精馏塔温度控制系统设计

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计

院（系）：电气工程学院

专业班级：自动化093

学号： 090302074

学生：昌宝

指导教师：（签字）

起止时间：

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

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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。

精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，还有用于克服进料扰动影响的控制方法前馈—反馈控制。

前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。

前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度

关键词：提馏段温度前馈-反馈串级控制

目录

第1章绪论........................................................................................... 错误!未定义书签。第2章控制方案................................................................................... 错误!未定义书签。

2.1 概述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

2.2系统组成的总体结构 (2)

第3章系统仪表选择 (7)

3.1 检测变送器的原理 (7)

3.1.1 温度变送器的选择 (7)

3.1.2 流量变送器的选择 (8)

3.1.3 液位变送器的选择 (9)

3.2 执行器的选择 (10)

3.3 调节器的选择 (10)

3.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 (11)

第4章系统仿真 (13)

4.1串级控制系统matlab仿真分析 (13)

4.2液位控制系统仿真分析 (14)

第5章课程设计总结 (16)

参考文献 (17)

第一章绪论

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工厂的产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，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。

按提馏段指标的控制方案：当塔釜液为主要产品时，常常按提馏段指标控制。如果是液相进料，也常采用这类方案。这是因为在液位相进料时，进料量的变化，首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化，所以采用提馏段控制温度比较及时。另外如果对釜底出料的成分要求高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。

第2章课程设计的方案

2.1概述

本次设计主要是综合应用所学知识，设计精馏塔提馏段温度控制系统，能够较全面地巩固和应用过程控制系统课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握精馏塔提馏段温度控制系统设计的基本方法。

应用场合: 主要使用于精馏塔提馏段温度控制

①对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分的要求严格

②全部为液相进料

③塔顶或精馏段温度不能很好的反应组成的变化，即组成变化时，精馏段塔板温度变化不显著，或进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质。

④采用回流控制时，回流量较大，它的微小变化对产品成分影响不显著，而变化较大又会影响精馏塔平稳操作的场合。

系统功能介绍: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，在机理复杂，对控制要求大多较高。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。

2.2.系统组成的总体结构

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围。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）产品产量

符合物料平衡原则，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。实现较好的经济性。

（4）约束条件控制

①为保证精馏塔正常而安全稳定地运行，必须使某些操作限制在约束条件之。常用的精馏塔限制条件有气相速度限、最小相速度限、操作压力限和临界温差限等。所谓气相速度限，即塔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。

②最小相速度限，精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏液，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。

③操作压力限，每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限，精馏塔的操作压力过大，影响塔的气液平衡，超过这个压力，塔的安全就没有保障。

④临界温差限主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差低于临界温差时，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。

2.2.1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。

方案一：提馏段前馈—反馈控制

其P&ID图如下图所示：

图2.1提馏段前馈—反馈控制

精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈—反馈控制系统。从前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。

在前馈-反馈控制回路中，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01>K v 。

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02>K P 。

根据负反馈准则，选反作用控制器，即：02>K C 。蒸汽量增加，提馏段

温度升高，01>K P 。

根据负反馈准则，选反作用控制器，即01>K C 。

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。

前馈-反馈控制部分的结构框图如图下图所示