精馏塔提馏段串级控制系统设计

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1、精馏塔提馏段串级控制系统设计目录引言1第一章精馏塔的自动控制 31.1控制目的31.2精馏塔的扰动分析 4-1.3精馏过程5第二章精馏塔的特性92.1静态影响的分析 92.2动态影响分析 192.3补偿方法162.4精馏塔的质量指标控制 18第三章串级控制理论213.1 串级控制系统的结构213.2 串级控制系统的基本原理223.3 串级控制系统的分析243.4 串级控制系统的设计和控制器的选择263.4.1 主、副回路的设计263.4.2 主、副控制器规律的选择273.4.3 主、副控制器正反作用的确定283.4.4 串级控制系统 PID 参数的整定28第四章 精馏塔提馏段串级控制系统的设计

2、344.1 控制方案的确定344.2 提馏段温度控制系统的设计35第五章 仿真研究395.1 提馏段温度串级控制系统仿真模型395.1.1 测量变送环节单元395.1.2 执行器 /控制阀405.1.3被控对象405.2控制器的参数整定 415.2.1副回路的整定415.2.2主回路的整定435.3蒸汽压力扰动的仿真分析 455.4进料量扰动的仿真分析 465.5单回路控制系统的 MATLAB仿真与扰动分析 -47结论50# / 53精馏塔提馏段串级控制系统设计引言“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。随着科学技 术的快速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，

3、 起到了提高质量、节约原材料和能源，而且在减少环境污染上也起到了十分 重要的作用，所以，它在规模大和结构复杂的工业生产过程中是必要的组成 部分1 。精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔 的控制直接影响到产品的产量、质量和能量的消耗，同时各塔工艺结构特点 各不相同，这就需要对其特性进行深入分析，针对具体塔的特点，进行自动 控制方案的设计和研究。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提 下，使精馏塔釜液为主要产品时，经常按提馏段的指标来进行控制。如果是 按照液相进收率最高、能耗最小，或使总收益最大。在这种情况下，为了能 够更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。

4、按提馏段指标的控制方案：当进料量为液相时，也常常采用这种方案。 这是因为在液相进料时，对于进料量的变化，首先影响到精馏塔塔底产品的 浓度，由于塔顶或精馏段塔板上的温度不能够很好的反映出浓度的变化，所 以采用提馏段温度控制。另外，提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，以 改变再沸器加热量作为温控手段的方案，就是所说的提馏段温控。精馏是化 工、炼油生产领域中极为广泛的传质传热过程，目的是将混合物中的各组分 分离，达到规定标准的纯度。比如说，石油化工生产中的中间产品裂解气， 需要通过精馏操作进一步分离成要求很高纯度的乙烯、丙烯、丁二烯与芳烃 等化工原科。精馏过程的实质，是利用混合物中各组分具有不同的沸

5、点，也 就是说， 使液相中的轻组分转移到气相中， 而气相中的重组分转移到液相中， 从而达到分离的目的。此外，对于精密精馏，如果没有相应的自动控制和它 配合，就很难达到预想的效果。所以，精馏塔的自动控制极为重要，同时也 很受人们的关注。精馏过程中的主要设备就是精馏塔。有关精馏塔的结构设计有各种各样 的类型，但一个精馏塔一旦投入使用，塔板的结构和数量就不容易改变，在 其精馏塔的整个运行过程中，只能通过操作条件的不断变换来保证产品的质 量。从工程控制的角度出发，希望能更好地控制精馏塔来保证产品质量，提 高产品产量和降低能量消耗。目前一般的精馏塔和它的附属设备中，大多数 工艺参数均已得到了测量和控制。

6、如果仅仅是从每个单独的控制回路着手来 改进一个塔的性能，都会遇到难以克服的困难。之所以控制方案多，是因为 在精馏塔的操作过程当中， 被控的变量比较多， 可以选用的操纵变量也很多， 同时又可有各种不同组合。由于精馏塔是一个高阶对象，动态响应缓慢，所以较难控制，剧烈的波 动易出不合格产品。因此工艺对精馏塔操作的基本要求是能达到规定的产品 分离度，并且能量的消耗要小。常规上，采用了串级控制系统。#标就是为塔顶产品中 含量和塔底产品中的 但是，对于多元精馏, 来描述质量指标。所 品质量影响较大的组 顶馏出的关键组分， 发度较小由塔底馏出 键组分。第一章精馏塔的自动控制1.1控制目的要对精馏塔实施有效的

7、控制，必须首先清楚精馏塔的控制目的，也就是 对控制的要求。一般来说，对于精馏塔的控制系统必须能够保证产品的质量 指标、物料能量平衡和约束条件，这些是一个精馏过程能平稳安全生产出合 格产品的前提。1、质量指标塔顶或塔底产品之一应该保证合乎规定的纯度，另一产品成分也应该维 持在规定的范围之内，或者塔顶和塔底产品均应保证一定的纯度要求。对于二元精馏来说，质量指 的轻组分（或重组分） 重组分（轻组分）含量; 通常以关键组分的含量 谓关键组分，是指对产 分，挥发度较大而由塔 称为轻关键组分；而挥 的关键组分，称为重关图 1-1 精馏塔示意图2、物料能量平衡 馏出液和釜液的平均采出量之和，应等于平均进料量

8、，并且这两个采出 量的变动应该比较和缓，有利于上下工序的平稳操作，塔内与顶、底容器的 蓄液量应介于规定的上、下限之间；此外，精馏塔的输入输出能量应平衡， 以保证塔内操作压力的稳定不变。3、约束条件 为了能够让精馏塔工作正常、操作安全，我们规定它的约束条件在一定 范围内，约束条件为液泛限、压力限和边缘温差限等等。液泛限，又名气相 速度限，就是精馏塔里德气相速度比较高时，雾沫夹带会比较严重，事实上， 液相是从下面塔板倒流到上面塔板上，产生液泛破坏正常操作。漏液限也称 最小气相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液，板效率下降。 最好是在稍低于液泛的流速下操作。流速的控制还要考虑塔的工作弹性

9、。对 于浮阀塔来说，由于工作范围较宽，通常很易满足条件。但对于某些工作范 围较狭窄的筛板塔和乳化填料塔就必须要很好地注意。防止液泛和漏液，我 们可以用塔压降或者是压差来监视气相速度。 压力限是塔的操作压力的限制， 一般来说，塔操作压力不能过大，否则会影响塔内的气液平衡，严重越限有 可能导致安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧间的温差，当这一温差 低于临界温差时，给热系数将会急剧下降，传热量也会随之下降，不能保证 精馏塔的正常传热的需要。4、能量平衡和经济平衡性指标 在保证精馏塔产品质量、产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平 衡，用来实现较好的经济性。1.2 精馏塔的扰动分析 影响物料平衡

10、的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物与塔底 部出料量的变化。影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和 冷凝器冷却量的变化与塔的环境温度的变化等。对于扰动来说，有可控的也有不可控的。1、进料流量和进料成分 进料流量通常不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作 就会造成很大的影响。这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中， 组成前馈 - 反馈控制系统。进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况 下也是难以测量的。2、进料温度和进料热焓值 进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。 控制策略是采用蒸汽压力 （或 流量）定值控制，或根据提馏

11、段产品的质量指标，组成串级控制。3、再沸器加热蒸汽压力 再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。控制策略是组成塔压的定 值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制。4、冷却水压力和温度 冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制。使用风冷时控制 时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。5 、环境温度 环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。1.3 精馏过程 根据混合物中各组分挥发能力不同的差异，通过液体和气体的回流的特 点，使得气体和液体两相能够逆向并且多级相互接触，在前面所说的约束条 件下，让那个易挥发的组分时刻从液相中向气相中导入，然而，难挥发的组 分时刻从气

12、相中向液相中导入，导致混合物实现分离，这就是精馏的概念 3 。 在此过程中， 传热和传质过程是同步进行的， 这种类型属于传质过程控制型。 精馏操作是利用混合液中各组分具有不同的挥发度，也就是说，在同一温度 下，根据蒸汽压力不同，从而能够实现分离液体混合物。精馏操作是在精馏 塔中完成的。溶液中组分的数量可以是两个或两个以上，在实际工业生产过 程中，只有两个组分的溶液不算太多，对于多组分溶液，经常是大量需要分 离的溶液。多组分溶液的精馏基本原理和两组分溶液的精馏是一样的。在本 节中只对简单的两组分溶液的精馏做一下讨论，着重说明精馏的基本原理。1、精馏原理就像我们所知道的，在恒定的压力下，对于单组分

13、液体来说，在沸腾时， 虽然给它继续加热，但是它的温度却保持恒定不变，即单组分液体的沸点是 恒定的。对于多组分的理想液体来说，在恒定的压力下，在沸腾时，溶液的 温度却是可变的。可以用汽-液平衡定仪来测定汽液平衡数据。表1-1便是用不同浓度的苯-甲苯溶液在常压下所测得的一系列汽 -液平衡数据。表中。设Xa 为相平衡时液相中苯组分的浓度（摩尔分数）；Xb为相平衡时液相中甲苯组分的浓度（摩尔分数）；yA为相平衡时汽相中苯组分的浓度 （摩尔分数）；yB 为相平衡时汽相中甲苯组分的浓度（摩尔分数）。通常对于两组分溶液来说， 浓度x或y如果不标明是哪一个组分时，一般是指极易挥发组分的含量。由表1-1可以明显

14、看出，在恒定压力下，溶液汽-液平衡的温度和它的组 分密切相关。高沸点组分的浓度越高（在苯-甲苯溶液中，甲苯是高沸点组分）， 溶液平衡温度就越高。如果和纯物质的汽液平衡相比较，溶液汽-液平衡的一个特点是：在平衡状态下，汽相浓度与液相浓度是不相同的。表1-1苯-甲苯汽-液平衡数据（在常压下）液栢浓厦汽相沬度濬液温度/cEVam mL 00.01. 0110. 7U i- u10T0. 8030.2130. 781106. Sn 207a. 7930. 3810. G19ioi. gn 3030.6970.4&198.4n 3Q30. SI070. 6090. 39195.40.4P6a. 5140

15、, 6SS0. 30492.60. 6780.4220. 763. 23190.0CL 673CL 3270, S35. 13587.50, 773Cl. 26T0, 8930. 10785.10. 87&0* 1250. 9450. 05582.81.0(X 01,00. 080.2对于同一浓度的汽相和液相来说，露点温度和泡点温度一般是不相等的， 前者比后者高。如果把温度设置成纵坐标，把液相或汽相中苯的浓度设置成 横坐标，将表1-1的数据绘制成曲线，则可得到如图1-2所示的温度-浓度图 （t-x-y图）。不同的多组分溶液具有不同的温度-浓度图。图1-2苯-甲苯溶液的温度-浓度图在图1-2中，曲线1代表在一定压力下，溶液浓度与泡点的关系，称为 液相线，线上每一点都代表饱和液体。曲线2代表溶液浓度与露点的关系，称为汽相线，线上每一点都代表饱和蒸汽。这两条线把相图一共划分成三个 区域，液相线1以下的区域是液相区；汽相线 2以上，溶液全部汽化，是过 热蒸汽区；两线之间区域是汽、液两相共存区，溶液处于任