过程控制系统毕业论文精馏塔控制系统设计.doc
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摘要
精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。
精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同的挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。
精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相,气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。
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。
本文主要围绕选丁醇塔为研究对象，在分析其工艺流程和系统构成的基础上，结合实际系统，进行了温度、流量、液位、和压力等影响因素方面的控制系统设计，详细设计了精馏过程的控制方案,包括串级控制、分程控制等。
使精馏塔控制系统达到工业生产的要求。
关键词：
精馏，控制系统，串级控制，分程控制
Abstract
Distillationisauseofliquidmixturebackflowgethighpurityofdistillationseparationmethod,isthemostwidelyusedinindustryofliquidmixtureseparationoperationwidelyusedinpetroleum,chemicalindustry,lightindustry,food,metallurgicalandotherdepartments.Thegoalwastousethemixtureofdistillationofcomponentswithdifferentvolatiledegree,separationandthevariouscomponentsofthepurityofthespecifiedrequirements.Theessenceofthedistillationprocessistousethemixtureofcomponentswithdifferentvolatilityfor,namelythesametemperatureofvariouscomponentsofthesteampartialpressureofdifferent,makethelightcomponentinliquidphasetransfertothegasphase,restructuringofthegasphasetransfertoliquid,realizetheseparationofcomponents.Distillationoperationusedmoreandmorewidely,tapthecomponentsofthematerialismoreandmore,theseparationofmoreandmorehighpurity
Thispaper,focusingonchoosebutanoltowerastheresearchobject,theanalysisoftheprocessflowandsystemcomponentsonthebasisofthepracticalsystem,thetemperature,flow,liquidlevel,andstressfactorsasthecontrolsystemdesign,detaileddesignthedistillationprocesscontrolplan,includingcascadecontrol,processcontrolpoints.Makethecolumntoindustrialcontrolsystemofproductionrequirements.
Keywords:
Distillation.Controlsystem.Cascadecontrol.Processcontrolpoints
目录
摘要 42
Abstract 43
目录 43
第1章绪论 44
1.1课题研究的目的和意义 44
1.2本课题的主要研究内容 45
第2章精馏过程的控制分析 45
2.1基本原理 45
2.2精馏塔的工艺要求 46
2.3精馏塔的特性 47
2.3.1精馏塔的静态特性 47
2.3.2精馏塔的动态特性 48
2.4精馏过程的工艺流程简介 50
2.5精馏过程的控制需求分析 51
2.5.1压力控制 51
2.5.2液位控制 52
2.5.3流量控制 52
2.5.4温度控制 52
第3章精馏过程的控制方案设计 53
3.1精馏塔塔顶压力控制方案设计 54
3.2精馏塔塔釜和回流罐液位控制方案设计 55
3.3精馏塔塔釜温度控制方案设计 56
3.4精馏塔流量控制方案设计 57
3.5精馏过程总体控制方案设计 58
第4章设备仪表选型 61
4.1测控仪表选型 61
4.1.1压力变送器 62
4.1.2流量传感器 62
4.1.3液位测量仪表 64
4.1.4温度测量仪表 65
4.2执行机构选型 66
第5章控制功能的实现 68
5.1串级控制 68
5.2串级温度控制系统仿真 72
结束语 76
谢辞 77
参考文献 77
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
丁辛醇是随着石油化工、聚氯乙烯材料工业以及羰基合成工业技术的发展而迅速发展起来的。
近年，随着下游市场需求的快速增长及羰基醇新建装置的增多，我国异丁醇的生产能力不断增加。
在国际丁/辛醇市场火爆的情况下，国内羰基醇生产装置通过优化，或调节装置正异构比的方法，均力争多产正丁醛，而异丁醇生产原料异丁醛的产量较少，同时国内新戊二醇的生产又占用了一定比例的异丁醛原料，因此异丁醇原料处于严重供不应求状态。
随着我国化工行业的快速发展，国内原料供应难以自给自足的矛盾日益明显。
可见，丁醇塔控制系统的处理能力和安全稳定性对石油化工的有着重大而深远的意义。
随着现代化工的飞速发展，生产规模的不断扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求，精馏塔在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广泛应用于各种行业的生产过程中。
生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。
从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。
串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程控制中得到了广泛的应用。
对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度的因素很多：
被加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回路控制系统并不能把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统来实现。
1.2本课题的主要研究内容
本课题的主要内容是熟悉二元精馏的工艺流程，了解二元精馏塔的特性和结构及其工艺计算，结合以前所学的知识，认真学习测控仪表教材，了解二元精馏系统流程仪表的位号和特点，仔细研究二元精馏的工艺流程图，熟悉二元精馏的工艺流程，依此设计相应的一套相对完整的控制方案，使系统能对二元精馏的工艺过程进行有效的控制。
设计的二元精馏系统应稳定改善产品质量，提高产量，优化操作，降低能耗，使系统更加平稳有效的运行。
本系统应操作简单，便于工作人员操作，功能齐全，使上述功能完整的应用于现场，使之能对二元精馏系统各变量进行有效实时监控。
设计的二元精馏系统应稳定改善产品质量，提高产量，优化操作，降低能耗，使系统更加平稳有效的运行。
第2章精馏过程的控制分析
回流泵
冷凝器
气液分离器
精馏塔
进料
再沸器
釜液
馏出液
冷剂
热剂
B,xB
D,xD
F,zF
L
LB
LD
V
2.1基本原理
一般的精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐及回流泵等设备组成，如图所示。
再沸器为混合物液相中的轻组分转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相并提供精馏所需的回流；精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备，其一般形式为圆柱形体，内部装有提供汽液分离的塔板，塔身设有混合物进料口和产品出料口。
图2-1
精馏塔的特点精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。
而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。
2.2精馏塔的工艺要求
要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。
一般说来，精馏塔的控制目标，应该在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。
因此，精馏塔的工艺要求应该从质量指标、能量消产品产量、耗和约束条件四方面考虑。
任何精馏塔的操作情况也同时受约束条件的制约，因此，在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因素考虑进去。
2.3精馏塔的特性
2.3.1精馏塔的静态特性
精馏塔的精态特性可以通过分析塔的基本关系来表述，即物料平衡和能量平关系。
以图2-1所示的二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。
1．物料平衡关系
一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。
图1所示的精馏过程，其物料平衡关系为：
总物料平衡（2-1）
轻组分平衡（2-2）
由式（2-1）和（2-2）联立可得：
（2-3）
或（2-4）
式中、、——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；
、、——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。
同样也可写成：
（2-5）
从上述关系可看出：
当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即
、下降。
而当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。
即、上升。
然而，在（或）一定，且一定的条件下并不能完全确定、的数值，只能确定与之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。
要确定与两个因数，必须建立另一个关系式：
能量平衡关系。
2．能量平衡关系
在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。
所谓分离度可用下式表示：
（2-6）从式（2-6）可见：
随着分离度的增大，而减小，说明塔系统的分离效果增大。
影响分离度的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量和进料量的比值等。
对于一个既定的塔来说：
（2-7）
式（2-7）的函数关系也可用一近似式表示：
（2-8）
或可表示为：
（2-9）
式中为塔的特性因子。
由式（2-8）、（2-9）可以看出，随着增加，值提高。
也就是增加，下降，分离效果提高了。
由于是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。
而且由上述分析可见：
的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。
对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要和一定，这个它的分离结果，即与将被完成确定。
也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。
上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的。
精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。
因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。
2.3.2精馏塔的动态特性
1．动态方程的建立
精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。
对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。
要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：
精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。
由于各部分的动态方程。
可整理得到整塔的动态方程组。
对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。
2.动态影响分析
通过上面的讨论，可知精馏塔动态方程的建立是复杂的，尤其建立一个精确而又实用的动态方程更是具有一定的难度。
因此从定性的角度来分析精馏塔的动态影响，对合理设计控制方案有积极的指导意义。
1）上升蒸汽和回流的影响
在精馏塔内，由于上升蒸汽只需克服塔板上极薄覆盖的液相阻力，因此上升蒸汽量的变化几秒钟内就可影响到塔顶，也就是说上升蒸汽流量变化的影响是相当快的。
然而由塔板下流的液相有相当大的滞后。
当回流量增加时，必须先使积存在塔板上的液相蓄存量增加，然后在这增加的液体静压柱的作用下，才使离开塔板的液相速度增加，所以对回流量变化的响应存在着滞后。
由此可得出这样的结论：
要使塔上的任何一处（除塔顶塔板外）的气液比发生变化，用再沸器的加热量作为控制手段，要比回流量的响应快。
2）组分滞后的影响
和的变化，引起和的变化，都是通过每块塔板上组分之间的平衡施加影响的结果。
由于组分要达到静态平衡需要一定的时间，所以尽管的变化可较快影响到塔顶，但要使塔顶组分浓度变化达到一个新的平衡仍要经过不少的时间。
同样的变化也是一样。
且需花费更多的时间。
组分滞后的影响是由于塔板上的组分要等到影响组分的液相或气相流量稳定较长时间后才能建立平衡。
随着塔板上液相蓄存量的增加，组分滞后增加。
因此塔板数的增加及回流比的增加，均会造成塔板上液相蓄存量的增加，从而导致组分的滞后也增加。
当再沸器加热量
的增加而引起的增加，通过改善气、液接触，可以减少组分的滞后。
3）回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响
由物料平衡关系可知：
在一定的情况下，改变和均能引起和的变化。
实际上的变化是通过的变化（在回流罐液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量和。
然而，回流罐有一定的蓄液量，从变化到的变化会产生滞后。
同样的变化也是通过的变化（在塔釜液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量和。
塔釜的蓄液量也会使的变化到的变化产生滞后，通常塔釜截面积要比回流罐小得多，所以，由于塔釜蓄液量引起的滞后要比回流罐的蓄液量引起的滞后小。
3精馏塔被控变量的选择
精馏塔被控变量的选择，指的是实现产品质量控制、保证产品质量指标的选择。
精馏塔产品质量指标的选择有两类：
直接产品质量指标和间接产品质量指标。
精馏塔最直接的质量指标是产品成分。
近年来成分检测仪表的发展很快，特别是工业色谱的在线应用，出现了直接按产品成分来控制的方案，此时检测点就可放在塔顶或塔底。
然而由于成分分析仪表价格昂贵，维护保养复杂，采样周期较长（即反应缓慢，滞后较大），可靠性不够，再加上成分分析针对不同的产品组分，品种上较难一一满足，因而在应用受到了一定限制。
基于以上原因，目前在精馏操作中，主要选择间接产品质量指标作为被控变量。
在此重点讨论间接产品质量指标的选择。
精馏塔被控变量的选择，主要是讨论质量控制中的被控变量的确定，以及检测点的位置等问题。
通常，精馏塔的质量指标选取有两类：
直接的产品成分信号和间接的温度信号。
2.4精馏过程的工艺流程简介
本设计以C12深加工装置中丁醇分馏段为背景，C12经脱焦加氢生成醇类再经过丁醇塔分馏得到正—异丁醇。
本流程是利用精馏方法，在丁醇塔中将丁醇从塔釜混合物中分离出来。
精馏是将液体混合物部分气化，利用其中各组分相对挥发度的不同，通过液相和气相间的质量传递来实现对混合物分离。
本装置中将丁醇塔釜混合物部分气化，由于丁醇的沸点较高，，又C5C6等中间馏分与C4的沸点相近，不易挥发，故采用负压精馏，泡点进料与蒸汽加热。
经气化的蒸汽冷凝，可得到丁醇组成高于原料的混合物，经过多次气化冷凝，即可达到分离混合物中丁醇的目的。
原料为117.5℃丁醇塔的釜液（主要有C4、C5、C6、C7、C8、重组分等），由丁醇塔的第16块板进料（全塔共32块板）,进料量由流量控制器控制。
灵敏板温度由温度调节器通过调节再沸器加热蒸汽的流量来控制提馏段灵敏板温度，从而控制丁醇的分离质量。
丁醇塔塔釜液（主要为C5以上馏分）一部分作为产品采出，一部分经再沸器部分汽化为蒸汽从塔釜上升。
塔釜的液位和塔釜产品采出量由液位和流量组成的串级控制器控制。
再沸器采用蒸汽加热。
塔釜液位由液位控制器调节釜部采出量控制。
塔顶的上升蒸汽（C4馏分和少量C5馏分）经塔顶冷凝器全部冷凝成液体，该冷凝液靠液位差流入回流罐。
塔顶压力采用分程控制：
在正常的压力波动下，通过调节塔顶冷凝器的冷却水量来调节压力，当压力超高时，压力报警系统发出报警信号，流量控制器调节塔顶至回流罐的排气量来控制塔顶压力调节气相出料。
操作压力，高压控制器将调节回流罐的气相排放量，来控制塔内压力稳定。
冷凝器以冷却水为载热体。
回流罐液位由液位控制器调节塔顶产品采出量来维持恒定。
回流罐中的液体一部分作为塔顶产品送下一工序，另一部分液体由回流泵送回塔顶作为回流，回流量由流量控制器控制。
2.5精馏过程的控制需求分析
精馏塔的控制是从物料平衡、热量平衡、相平衡及精馏塔的性能等几个方面考虑的，通过控制系统建立并调节塔的操作条件，使精馏塔满足分离要求。
精馏塔控制的典型参数中，有六个流量参数：
进料量、塔顶和塔釜产品流量、冷凝量、蒸发量和回流量。
此外，还有压力、塔釜液位、回流罐液位、塔顶产品组成和塔釜产品组成等参数。
压力和液位控制是为建立塔稳定操作提供条件。
液位恒定阻止了液位积累，压力恒定阻止了气体积累。
对于一个连续系统，若不阻止积累就不可能取得稳态操作，也就不可能稳定。
压力是精馏塔操作的主要控制参数，压力除影响气体积累外，还影响冷凝、蒸发、温度、组成、相对挥发度等塔内发生的几乎所有过程。
产品组成控制可以直接使用产品组成测定值，也可以采用代表产品组成的物性，如密度、蒸汽压，最常用的是采用灵敏点温度。
2.5.1压力控制
精馏塔对压力的平衡要求很严格。
一旦压力大幅度波动，塔釜液位、回流液位紧跟着波动，进而影响到物料平衡、热量平衡、相平衡三大平衡，从而使整个操作系统处于不平稳状态，影响到产品质量及产量。
例如从提高产品质量来说，压力越高，沸点越接近，气液两相越难分离，显然降低压力可以提高产品质量。
但降低操作压力是以增加冷却介质的用量或降低冷却介质温度为前提的，因此降低操作压力是有限度的。
由此可见，压力控制对精馏塔的操纵有主导作用。
一般情况下，冷却介质、加热介质的温度、压力、流量都会影响到压力的平稳，因此可以根据控制要求选择其中之一作为操纵变量来控制精馏塔的操作压力。
2.5.2液位控制
（1）塔釜液位控制：
塔釜液位既不能空也不能满，塔釜液位满，容易淹住返塔口，照成热虹吸效果差，影响重沸器换热效果。
塔釜液位空，易造成再沸器内液体液化气蒸干，蒸干后，再有液化气下到再沸器，马上急剧汽化，冲塔造成整个塔的操作全部混乱。
塔釜液化气主要受塔釜产品产出量、塔压力、塔釜温度等影响，可根据造成塔釜液位变化的原因进行调节。
一般塔釜液位用塔釜产品采出量进行控制。
（2）回流罐液位控制：
回流罐液位既不能满更不能空。
回流罐空，造成回流泵抽空停泵，则全塔停工。
回流罐满，造成塔内气相介质无法冷却，使得塔内压力急剧上升，易造成安全阀起跳或全塔操作混乱。
影响回流罐液位的因素有塔顶产品产出量、压力、釜温、顶温、回流量等。
一般回流罐液位用釜温或塔顶产品产出量进行控制。
2.5.3流量控制
精馏塔操作控制中有六个流量参数：
进料量、塔顶和塔釜采品流量、冷凝量、蒸发量和回流量。
而流量的波动又会影响到压力的平稳，所以精馏塔的流量控制是必不可少的。
但是，并不是说所有的流量都要控制，不同的控制方案选择的控制流量参数也不同，精馏塔的控制一般包括物料平衡控制方案和热量平衡控制方案，可以根据所选择的控制方案来选择需要控制的流量参数。
2.5.4温度控制
温度控制是最常用的产品组成控制手段。
温度控制的前提是控制温度能正确反应其组成的变化。
若温度控制不能与组成很好关联，或对组成变化反应不灵敏，则温度控制将失去作用，因此，一般采用提馏段灵敏板温度作为主参数，以实现对塔的间接分离质量控制。
第3章精馏过程的控制方案设计
在精馏塔结构一定时，可通过增加回流比来达到产品要求，但是很少采用这种方法控制。
而通过改变物料平衡分配控制，较改变回流比控制灵敏几倍，因此，在这里对于精馏系统采用物料平衡控制。
物料平衡控制方案是精馏塔最常用的控制方案。
此控制方案通过调节进出塔的物料流量控制产品组成、回流量或加热量作为自由变量。
对于物料平衡控制，进料和两个产品流量只能固定一个作为自由流。
那是因为若进料和其中一个产品固定，则另一产品必然是它们之差，否则将产生积累，这样就变成了产品组成控制。
下面，我们将联系上一章阐述的控制需求，采用物料平衡控制，设计控制方案。
3.1精馏塔塔顶压力控制方案设计
压力点取在丁醇塔塔顶出口管线上。
该丁醇塔采用热旁路控制压力，为了扩大调节阀的可调范围，并满足工艺操作的特殊要求，采用了分程控制，分程控制就是用一个调节器同时控制两个或两个以上执行机构的控制系统。
两个调节阀分别为热旁路调节阀和回流罐上的不凝气放空阀。
两个调节阀工作区间输出为：
当调节器输出信号是0%～50%时，PV-1-1由全开到全关，这时PV-1-2全开；当调节器输出信号是50%～100%时PV-1-1全关，PV-1-2
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