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

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

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。

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。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 (2)

2.1 基本原理 (2)

2.1.1物料平衡关系 (2)

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 (8)

3.1 检测变送器的原理 (8)

3.1.1 温度变送器的选择 (8)

3.1.2 流量变送器的选择 (9)

3.1.3 液位变送器的选择 (10)

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 (12)

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。

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 L y V j s j 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。

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：

H B H D Q H F Q B D C

F 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，Q C

为冷凝器冷却量，H F 、H D 、H B 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。

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，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。