精馏塔的均匀控制系统设计

目录

1 精馏塔控制系统介绍 (1)

1.1精馏塔原理 (1)

1.2控制要求及干扰因素 (1)

2 设计任务及要求 (2)

3 均匀控制系统 (2)

3.1均匀控制概念 (2)

3.2均匀控制系统特点 (4)

4设计方案选择 (5)

4.1方案一简单均匀控制 (5)

4.2方案二串级均匀控制 (5)

5 系统各器件选型 (7)

5.1检测转换元件的选择、性能参数 (7)

5.2调节阀气开气关式选择 (9)

6.系统仿真与分析 (11)

7.小结与体会 (12)

参考文献 (13)

精馏塔的均匀控制系统设计

1 精馏塔控制系统介绍

1.1 精馏塔原理

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。

蒸汽由塔底进入，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)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，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，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，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，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。

蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）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。

1.2 控制要求及干扰因素

为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求:

(1) 保证产品质量。以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控制系统。

(2) 保证平稳生产。首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液

量应保持在限定的范围内;最后要控制塔内压力稳定。

(3) 满足约束条件。系统必须满足一些参数的极限值所限定的约束条件,如塔内气体流速的上下限、塔内压力极限值等。

(4) 节能要求及经济性。主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。影响产品质量指标和平稳生产的主要干扰因素有: ①进料流量( F) 的波动; ②进料成分( Z F) 的变化; ③进料温度( T F) 和进料热焓值( Q F) 的变化;④再沸器加热剂输入热量的变化; ⑤冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化; ⑥环境温度的变化。

2 设计任务及要求

精馏塔控制系统主要分为三部分控制：

（1）塔釜温度控制精馏塔塔釜温度是产品成分的间接质量指标,要求温度检测点在系统受到干扰时温度变化灵敏,因此塔内测温点设置在灵敏板上,

通过控制再沸器蒸汽流量来实现温度的稳定。本部分可采用前馈- 串级控制系统,可降低对调节阀的要求。

（2）塔顶回流量控制为保证精馏塔物料平衡,使其平稳运行,要控制塔顶和塔底采出量,对塔顶采出用回流量来控制,构成回流罐液位- 回流量串级

控制系统。

（3）塔釜采出量控制第一精馏塔和第二精馏塔是物料连续的过程,第一塔的出料为第二塔的进料,工艺要求第一塔的液位稳定在一定的范围内,第二塔

的进料量必须平稳,如果设置2 个单回路控制系统进行控制,2 个控制系

统将会发生矛盾,解决这个矛盾的有效办法就是采用均匀控制系统。

本次设计任务是针对塔釜采出量设计均匀控制

3 均匀控制系统

3.1均匀控制概念

均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的。

石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。现以连续精馏的多塔分离过程为例，如图1所示前后精馏塔供求关系。

图1 前后精馏塔的供求关系

显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。对于甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板者除外），影响分离效果，为此装有液位控制系统。当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。显然，这是与甲塔的液位控制系统的工作是相互矛盾的，以致两个系统都无法正常工作。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一种理想的办法。现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，以满足前后两塔的不同要求。

对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分发挥它的缓冲作用。也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许

的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变）。因为：

出入Q Q dt

dH A -= 要起缓冲作用，就要借助于dt dH 的变化。例如，入Q 变化2，可以调节使H

变化1，Q 出变化1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。

由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。因此，均匀控制不是指控制系统的结构，而是指控制目的而言。是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。

3.2均匀控制系统特点

均匀控制的特点有如下三条：

(1)表征前后供求关系的两个参数是矛盾的；

(2)两个参数应该是缓慢变化的；

(3)两个参数只能在允许的范围内波动。 如图2所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。（a ）是单纯的液位定值控制；（b ）是单纯的流量定值控制；（c ）是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。

图2 液位与流量几种不同变化情况

4设计方案选择

4.1 方案一简单均匀控制

如图4-1所示为精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统。从方案外表上看，他像一个单回路液位定值控制系统，并且确实常被误解。所不同的主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。在所有均匀控制系统中都不需要，也不应该加正微分作用，恰恰相反有时需要加反微分作用，一般采用纯比例控制，有时可用比例积分控制作用。而且在参数整定上，一般比例度要大于100%，且积分时间也要放的相当大，这样才能满足均匀控制要求。

该方案结构简单，但他对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。简单均匀控制系统适用于：进料量为主干扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。（自衡能力弱指：当流量变化很激烈，而液位变化很小）

图4-1简单均匀控制系统

4.2 方案二串级均匀控制

如图4-2所示是蒸馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级控制对副

环的要求相同。而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。

图4-2 串级均匀控制系统

其工作过程如下：当甲塔液位上升，导致液位调节器输出增大，流量调节器输出增大，控制阀门缓慢增大；反映在工艺参数上，液位不是立即快速下降，而是继续缓慢上升，乙塔的进料量也缓慢增加。液位与流量均缓慢地变化，实现了均匀协调的控制目的；当乙塔的进料量增大，首先通过流量调节器使控制阀门开度缓慢减小；当这一作用使甲塔的液位下降时，液位调节器输出减小，进一步缓慢改变调节阀的开度，使系统工作在新的平衡点。

主副控制器一般采用比例或比例积分控制律。主控制器的参数整定与简单均匀控制系统相同，副控制器的参数整定一般为δ=100～200% ，Ti为0.1～1分钟

简单均匀控制系统只适用于干扰较小、对流量均匀程度要求不高的场合,为提高控制效果,本设计采用液位- 流量串级均匀控制系统。要达到均匀控制的目的,主、副控制器中都不应有微分作用,液位控制器选择PI 控制作用,流量控制器选择比例控制作用,整控制器参数时注意控制作用要弱。串级均匀控制系统既可使第一塔的液位保持在允许的范围之内,又可使第二塔进料保持平稳,维持了产品生产前后工序的协调,保证了设备稳定运行。液位- 流量串级均匀控制系统方框图如图4-3所示。

图4-3液位- 流量串级均匀控制系统方框图

5 系统各器件选型

5.1检测转换元件的选择、性能参数

本系统需要使用的检测转换元件为流量检测转换元件和液位检测转换元件，下面分别介绍这两种检测转换元件。

一、流量检测转换元件

在工程上，流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量，其常用的计量单位有以下三种：

1）体积流量Q 单位时间内通过某一截面的物料体积，用立方米每小时（m 3/h ）,升每小时（l/h ）等单位表示。

2）重量流量G 单位时间内通过某一截面的物料的重量，一般用公斤力每小时（Kgf/h ）表示。

3）质量流量M 单位时间内通过某一截面的物料的质量，可用公斤每小时（Kg/h ）表示。

上述三种流量之间的关系为

M=ρQ (5.1)

G Q gQ gM γρ=== (5.2)

式中，ρ是流体密度；γ是流体重度；g 是重力加速度。

流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多，根据本题要求选择差压式流量计

差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘利流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。

差压式流量计的原理是：根据伯努利能量方程，当流体流经管道中的节流装置(如孔板)时,流束将在节流装置处形成局部收缩,流速增加,静压力降低,在节流装置前后产生微小的静压力差（称为差压）。流体的流速越快，节流装置前后产生的差压也越大,从而可以通过测量差压来间接测量流量的大小。

图5-1

图5-1所示为孔板式的节流元件，理论分析与实验表明，孔板两侧的压力差，即ΔP=P1-P2与质量流量M之间有如下关系：

==(5.3)

M c p

其中K c

=(5.4) 式(5.3)表明，流量M与差压ΔP的平方根成正比。式(5.4)中的ρ为流体密度；β与S为孔板的尺寸参数;c为流出系数，由实验决定。

式(5.3)与式(5.4)均指液体介质。而对于蒸汽或气体，也有类似的关系。只

ρ并加入气体膨胀修正系数ε。但在具体的应是需要改写液体密度ρ为气体密度

1

用条件下，这些参数都是固定不变的，所以归结于式(5.4)的常系数K。

优点:(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长；(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；

缺点:(1)测量精度普遍偏低；(2)范围度窄,一般仅3:1～4:1；(3)现场安装条件要求高；(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。

二、液位检测转换元件：

本设计方案选择静压式液位计

静压式液位计

对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度。

图5-2

图2.8所示为用静压式液位计进行开口容器的液位测量。压力计与容器的底部相连，根据压力计指示的压力大小，即可知道液位的高度，其关系为

p

H

=(5.5)

γ

式(5.5)中，H是液位的高度；γ是液体重度；p是容器内取压平面上的静压力。

5.2 调节阀气开气关式选择

气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。

阀门气开气关式的选择原则：

当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。

根据此原则，本设计我们应该选用气开式调节阀。

5.3

在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。所以，在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。

所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时、输出减少的称“反作用”方向。

对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向(因为它总是“正”的)，只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。

对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀(注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用”混淆)。当控制器输出信号(即执行器的输入信号)增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开发是“正”方向。反之，由于当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向。

执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。

对于被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。

在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。

综上所述，分析本例，从工艺安全角度，出料量的阀门应该为气开阀，故表现为“正作用”方向；阀门开度增加，流量随之增加，故副控对象流量表现为“正作用”方向；流量变送器表现为“正作用”方向；因此副调节器LC应为“反作用”方向。随着出料量的上升，液位必随之减小，故主控对象液位对象表现为“反

作用”方向；副反馈环表现为随动系统可认为是“正作用”方向；液位变送器表现为“正作用”方向；故主调节器HC应为“正作用”方向。

6.系统仿真与分析

本次仿真将流量对象与液位对象都视为惯性环节

根据建立的系统模型，设计的matlab仿真图如图6-1所示：

图6-1 系统仿真图

仿真中的主副控制器选用纯比例控制，以满足均匀控制的要求，得到的液位与塔底流量的仿真曲线如图6-2所示，液位最后稳定在设定值1附近，且流量与液位的变化满足均匀控制。

图6-2 液位与流量曲

7.小结与体会

这次毕业设计，可以说是对以前学习的一个综合考验，不但涉及到了所学专业的多门课程知识，而且还需要将这些知识融汇贯通，并付诸实践。这跟以前的单纯地学习一门理论知识是有很大差别的，也使我遇到了以前没有遇到过的困难。有些问题是书本上没有的，这些问题使我不知道从哪里着手；有些在理论上很简单的问题，在实践中却变得很复杂，这使我感到难以进行下去；而有些问题又似乎是与理论知识有些出入的，这更让我茫然不知所措。

这次毕业设计对以前所学知识的综合应用程度较高，实践性较强，难度也比我以前的学习任务大，使我遇到了较大的困难。但我的指导老师——尹绍清老师十分认真负责，对我所遇到的疑点讲解清楚详细，使我能够解决所遇到的问题，并顺利地完成毕业设计。他认真负责的工作态度和严谨的学风也是十分值得我学习的，在此对他表示诚挚的感谢。另外，我的毕业设计和论文也参考和摘录了一些文献资料，在此对那些作者和前辈表示感谢，是他们所编写的资料帮我解决了毕业设计中的一些疑惑。

这次毕业设计对我有着重要的意义，在这期间我不仅巩固了以前所学的知识，对本专业有了更多、更深的了解，而且也培养了克服困难的品质，锻炼了实践动手的能力，这将是我今后工作学习中的一个良好开端。我要再次感谢那些在学习和生活上给予我帮助的良师益友。

参考文献

[1] 徐兵等，过程控制，机械工业出版社，2004

[2] 薛弘晔等编，计算机控制技术，西安电子科技大学出版社，2003

[3] 何离庆等，过程控制系统与装置，重庆大学出版社，2003

[4] 施仁等，自动化仪表与过程控制，电子工业出版社，2003

[5] 周雪琴，张洪才，控制工程导论，西北工业大学出版社，2003

[6] 胡寿松等，自动控制原理，科学出版社，2001

[7] 薛定宇，陈阳泉，基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学

出版社，2002