精馏塔控制系统课程设计

《精馏塔控制系统课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精馏塔控制系统课程设计（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、精馏塔控制系统课程设计辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目精馏塔提馏段温度控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化082学 号：080302051学生姓名：曹威指导教师：起止时间：2011.06.27-2011.07.04# / 25精馏塔控制系统课程设计课程设计（论文）任务与评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器设计学生姓名专业班级精馏塔提馏段温度控制系统设计自动化082# / 25设计任务：设计精馏塔提馏段温度控制系统。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课程设计(论文)任务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

2、重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内，一方面保证 精馏塔温度恒定，另一方面保证生产的连续性。工艺要求提馏段温度 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0.5Mpa突然下降到0.3Mpa，压力变化了 40%。 设计要求：1、确定控制方案并绘制 P&ID图、系统框图；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与控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图与程序流程图；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：0100

3、0 c ；控制温度：800 0.5 C；最大偏差：1.5 C；1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）2、确定系统的控制方案，绘制 P&ID图、系统框图。（1天，实验室完成）工作3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天,计划分散完成）4、确定控制器的控制规律以与控制器正反作用方式。（实验室1 天）5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）指导教师评语与成绩平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20% 以百分制计算随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用

4、越来越广，分流物料的组 分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指 标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能 较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏 塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏 塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段 温度控制系统。影响物料平衡因素包括进料量和进料成分变化，顶部馏出物与底部出 料变化；影响能量平衡因素主要包括进料温度或热焓变化，再沸器加热量 和冷凝器冷却量变化，与塔的环境温度变化

5、。采用串级控制系统能有效地 去除蒸汽压强的波动对温度的影响。使用超驰控制系统控制釜液输出端， 在塔釜温度较低时，塔底不出料只有当温度达到低线以上，液位控制器取 代温度控制器以后，才有出料排出。关键词：提馏段 温度 串级控制 超驰控制目录第 1 章 绪 论 1第 2 章 控制方案 22.1 基本原理 22.1.1 物料平衡关系 2.2.2 设计方案 32.2.1 控制方案类型 3.2.2.2 控制方案的选择 4.第 3 章 系统各仪表选择 8.3.1 检测变送器的原理 8.3.1.1 温度变送器的选择 9.3.1.2 流量变送器的选择 9.3.1.3 液位变送器的选择 113.2 执行器的选择

6、113.3 调节器的选择 113.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 13第 4 章 系统仿真 144.1 串级控制系统 matlab 仿真分析 144.2 液位控制系统仿真分析 16第 5 章课程设计总结 17参考文献 18精馏塔控制系统课程设计第1 章 绪 论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，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产 的需要。

7、精馏塔塔釜温度控制的稳定与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，可以避免轻组分流失，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，温度与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。精馏塔是一个多

8、输入多输出的对象，它由很多级塔 板组成，内在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来 一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性， 结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目 标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益 最大。在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的 产生。# / 25第2 章 控制方案2.1 基本原理影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而提馏段是在一定物料平 衡和能量平衡的基础上进行操作的，因此，分析精馏塔的物料和能量平衡 对制定提馏段控制策略至关重要。2.1.1 物料平衡关系对提

9、留段内任一塔板 j 作物料平衡计算，其组分的物料平衡关系为：Vsyj Lsxj1 Bx式中，Vs表示各层塔板的上升蒸汽量， yj为塔板j上气相的轻组分浓度， L s 为提留段内各层踏板的下流液体流量，xj 1是从 j 1 快塔板留下的液相中轻组分浓度，B为塔釜采出量，X为塔釜采出物轻组分的浓度。2.1.2 能量平衡关系在稳态时，进入精馏塔的所有能量必然与离开塔的能量相平衡，表示为：QH FHF QC DHD BHB式中， F 、D 、B 分别表示进料量、 塔顶采集量和塔釜采出量， QH 为再沸器加热量，QC为冷凝器冷却量，Hf、Hd、Hb分别为进料、塔顶和塔釜产品的热焓。从平衡方程并结合精馏塔

10、工艺特点，不难看出影响 能量平衡的因素为：进料量、进料浓度、进料温度和进料状态、再沸器的 加热量、冷凝器冷却量、回流量。2 2 设计方案2.2.1 控制方案类型精馏塔的控制目标应是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收 益（利润） 最大或成本最小。 具体对一个精馏塔来说， 需从四个方面考虑， 设置必要的控制系统。（1）产品质量指标控制 塔顶或塔底产品之一合乎规定的分离纯度，另一端产品成分应维持在规定的范围内。在某些特定的条件下也有要求塔顶和塔底产品均保证一 定纯度的要求。（2）物料平衡控制 塔顶、塔底的平均采出量应等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较缓和， 以维持塔的正常平稳操作，

11、 以与上下工序的协调工作。 为此，必须对冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位进行控制，使其介于规定的 上、下限之间。（3）能量平衡控制 应使精馏塔的输入、输出能量维持平衡，使塔的操作压力维持稳定。（4）约束条件控制 为保证精馏塔正常而安全地运行，必须使某些操作限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件有液泛限、漏液限、压力限和临界温差限等。 所谓液泛限也称气相速度限，即塔内气相上升速度过高时，雾沫夹带十分 严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生泛液，破坏正常操 作。漏液限也称最小气相上升速度限，当气相上升速度小于某一数值时， 将产生塔板漏液，板效率会下降。防止液泛和液漏，可通过塔压降或压差 来

12、监视气相速度，一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点较好。压力限是指塔的操作压力限制，一般是最大操作压力限，就是说塔的 操作压力不能过大，否则会影响塔内的汽液平衡，严重超限甚至会影响到 安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差高于临界温 差时，给热系数会急剧下降，传热量会随之下降，将不能保证塔的正常传 热的需要。222控制方案的选择由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种 多样。图2.1精馏塔提馏段单回路温度控制方案方案一：图2-1是精馏塔提馏段示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。为了保证生产 过程顺利进行，

13、需要把提馏段温度。保持恒定。为此在蒸汽管路上装上一 个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀的做到温度。发生变化， 需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对。的影响很 大。此外，还有来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组 分等，它们通过提馏段的传质过程，以与再沸器中传热条件(塔釜温度、 再沸器液面等)，最后也影响到温度0。很明显当加热蒸汽压力波动较大时, 如果采用如图2-1所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满 足生产要求。而且精馏塔温度过高或过低会引起精馏塔控制质量变差，由 于存在这些扰动故考虑串级温度控制系统。方案二：如下图所示在蒸汽输入端引入串级控制

14、系统，在塔釜出料端 引入选择性控制系统。其 P&ID图如下图所示图2.2精馏塔提馏段复杂控制系统(1) 蒸汽输入端串级控制系统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。畐恒路由副变量检测变送、畐鵬节器、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与再 沸器加热蒸汽流量调节

15、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，对 映的主被控变量为提馏段温度，副被控变量为蒸汽流量。串级控制部分的结构框图如图2.3所示图2.3串级控制部分结构框图在串级控制回路中，根据安全运行准则，当系统出现故障时，蒸汽阀 门应处于关闭状态，所以选择阀门1为气幵阀，所以Kvi 0。根据工艺条件确定副被控对象的特性。阀打幵，蒸汽量增加，可 确定KP2 0。根据负反馈准则，选反作用控制器，即：KC2 0。蒸汽量增加,提馏段温度升高， KP1 0。根据负反馈准则，选反作用控制器，即 Kci 0。副控制器是反作用，主控制器从串级切换到主控时，主控制器的作用 方式不变。通过实际改造和使用，串级控制系统增加副控制回路，是控制系统性 能得到改善，表现在下列方面。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