 发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相 进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回

6、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，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作 为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝，利 用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，a）的特性，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。近年来出现的超重力精馏技术，利用高速旋转产生的数百至 千倍重力的超重力场代替常规的重力场，极大地强化气液传质过 程，将传质单元高度降低1 个数量级。从而使巨大的塔设备变为 高度不到2米的超重力精馏机，达到增加效率、缩小体积的目的。 超重力精馏改变了传统的塔

7、设备精馏模式，只要在室内厂房里就 可以实现连续精馏过程。对社会的发展而言可节省钢材资源，延 长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约场地及空 间资源，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降 低生产劳动强度，增加生产的安全性。精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。 它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶 液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点 较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部 分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高， 也就是说在提馏段上升的轻组分的易挥发组分逐渐增多，难挥发 组分逐渐减少

8、，而下降液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增多，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。 精馏塔塔釜温度控制的稳定及否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进 一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避 免轻约分流失，提高物料的回收率；也可减少残余物料的污染作 用。影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如 进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精 馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控 制的。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵 敏的一块塔板。以往调节只是采用灵敏板温度

9、调节器单一回路调 节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难 保证。从上述干扰分析来看，有些干扰是可控的，有些干扰是不可 控的。从而选择一种可靠并且稳定的控制系统来控制精馏塔塔釜 的温度是非常重要的。第2章 控制方案的设计2.1 设计要求精馏塔塔釜温度控制系统的设计要求如下：1塔釜温度控制在80005C;2生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，要保证精馏 塔正常工作;3塔釜及相关期间要经济实用。2.2 方案设计精馏塔的干扰因素：1进料量波动的影响;2进料成分波动的影响;3进料温度波动的影响;4蒸汽压力波动的影响; 5回流量和冷剂量波动的影响。精馏塔的扰动如图2- 1：图 2-1

10、 系统扰动根据扰动的分析，系统设计方案主要考虑前馈，反馈和串级 三种控制方案。2.2.1 塔釜温度的前馈控制首先介绍什么叫静态前馈控制，即静态前馈控制的原理。所 谓静态前馈控制原理就是指前馈控制器的输出信号仅仅随着输入 信号(干扰信号)d大小的函数，而及时间因子t无关。因此， 前馈控制作用可以简化为：M = f (d)(2-1)通常将上式的关系近似的表示为线性关系，则前馈控制器就 仅仅参考器静态放大系数作为矫正的依据，即：W (s)二 K 二K / K(2-2)式中，K，K分别为干扰通道和控制通道的放大系数，一般 来说K可以用实验方法来获得，如果有条件列写对象有关参数的 静态方程，则可以通过计

11、算来确定。在精馏塔塔釜的温度控制中，扰动可以测量但是不好控制，并 且干扰幅度较大。蒸汽压力的变化是塔釜温度的主要干扰量，控 制对象则是塔釜的温度。塔釜温度前馈控制的系统框图和塔釜温度前馈控制工节结点图如 2-2、2-3 所示：扰动输出k执行器 k被控对象-图2-2塔釜温度前馈控制的系统框图串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节 器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个 控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节 器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、 副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主 被控过程上的，而不包括

12、在副回路范围内的扰动。二次扰动：作 用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调 节器及再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度 进行控制。其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽 流量调节器是副调节器。塔釜温度串级控制工艺结点图如2-4所 示：塔釜温度串级控制示意图如图 2-5 所示：蒸汽图24塔釜温度串级控制工艺节点图设定值 被控变量通过实际改造和使用，串级调节及单回路控制相比较，串级控 制有许多优点：1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响 大为减小。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主 副两

13、个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了 对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出2、及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。3、适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定 值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系 统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正 副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很 高，随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型 控制系统的应用和普及，精馏塔的分离质量将会越来越好，分离 精度也将会越来越高。2.2.3 塔釜温度的反馈

14、控制在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也5 / 31包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回 路。 m反馈控制系统由控制器、控制对象和反馈通路组成如图2-3 所示。图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入及输出相减， 给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能及控制器一起统称为 调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子;；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度，一般用电压表示。炉温用热 电偶测量，代表炉温的热电动势及给定电压相比较，两者的差值 电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。塔釜温度反馈控制的系统框图和塔釜温度反馈控制的工艺节点图如图2-

15、图 2-6 塔釜温度反馈控制的系统框图2-7塔釜温度反馈控制的工艺节点图同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制 系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要 被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因 此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善 系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且 增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动 变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作 为反馈控制的补充而构成复合控制系统。系统本身的工作效果， 反过来又作为信息指导该系统的工作，叫做反馈调节。开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。但反馈回路的 引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不 稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用 按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制 系统。由于前馈控制因不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不 需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。由于本 设计主要考虑物料、压力等物理量