精馏塔的温度控制

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辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计

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摘要

随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，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，顶部馏出物及底部出料变化；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，及塔的环境温度变化。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章课程设计的方案 (2)

2.1概述 (2)

2.1.1 物料平衡关系 (2)

2.1.2 能量平衡关系 (3)

2.2设计方案 (3)

2.2.1 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 (9)

3.1检测变送器的原理 (9)

3.1.1 温度变送器的选择 (9)

3.1.2 流量变送器的选择 (10)

3.2执行器的选择 (11)

3.3调节器的选择 (12)

3.4调节器与执行器、检测变送器的选型 (14)

电磁流量计 (14)

第4章系统仿真 (15)

4.1串级控制系统MATLAB仿真分析 (15)

第5章课程设计总结 (18)

第6章参考文献 (20)

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。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。

课程设计的方案

1.1 概述 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。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。

蒸气由塔底进入。蒸发出的气相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。 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。

1.1.1 物料平衡关系

物料平衡指的是单位时间内进塔的物料量应等于离开塔的诸物料量之和。物料平衡体现了塔的生产能力，它主要是靠进料量和塔顶、塔底出料量来调节的。操作中，物料平衡的变化具体反应在塔底液面上。当塔的操作不符合总的物料平衡式时，可以从塔压差的变化上反映处来。例如进的多，出的少，则塔压差上升。对于一个固定的精馏塔来讲，塔压差应在一定的范围内。塔压差过大，塔内上升蒸汽的速度过大，雾沫夹带严重，甚至发生液泛而破坏正常的操作；塔压差过小，塔内上升蒸汽的速度过小，塔板上汽液两相传质效果降低，甚至发生漏液而大大降低塔板效率。物料平衡掌握不好，会使整个塔的操作处于混乱状态，掌握物料平衡是塔操作中的一个关键。如果正常的物料平衡受到破坏，它将影响另两个平衡，即：汽液相平衡达不到预期的效果，热平衡也被破坏而需重新予以调整。

对提留段内任一塔板j 作物料平衡计算，其组分的物料平衡关系为：

x

B x j L s y j V s --=1 式中，V s 表示各层塔板的上升蒸汽量，y j 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，x j 1-是从1-j 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。

1.1.2 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：

H B B H D D Q C H F F Q H ++==

式中，F 、D 、B 分别表示进料量、塔顶采集量和塔釜采出量，Q h 为再沸器加热量，Qc 为冷凝器冷却量，Hf 、Hp 、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。

1.2 设计方案

1.2.1 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，以及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。

1.2.2控制方案的选择

图2.1精馏塔提馏段单回路温度控制方案

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。

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，需要把提馏段温度θ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θ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θ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，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度θ。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

阀门2

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。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为气开阀，所以0

K v。

1>

根据工艺条件确定副被控对象的特性。阀打开，蒸汽量增加，可确定

K P。

2>

根据负反馈准则，选反作用控制器，即：0

K C。蒸汽量增加，提馏

2>

段温度升高，0

K P。

1>

根据负反馈准则，选反作用控制器，即0

K C。

1>

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。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，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。

4、能够更精确控制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与

主控制器输出信号保持严格的对应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器输出一一对应，从而能够更精确控制操纵变量的流量。

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。

釜液输出端的超驰控制系统

控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制系统。选择器实现逻辑运算，分别为高选器和低选器两类。高选器（>）输出是其输入信号中的高信号，低选器输出是其输入信号中的低信号。即

高选器u0=u i

max(1，u i2，···)

低选器u0=u i

min(1，u i2，···)选择器将逻辑运算规律引入控制算法，极大丰富自动化内容和范围，成为一类基本控制系统结构。

使用选择性控制系统的目的如下：

生产过程中某一工况参数超过安全软限时，用另一个控制回路替代原有控制回路，使工艺过程能安全运行，这类选择性控制系统称为超驰控制系统。

在本系统中，开车时，塔釜温度较低，应保证塔底不出料。因塔底已有液位，经LT和正作用LC控制器，输出升高，但塔温尚低，因此，低设置值的控制器TC2输出较小，被低选器LY选中，用于控制塔底出料，即关闭采出控制阀。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。

1.选择器类型的选择

（1）选择控制阀。根据安全运行准则，选择控制阀为气开阀，0

>

K V。（2）选择被控对象增益。开车时，塔釜温度较低，为保证塔底不出料，应用温度取代液位控制，此时构成一个单闭环温度控制系统。阀门打开，温度降低。（3）确定正常控制器和取代控制器的正反作用。根据负反馈原则，可确定Kc1<0,Kc2<0，温度和液位都选择正作用的控制器。

2.控制器控制规律的选择

超驰控制系统要求超过安全软限时能迅速切换到取代控制器。因此取代控制器应选择比例度较小的P或PI控制器。

系统各仪表选择

1.3检测变送器的原理

检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4-20mA,1-5V,0-10mA电流或电压信号，20-100kPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号为数字信号。图3-1为检测变送环节的工作原理

图3.1 检测变送环节工作原理图

检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差应小；迅速指能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。

1.3.1温度变送器的选择

热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

铂铑10－铂热电偶传感器测温范围在0~1600℃，WRP型铂铑10－铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0~1600℃环境下。

本系统选择PCT/TT系列温度变送器。PCT/TT系列温度变送器有很好的性价比，解决所有温度测量问题，变送器精确，耐用，可靠。为了满足所有工业标准，对于不同的介质提供大量的测量配置。PCT/TT系列提供二类温度变送器，PCT/TT100用100ΩA级，铂金电阻式热探测器输入，PCT/TT1000用1000ΩA级，铂金电阻式热探测器输入。变送器在二线制系统中产生4-20mA的线性输出。变送器的输入电源可以是7-35V的直流电，非稳压，并且极性不敏感。

1.3.2流量变送器的选择

本系统选择电磁流量计TI046D，法拉第电磁感应定律指出，导体在磁场中运动时会产生感应电压。在电磁仪表中，流动介质相当于运动的导体。与流速成比例的感应电压用两个测量电极检出并传送到放大器。流体体积根据管道直径进行计算，恒定磁场由交变极性的开关直流电流产生。

图3.2 电磁流量计的实物图

Ue = B ? L ? v

Q = A ? v

Ue = 感应电压

B = 磁感应强度（磁场）

L = 电极间距

V = 流速

Q = 体积流量

A = 管道截面积

I = 电流强度

该流量计电源为3-30V的直流电，测量范围0.01 … 10 m / s，输出可选择电流输出或脉冲输出。在本系统中选择电流输出，其大小为4 - 20 mA。

1.4执行器的选择

执行器位于控制回路的最终端，因此，又称为最终元件。执行器直接与被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，执行器的选择尤为重要。

控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：

（1）按动力来源分，有气动和电动两大类；

（2）按动作极性分，有正作用和反作用两大类；

（3）按动作特性分，有比例和积分两大类。

本系统采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀的型号为QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性强、操作方便等优点。电源为单相220V，控制信号为4-20mA或1-5VDC，输出为4-20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。阀参数如下：

公称压力：PN1.6-32.0Mpa

工作温度：-100-1000℃

公称通径：DN8-600mm

连接方式：法兰，螺纹，焊接

材质：304，316，304L，316L，SS316，WCB，CF3，CF8，铸钢，铸铁，球墨铸铁，锻钢，不锈钢，等。

图3.2 智能直行程电动调节阀实物图

1.5调节器的选择

调节器是系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。

本系统选择DDZ-Ⅲ型PID调节器。DDZ-Ⅲ型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型工业生产的防爆要求。DDZ-Ⅲ型仪表具有以下主要特点：

（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC 4-20mA，控制室联络信号为DC 1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250 。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-Ⅲ型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器的接线端子图如图3.3,主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号(DC 4-20mA或DC 1-5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。

图3.3 DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器的接线端子图

DTZ-2400仪表技术参数:

1、输入信号：1～5V.DC

2、内给定信号：1～5V.DC

3、外给定信号：4～20mA.DC

4、调节作用：比例+积分+微分；比例带：2～500%；积分时间：0.01～2.5分；微分时间：0.04～10分（可切除）

5、输入、给定指示表：指示范围：0～100%；误差：±1%

6、输出指示表：指示范围：0～100%；误差：±25%

7、输出信号：4～20mA.DC

1.6调节器与执行器、检测变送器的选型

调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4~20mA直流电流和1~5V直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250Ω。

表3.4 器件选型

第2章系统仿真

2.1串级控制系统matlab仿真分析

本次设计使用串级控制系统，通过操纵蒸汽流量来控制提馏段的温度，获得良好的抗扰性能，从而达到产品质量要求。在设计中主要设计温度控制器，在通过计算机仿真来进一步揭示串级控制系统的特点，并与温度单回路控制系统做比较。

图4.1串行控制系统图