基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文.pdf

畢業(yè)設(shè)計(論文) 題題 目目 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名學(xué)生姓名： 蔡麗梅 學(xué)學(xué) 號號： 201305280102 班班 級級： 工網(wǎng) 131 班 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師： 文 暉 (副教授) 完成日期完成日期： 2015-11-1 信息處理與控制工程系信息處理與控制工程系 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 任務(wù)書 2 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計（論文）設(shè)計（論文） 題題 目目 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 選題時間選題時間 2015-8-24 完成時間完成時間 2015-11-1 論文字數(shù)論文字數(shù) 25000 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 工業(yè)以太網(wǎng)；精餾塔；控制系統(tǒng)；設(shè)計 設(shè)計（論文）題目來源、理論和實際意義： 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用到了控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng) 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展, 開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。 工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)認為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，也是當前現(xiàn) 場總線中的主流技術(shù)。本文闡述了基于實時網(wǎng)絡(luò)控制自動化技術(shù)的發(fā)展，從精 餾塔方案入手，介紹與精餾塔相關(guān)的工藝設(shè)備，工藝流程、控制過程及 DCS 控 制系統(tǒng)常識，講述了精餾塔控制系統(tǒng)所涉及到的檢測儀表及 DCS 控制裝置的基 礎(chǔ)知識，重點說明控制系統(tǒng)的組態(tài)、功能和控制策略，設(shè)計了基于工業(yè)以太網(wǎng) 的精餾塔控制方案。 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容： 1.以太網(wǎng)的發(fā)展和工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用。 2.精餾塔系統(tǒng)的研究。 3.精餾塔控制的原理和工藝要求。 4.精餾塔控制的方案設(shè)計。 5.控制系統(tǒng)在 DCS 中的實現(xiàn)。 學(xué)生簽字：學(xué)生簽字： 蔡麗梅蔡麗梅 指導(dǎo)教師簽字：指導(dǎo)教師簽字： 系負責(zé)人簽字：系負責(zé)人簽字： 2015 年 月 日 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 摘要 3 摘摘 要要 自動化技術(shù)已成為國家工業(yè)生產(chǎn)力水平的一個重要標志， 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具 有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù) 成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。 近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以太網(wǎng)進入了控制領(lǐng)域， 形成了新型的以太網(wǎng) 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展, 開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。 以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢非常明顯。工業(yè)以太網(wǎng)制造現(xiàn)在 信息的強大性跟控制的快捷性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的串聯(lián)跟控制，為現(xiàn)代工業(yè)制造實 現(xiàn)真正意義上的“E 網(wǎng)到底”奠定了良好的基礎(chǔ)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)認為是 未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，也是當前現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。工業(yè)化的新翹 楚就由此誕生。本文闡述了基于實時網(wǎng)絡(luò)控制自動化技術(shù)的發(fā)展，從精餾塔方案 入手， 介紹與精餾塔相關(guān)的工藝設(shè)備， 工藝流程、 控制過程及 DCS 控制系統(tǒng)常識， 講述了精餾塔控制系統(tǒng)所涉及到的檢測儀表及 DCS 控制裝置的基礎(chǔ)知識， 重點說 明控制系統(tǒng)的組態(tài)、功能和控制策略，并以精餾塔工業(yè)為例分析了自動化技術(shù)在 國內(nèi)重要工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，闡明了自動化技術(shù)在工業(yè)發(fā)展中的重要作用。 精餾塔控制系統(tǒng)采用 DCS 控制系統(tǒng)進行自動控制， 不僅能為操作人員提供額 可靠的數(shù)據(jù)信息，而且還能提供主要檢測點的動態(tài)畫面，它還具有可靠的多級報 警系統(tǒng)，可提示故障點和維修措施，同時，計算機還能從宏觀的角度調(diào)節(jié)精餾塔 過程控制，使整個精餾塔系統(tǒng)從整體上協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。 關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；精餾塔；控制系統(tǒng)；設(shè)計 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 4 目 錄 摘 要. 3 第一章 緒論 . 6 1.1 以太網(wǎng)的發(fā)展歷史 . 6 1.2 一般對以太網(wǎng)的選擇標準 . 7 1.3 以太網(wǎng)產(chǎn)品的簡單性 . 7 1.4 新型關(guān)鍵性的商務(wù)應(yīng)用 . 7 1.4.1 Internet 應(yīng)用 7 1.4.2 多媒體應(yīng)用 . 8 1.4.3 高級應(yīng)用 8 第二章 精餾塔系統(tǒng)的研究 . 9 2.1 精餾塔控制的研究背景及意義 . 9 2.2 精餾塔控制的研究現(xiàn)狀 . 9 2.3 精餾塔控制存在的問題及最新發(fā)展 . 10 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 . 12 3.1 精餾塔分餾原理 . 12 3.2 精餾塔的控制要求及主要擾動 . 13 3.2.1 精餾塔的控制要求 13 3.2.2 精餾塔的干擾因數(shù)特性 14 3.3 精餾塔的控制目標 . 15 3.3.1 質(zhì)量指標 15 3.3.2 產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗 . 16 3.4 精餾塔裝置的工藝流程 . 16 3.4.1 精餾系統(tǒng)工藝過程分析 16 第四章 精餾塔控制方案設(shè)計 . 20 4.1 精餾塔控制方案 20 4.1.1 提餾段參數(shù)控制 20 4.1.2 精餾段參數(shù)控制 20 4.1.3 精餾塔的溫差控制及雙溫差控制 21 4.2 乙烯精餾塔裝置的控制方案 22 4.3 精餾塔工藝因數(shù)影響及系統(tǒng)維護 24 4.3.1 工藝因數(shù)影響 24 4.3.2 故障分析及系統(tǒng)維護 25 第五章 基于 JX-300X 的自控系統(tǒng)設(shè)計與選型 26 5.1 JX-300X 系統(tǒng)介紹 . 26 5.2 JX-300X 系統(tǒng)方案設(shè)計 . 26 5.2.1 DCS 系統(tǒng)的基本組成 . 26 5.2.2 DCS 系統(tǒng)的特點 . 27 5.2.3 DCS 系統(tǒng)的傳輸媒介 . 28 5.2.4 DCS 通訊網(wǎng)絡(luò) . 28 5.2.5 JX-300XP 系統(tǒng)簡介 29 5.3 自控系統(tǒng)設(shè)備選型 . 31 5.3.1 系統(tǒng)現(xiàn)場儀表選型 31 第六章 控制系統(tǒng)在 DCS 中的實現(xiàn) . 34 6.1 控制站及操作站組態(tài) . 34 6.1.1 控制站組態(tài) 34 6.1.2 操作站組態(tài) 36 第七章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 38 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 目錄 5 7.1 塔釜液位控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 38 7.2 塔釜液位控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 38 7.3 冷卻水流量控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 39 7.3.1 渦流流量計的工作原理 39 7.4 回流比自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 39 7.4.1 比值系統(tǒng)組成原理 39 結(jié) 論. 41 參考文獻 . 42 謝辭. 43 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 6 第一章第一章 緒論緒論 以太網(wǎng)是 ETHERNET 的中文譯名，是一種以 10M 每秒的速度（Mbps）傳 輸數(shù)據(jù)的標準,是一種世界上應(yīng)用最廣泛、最為常見的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在不涉及到網(wǎng) 絡(luò)的協(xié)議細節(jié)時，很多人愿意將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為以太網(wǎng)。802.3 局域網(wǎng)是一 種基帶總線局域網(wǎng)，最初是美國斯樂（Xerox）公司的 Palo Alto 研究中心(簡稱為 PARC)于 1975 年研制成功的,當時的數(shù)據(jù)率為 2.94Mb/s.它以無源的 電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)幀,并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太(Ether)來 命名.1981 年斯樂公司與數(shù)字裝備公司(Digital)以及英特爾公司(Intel)合作, 聯(lián)合提出了以太網(wǎng)的規(guī)約ETHER80.1982 年修改為第二版規(guī)約,即 DIX Ethernet V2,成為世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品的規(guī)約(DIX 是這三個公司名的縮寫). 這個標準后來就成為 IEEE 802.3 標準的基礎(chǔ) 1.1 以太網(wǎng)的發(fā)展歷史 在1995年以前,很多人認為對于千兆比的速率,以太網(wǎng)肯定是不行的了,唯一能 使用的技術(shù)就只有 ATM 了. 1996 年夏季,千兆比以太網(wǎng)的產(chǎn)品已經(jīng)上市.由于它仍使用 CSMA/CD 協(xié)議并 與現(xiàn)有的以太網(wǎng)兼容，這就使得在局域網(wǎng)的范圍 ATM 更缺乏競爭力. 千兆比以 太網(wǎng)的物理層使用兩種成熟的技術(shù):一種來自現(xiàn)有的以太網(wǎng),另一種則是 ANSI 制 定的光纖通道. 千兆比以太網(wǎng)的物理層共有以下兩個標準: (1).1000BASE-X(802.3z 標準) 1000BASE-X 標準是基于光纖通道的物理層, 即 FC-0 和 FC-1.使用的媒體有三種: 1000BASE-SX 用多模光纖和 850nm 激光器(距離為 300-550m) 1000BASE-LX 用單模光纖(距離為 3km)或多模光纖(距離為 300-550m )和 1300nm 激光器. 1000BASE-CX 使用短距離的屏蔽雙絞線電纜 STP(距離為 25m). (2)1000BASE-T(802.3ab 標準) 1000BASE-T 是使用 4 對 5 類線 UTP,傳送距離為 25-100m. 這項技術(shù)是如何工作的: -銅線千兆以太網(wǎng)技術(shù)的真正微妙之處在于 以工作在大多數(shù)公司中都常見的、現(xiàn)成的快速以太網(wǎng)銅線布線系統(tǒng)之上。在人們 到現(xiàn)有銅線千兆以太網(wǎng)之前， 任何希望應(yīng)用千兆以太網(wǎng)技術(shù)的用戶都必須安裝光 纜布線系統(tǒng), 一項在任何方面都花費不菲的工作。銅線千兆以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)消 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 7 除了應(yīng)用這項技術(shù)在成本方面的障礙， 使得千兆技術(shù)對于用戶布線系統(tǒng)的要求發(fā) 生變化。 1.2 一般對以太網(wǎng)的選擇標準 一般客戶會考慮如下的選擇標準： 在評估一套千兆以太網(wǎng)解決方案的時候，企業(yè)用戶應(yīng)該挑選那些價格合理、簡單 易用并且其可靠性與先進性都足以滿足特定的商務(wù)需求的交換機與網(wǎng)卡產(chǎn)品。 低 價格是銅線千兆技術(shù)的一個關(guān)鍵性優(yōu)勢。 客戶不應(yīng)該因為某些設(shè)備制造商沒有能 夠簡化他們的產(chǎn)品而為其產(chǎn)品的復(fù)雜性付出額外的成本。 千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)該是 簡單易用的。 1.3 以太網(wǎng)產(chǎn)品的簡單性 一般說來，千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品的簡單性表現(xiàn)在以下幾個方面： 1）易于購買 2）易于安裝 3）.易于使用 4）.易于管理與維護 5）.易于升級 6）.易于與已有網(wǎng)絡(luò)以及已有應(yīng)用進行集成 1.4 新型關(guān)鍵性的商務(wù)應(yīng)用 有三種關(guān)鍵性的商務(wù)應(yīng)用推動了市場對于銅線以太網(wǎng)技術(shù)的需求： (1) Internet 應(yīng)用； (2)多媒體應(yīng)用； (3) 財務(wù)、市場、人力資源以及制造業(yè)等領(lǐng)域中的一些高級應(yīng)用。 1.4.1 Internet 應(yīng)用 一家企業(yè)的局域網(wǎng)（LAN）速度會直接影響到它的用戶在訪問和使用 Internet 應(yīng)用時的體驗。由于企業(yè)的成功在今天經(jīng)常取決于其響應(yīng)時間，更快地訪問各類 關(guān)鍵性的商務(wù)信息這些信息很大程度上來自于 Internet正在推動著用戶 對于高速網(wǎng)絡(luò)的需求。 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 8 1.4.2 多媒體應(yīng)用 越來越多的企業(yè)正在通過網(wǎng)絡(luò)使用流視頻技術(shù)來指導(dǎo)其業(yè)務(wù)。這樣既節(jié)省了 時間，也省去了差旅以及其他各種成本。 1.4.3 高級應(yīng)用 在財務(wù)、市場、人力資源以及制造業(yè)等領(lǐng)域中的一些商務(wù)應(yīng)用正在變得越來越復(fù) 雜，這要求網(wǎng)絡(luò)為這些應(yīng)用）速度會直接影響到它的用戶在訪問和使用 Internet 應(yīng)用時的體驗。由于企業(yè)的成功在今天經(jīng)常取決于其響應(yīng)時間，更快地訪問各類 關(guān)鍵性的商務(wù)信息這些信息很大程度上來自于 Internet正在推動著用戶 對于高速網(wǎng)絡(luò)的需求。 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 9 第二章 精餾塔系統(tǒng)的研究 2.1 精餾塔控制的研究背景及意義 精餾操作是煉油、化工生產(chǎn)過程中的一個十分重要的環(huán)節(jié)，精餾塔的控制 直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)量和能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一直 受到人們的高度重視。 精餾塔是一個多輸入和多輸出的對象，它由很多級塔板組成，內(nèi)在機理復(fù) 雜，對控制作用響應(yīng)緩慢，參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)嚴重，而控制要求又大多較高，這些 都給自動控制的實施帶來一定困難，同時各塔工藝結(jié)構(gòu)特點又千差萬別，這就更 需要深入分析特性，進行自動控制方案的設(shè)計和研究。 精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，表現(xiàn)為“過程變量多，被控變量多， 可操縱的變量也多，過程動態(tài)和機理復(fù)雜”。作為化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的分離過 程精餾也是耗能較大的一種化工單元操作但在實際生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品合格， 精餾裝置操作往往偏于保守，操作方法以及操作參數(shù)設(shè)置往往欠合理，過分離普 遍存在，精餾過程消耗的能量絕大部分并非用于組分分離，而是被冷卻水或分離 組分帶走，因此，精餾過程的節(jié)能潛力很大，收效也極為明顯。 2.2 精餾塔控制的研究現(xiàn)狀 精餾是化工中首選的分離過程，雖然有很多優(yōu)點，精餾塔具有生產(chǎn)能力大， 操作穩(wěn)定，清洗維修簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中對混合物進行分離。 在石油精餾過程中， 利用石油中不同成分揮發(fā)度不同特點進行多級氣化和冷 凝可以將石油混合物中的多種組份進行分離。 實際應(yīng)用中會涉及到較多的物質(zhì)成分精餾和操作步驟處理， 故在精餾塔的操 作和控制過程中要根據(jù)實際操作環(huán)境和精餾要求采取適當?shù)牟僮鞴に嚕?增強精餾 控制效果，保證分離產(chǎn)品的純度。 同時，精餾過程也是石油、化工生產(chǎn)中普遍使用的單元操作，其控制性能的 好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。精餾塔作為實現(xiàn)精餾過程的核心裝置備受關(guān)注，多年 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 10 來各國學(xué)者對精餾塔的控制進行了廣泛深入的研究。從某種意義上講，精餾塔的 控制研究在理論上已經(jīng)比較完善了， 但精餾塔的開停車控制一直是精餾塔控制的 一個難題。 但精餾塔開停車自動控制專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究解決了目前控制水平 下開停車階段完全依靠手動操作的問題，實現(xiàn)了開停車的自動控制。 精餾過程是化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域常見的生產(chǎn)過程，是較為典型的單元生產(chǎn)過程。精 餾塔是精餾過程的關(guān)鍵設(shè)備，用于完成對進料的加工，將進料分離為不同餾分的 產(chǎn)品。對精餾過程中的精餾塔進行優(yōu)化操作，可提高產(chǎn)品拔出率，對提高企業(yè)的 經(jīng)濟效益具有重要意義。本文針對實際精餾生產(chǎn)過程，深入分析了精餾過程的特 點，系統(tǒng)地研究了多元精餾過程機理模型和操作優(yōu)化模型的建立，并進行了優(yōu)化 計算。 本文在分析多組分體系精餾原理的基礎(chǔ)上，研究并建立了針對操作優(yōu)化 目的的平衡級機理模型。首先求解了設(shè)計型變量塔頂產(chǎn)品流量，回流比，理論板 數(shù)和進料位置，然后給出精餾過程的數(shù)學(xué)模型 MESH 方程組。提出采用三對角矩 陣法和泡點法(BP，BubblePoint)相結(jié)合作為模型求解的解決方案，可快速穩(wěn)定 地求解復(fù)雜的 MESH 方程組，并給出塔頂液相組分組成和各塔板的關(guān)鍵組分分布 及溫度分布。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果較為接近，表明該模型可以較準確地模擬 出實際生產(chǎn)過程，為實施操作優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。 本文在對企業(yè)需求和實際生產(chǎn)限 制的分析基礎(chǔ)上，確定了優(yōu)化目標、決策變量和約束條件，提出了以經(jīng)濟效益為 目標，以產(chǎn)品質(zhì)量、塔的處理能力及塔的適宜操作區(qū)為約束條件的優(yōu)化問題。通 過對精餾工藝及過程的深入調(diào)研與分析， 分析了回流比和進料量對塔頂產(chǎn)品濃度 的影響，利用機理模型對操作范圍內(nèi)的多個操作點進行計算，并求得其對應(yīng)的操 作狀態(tài)。對這些操作狀態(tài)進行多元非線性回歸，得到在全操作范圍都通用的經(jīng)驗 公式。在此基礎(chǔ)上獲得優(yōu)化模型的數(shù)學(xué)表達式。采用基于外點罰函數(shù)法的遺傳算 法，對精餾塔優(yōu)化問題進行求解，獲得精餾塔的最優(yōu)操作狀態(tài)。該優(yōu)化結(jié)果可為 精餾裝置生產(chǎn)提供優(yōu)化操作指導(dǎo)， 對提高裝置的生產(chǎn)能力及提高經(jīng)濟效益提供幫 助。 2.3 精餾塔控制存在的問題及最新發(fā)展 目前，大多數(shù)石化生產(chǎn)裝置都采用了 DCS 進行控制，產(chǎn)生了較好的效益，但 總的說來，DCS 的應(yīng)用水平不高，其技術(shù)優(yōu)勢還遠沒有完全發(fā)揮出來。據(jù)專家 們估計，當前我國企業(yè)對 DCS 的應(yīng)用能力普遍不及它的 30。這說明在 DCS 的應(yīng) 3 用上還存在著很大的不足。主要是 DCS 仍然是一門新型的控制系統(tǒng)，使 用時要考慮它的通融性、方便性、系統(tǒng)配件性等。它技術(shù)更新快，應(yīng)用時要慮控 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 11 制系統(tǒng)在技術(shù)上是否成熟，是否已有在多個行業(yè)、多個用戶中成功的使用先例。 并且存在一個使用成熟技術(shù)與使用先進技術(shù)的矛盾。一般而言，新技術(shù)誕生時間 短，實際應(yīng)用中的考驗少，而成熟技術(shù)用起來非常放心，但技術(shù)先進性上肯定差 一些。此外，DCS 提供了強大的運算和控制功能，如 TDC3000 系統(tǒng)提供了流量 累積、 溫壓補償?shù)仁畮追N算法功能， 以及 PID 控制、 比率控制等十幾種控制功能。 根據(jù)工藝要求所提供的控制方案，在保證生產(chǎn)安全的前提下，通過對乙烯精餾塔 精餾段溫度控制，對比控制方案的優(yōu)缺點，以達到最優(yōu)控制，使所研究的問題符 合要求，通過上位機軟件的設(shè)計，完成對乙烯裝置的系統(tǒng)主態(tài)、歷史趨勢和實時 報警等功能的研究，使整個過程更加直觀。 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 12 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 3.1 精餾塔分餾原理 精餾塔原理 精餾在生產(chǎn)，實驗和科學(xué)研究中均占著很重要的位置。無論是原料的制備或 產(chǎn)物的精制分離，都需要精餾。化學(xué)工程需要探討精餾過程的規(guī)律，以指導(dǎo)精餾 生產(chǎn)中的工程問題。 1.精餾塔的類型 精餾塔一般分為兩大類：填料塔和板式塔。板式塔又有篩板塔，浮閥塔，泡 罩塔等多種型式。但實驗室的精餾塔多用玻璃或金屬制成。其中最常用的是玻璃 精餾塔。其中最常用的是玻璃精餾塔。玻璃精餾塔主要由塔釜、玻璃精餾柱、玻 璃精餾頭和冷凝器所組成。 2.精餾柱 精餾塔的塔身稱為精餾柱。若采用填料塔，柱內(nèi)堆著不規(guī)則的填料，使氣液 兩相達到良好傳質(zhì)。填料層的高度即為精餾柱的有效分離長度。為了消除避流和 溝通現(xiàn)象，可能將填料層分作多段，而將每一柱段的回流液加以收集，再重新分 布到柱的中心。需要絕熱精餾的過程，可將填料柱制成真空夾套以便保溫。根據(jù) 處理的物料量及所要求的分離效率來確定精餾柱的尺寸。 實驗常用精餾柱有直徑 為 700MM、1000MM 和 1300MM。柱的高度限制在 500MM 和 1500MM 之間。 影響分離能力的因素很多，其中以柱內(nèi)裝填的填料影響尤其重要。在一定的填 料層高度內(nèi)，填料的總表面積與填料的型式，規(guī)格，材質(zhì)以及填料的裝填方法均 有關(guān)，其影響到液膜的厚度，壓降和分離效率。一般規(guī)定填料尺寸應(yīng)小于柱徑的 110，并以柱 徑與填料尺寸之比保持在 10：1 到 12：1 為宜?，F(xiàn)已有很多高效 填料品種，如不銹鋼環(huán)填料和不銹鋼三角螺旋填料，所選填料應(yīng)能保持適當?shù)?持液量，使液體能完全潤濕填料，以保證汽液充分接觸進行質(zhì)的交換，這與填料 的比表面及填料可潤濕性有關(guān)。填料的分離效率常用等板高度表示。 3.塔釜和餾分收集器 實驗室的精餾塔塔釜可以采用平底燒瓶或圓底燒瓶，通常使用標準化的帶有 磨口接頭的圓底燒瓶，且以短頸的三頸燒瓶為最好。它的兩根支頸與瓶中心的頸 的軸線在瓶底相交，這兩根帶有磨口的支頸是裝溫度計，加料或出料，氣體或蒸 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 13 氣引入管以及取樣管使用的，頸上最好帶有能供夾持彈簧拉拉的小鉤，以免壓力 過大而松脫。瓶中放置待分離的物質(zhì)，其裝料量最多為容積的三分之二，而真空 精餾時，則不超過二分之一。 塔釜液可以直接使用電加熱，也可以間接地用熱 載體加熱，用電加熱有容易調(diào)節(jié)和控制的優(yōu)點。 4.精餾頭/分餾頭 分餾頭是精餾柱和冷凝器之間的連接件，帶有調(diào)節(jié)和測量回流比的裝置。根 據(jù)塔頂回流的方式不同，精餾頭有部分冷凝和全冷凝精餾頭之分。當內(nèi)回流控制 時，即是塔頂產(chǎn)物以氣態(tài)取出時，通常采用分凝形式。工業(yè)上常加入一個分凝器 來產(chǎn)生回流，而把取出的餾出物在一個產(chǎn)物冷凝器中加以冷凝。但是采用分凝器 時，要控制一定的回流比是蒸氣組分和量發(fā)生很大變化。所以實驗室中最常用的 和最可靠的方法。 3.2 精餾塔的控制要求及主要擾動 3.2.1 精餾塔的控制要求 為了保證精餾生產(chǎn)過程安全，高效地連續(xù)進行，精餾塔自動控制系統(tǒng)應(yīng)當滿足 以下幾方面的要求： (1)保證產(chǎn)品質(zhì)量 對于正常工作的精餾塔，應(yīng)當使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個產(chǎn)品達到規(guī)定的純 度；另一端產(chǎn)品的成分亦應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為此，應(yīng)以塔頂或塔底一種產(chǎn) 品的純度作為質(zhì)量參數(shù)進行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)。 質(zhì)量控制需要能直接測出測出產(chǎn)品成分的分析儀表。 由于目前還不能生產(chǎn)出測 量滯后小、精度等級高、能在線檢測的分析儀表，所以在大多數(shù)情況下，精餾塔 自動控制系統(tǒng)是通過溫度控制來間接實現(xiàn)生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量檢測， 即用溫度控 制系統(tǒng)代替質(zhì)量控制系統(tǒng)。 (2)保證平穩(wěn)生產(chǎn) 為了保證精餾塔的平穩(wěn)運行，應(yīng)設(shè)法預(yù)先克服原料進塔之前的主要可控干擾， 同時盡可能減緩不可控的擾動?？赏ㄟ^進料的溫度控制、加熱劑和冷凝劑的壓力 控制、進料量的均勻控制等，使精餾塔的進料參數(shù)保持穩(wěn)定或避免其劇烈波動。 為了維持塔的物料平衡，還要控制塔頂和塔底產(chǎn)品采出量，使二者之和等于進料 量，兩個采出量變化要緩慢，以保證精餾塔的平穩(wěn)運行；精餾塔內(nèi)的儲液量應(yīng)保 持在限定的范圍內(nèi)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定也是精餾塔平穩(wěn)運行所必須的。 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 14 (3)滿足約束條件 為了保證精餾產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程的正常運行， 必須滿足一些參數(shù)的極限值所 規(guī)定的約束條件。例如對塔內(nèi)氣體流速的上下限制，流速過高易產(chǎn)生液泛，流速 過低會降低塔板效率， 尤其對工作范圍較窄的篩板塔和乳化塔的流速必須嚴格控 制， 通過測量和控制塔底于塔頂間的差壓， 間接實現(xiàn)塔內(nèi)氣體流速的檢測和控制。 精餾塔本身還有最高壓力限制，當塔內(nèi)壓力超過其耐壓極限時，容器的安全就沒 有保障。 (4)節(jié)能要求和經(jīng)濟性 精餾過程消耗的能量主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻能量的消耗。另 外，塔和附屬設(shè)備及管道也要散失一部分能量。精餾塔的操作情況必須從整個經(jīng) 濟收益來衡量。在精餾操作中，質(zhì)量指標、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的 目標。其中質(zhì)量指標是必要條件，在優(yōu)先保證質(zhì)量指標的前提下，應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量 高一些，能量消耗盡可能低一些 。 3.2.2 精餾塔的干擾因數(shù)特性 在精餾塔運行過程中，影響其質(zhì)量指標和平穩(wěn)生產(chǎn)的主要干擾有以下幾種 1.進料流量 F 的波動 進料量 F 的波動通常是難免的， 如果精餾塔位于整個生產(chǎn)過程的起點， 則以采 用定值控制。 但是精餾塔進料量 F 往往是由上一道生產(chǎn)工序所決定， 如果一定要 使精餾塔進料量 F 恒定， 就必須設(shè)置中間儲槽進行緩沖。 現(xiàn)在精餾工藝是盡可能 減少或取消中間儲槽，采取在上一道工序設(shè)置液位均勻控制系統(tǒng)控制出料流量， 使精餾塔的進料流量 F 比較平穩(wěn)，避免 F 的劇烈變化。 2.進料成分 ZF 的變化 進料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情況決定的。 3.進料溫度 TF 和進料熱焓值 QF 的變化 進料溫度和狀態(tài)對塔的操作影響很大，一般情況下進料溫度是比較穩(wěn)定的，如 果進料溫 TF 度變化較大，為了維持塔內(nèi)的熱量平衡和穩(wěn)定運行，在單相進料時 采用進料溫度控制可克服這種干擾，然而在多相進料時，進料溫度恒定并能保證 其熱焓值 QF 穩(wěn)定。當進料是氣液兩相混合狀態(tài)時，只有當氣兩相比例恒定時， 恒溫進料的熱焓值才能恒定。為了保持精餾塔的進料熱焓值恒定，必要時可通過 熱焓控制來維持進料熱能恒定。 4.再沸器加熱劑輸入熱量變化 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 15 當加熱劑是蒸氣時， 通過再沸器輸入精餾塔的熱量擾動往往是由蒸氣壓力變化 所引起的，這一擾動可通過在蒸氣總管設(shè)置壓力控制來加以克服，或者通過溫度 串級控制系統(tǒng)的副回路予以克服。 5.冷卻劑在冷凝器內(nèi)吸收熱量的變化 冷卻劑吸收熱量的變化主要是由冷卻劑的壓力或溫度變化引起的， 吸收熱量的 變化會影響到精餾塔頂回流量或回流溫度，進而引起精餾塔輸出熱量的變化。冷 卻劑的溫度一般變化較小，而流量的變化大多是由壓力波動引起的，可采用與克 服加熱劑壓力變化類似的方法進行控制。 6.環(huán)境溫度的變化 環(huán)境溫度一般變化較小。冷凝器采用風(fēng)冷方式時，天氣聚變及晝夜溫差對精餾 塔的運行影響較大，會使回流量或回流溫度發(fā)生變化，對于這種干擾可采用內(nèi)回 流控制的方法予以克服。 內(nèi)回流是指精餾塔精餾段上一層塔盤向下一層塔盤流下 的液體量。內(nèi)回流控制，是指在精餾過程中，控制內(nèi)回流為恒定量或按某一規(guī)律 變化。 通過以上幾點分析可以看出，進料流量和進料成分擾動是精餾塔運行中的主 要干擾，一般是不可控的。其他干擾比較小，可以采用輔助控制系統(tǒng)預(yù)先加以克 服和抑制，各種精餾塔的工作情況不盡相同，需要根據(jù)實際情況具體分析。 3.3 精餾塔的控制目標 3.3.1 質(zhì)量指標 精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產(chǎn)品， 因此產(chǎn)品的質(zhì)量指標必須符 合規(guī)定的要求。也就是說，塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證達到規(guī)定的程度，而另 一產(chǎn)品也應(yīng)保證在規(guī)定的范圍內(nèi)。在二元組分精餾中，情況比較簡單，質(zhì)量指標 就是使塔頂產(chǎn)品中輕組分純度符合技術(shù)要求或塔底產(chǎn)品中重組分純度符合技術(shù) 要求。在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。所謂關(guān)鍵組分， 是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分。 從踏頂分離出揮發(fā)度較大的關(guān)鍵組分稱為輕關(guān) 鍵組分，從塔底分離出揮發(fā)度較小的關(guān)鍵組分稱為重關(guān)鍵組分。以石油裂解氣分 離中的脫乙烷塔為例，他的目的是把來自脫甲烷塔底部分產(chǎn)品作為進料加以分 離，將乙烷和更輕的組分從底部分離出來，比乙烷重的組分從塔底分離出來，這 時，顯然乙烷是輕關(guān)鍵組分，丙烯則是重關(guān)鍵組分。因此，對多元組分的分離可 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 16 簡化為對二元關(guān)鍵組分的分離，這就大大的簡化精餾操作。 在精餾操作中， 產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該控制到剛好能滿足規(guī)定上的要求， 即處于 “卡邊” 生產(chǎn)。超過規(guī)定的產(chǎn)品是一種浪費，因此它的售價不會太高，只會增加能耗、降 低產(chǎn)量而已。 3.3.2 產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗 精餾塔的其他兩個重要控制目標是產(chǎn)品的產(chǎn)量和能量消耗。精餾塔的任務(wù)，不 僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量， 還要有一定產(chǎn)量。 另外， 分離混合液也需要消耗一定的能量， 這主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗。此外，塔的附屬設(shè)備及管線也 要散失一定的熱量和冷量。從定性的分析可知，要使分離所得的產(chǎn)品純度越高， 產(chǎn)品產(chǎn)量越大，則所消耗的能量越多產(chǎn)品的產(chǎn)量通常用該產(chǎn)品的回收率來表示。 回收率的定義是進料中每單位產(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量。 數(shù)學(xué)上組分 i 的回收率定義為：Ri=P/Fzi 式中，P 為產(chǎn)品產(chǎn)量；F 為進料流量；Zi 為進料組 分 i 的濃度。 產(chǎn)品回收率、產(chǎn)品純度及能量消耗三者之間的定量關(guān)系，在一定的能耗 V/F 情況下，隨著產(chǎn)品純度的提高，會使產(chǎn)品的回收率迅速下降。純度越高，這個傾 向越明顯。以上討論說明，在精餾操作中主要產(chǎn)品的質(zhì)量指標，剛好達到質(zhì)量規(guī) 格的情況是期望的，低于要求的純度將使產(chǎn)品不合格，而超過純度要求會降低產(chǎn) 量。然而，在一定的純度要求下，提高產(chǎn)品的回收率，必然要增加能量消耗。可 是單位產(chǎn)量的能耗最低并不等于單位產(chǎn)量的成本最低， 因為決定成本的不僅是能 耗還有原料的成本。右此可見，在精餾操作中，質(zhì)量指標、產(chǎn)品回收率和能量消 耗均是要控制的目標。其中質(zhì)量指標是必要條件，在質(zhì)量指標一定的前提下，在 控制過程中應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。至于在質(zhì)量 指標一定的前提下， 使單位產(chǎn)品產(chǎn)量的能量消耗最低消耗或單位產(chǎn)品量的成本最 低以及使綜合經(jīng)濟效益最大等，均是屬于不同目標函數(shù)的最優(yōu)控制問題。 3.4 精餾塔裝置的工藝流程 3.4.1 精餾系統(tǒng)工藝過程分析 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 17 1. 工藝流程簡介 本設(shè)計流程是利用精餾方法，在精餾塔中將乙醇從塔釜混合物中分離出來。精 餾是將液體混合物部分氣化，利用其中各組分相對揮發(fā)度的不同，通過液相和氣 相間的質(zhì)量傳遞來實現(xiàn)對混合物的分離。本裝置中將由于乙醇的沸點較低，易揮 發(fā)，故采用加熱精餾，經(jīng)氣化的乙醇蒸汽經(jīng)冷凝，可得到較高純度的乙醇。原料 （乙醇和水及少量雜的混合物）經(jīng)進料管由精餾塔進料板處流入塔內(nèi)，開始精餾 操作；當釜中的料液建立起適當液位時，再沸器進行加熱，使之部分氣化返回塔 內(nèi)。氣相沿塔上升直至塔頂，由塔頂冷凝器將其進行全部或部分冷凝。將塔頂蒸 汽凝液部分作為塔頂產(chǎn)品取出，稱為餾出物。 另一部分凝液作為回流返回塔頂?；亓饕簭乃斞厮飨?，在下降過程中與來 自塔頂?shù)纳仙羝啻文嫦蚪佑|和分離。 當流至塔底時， 被再沸器加熱部分氣化， 其氣相返回塔內(nèi)作為氣相回流，而其液相則作為塔底產(chǎn)品采出。 2. 工藝過程分析 精餾塔的操作是從物料平衡，熱量平衡，相平衡及精餾塔的性能等幾個方面考 慮的，通過控制系統(tǒng)建立并調(diào)節(jié)塔的操作條件，使精餾塔滿足分離要求。精餾塔 操作控制的典型參數(shù)中，有六個流量參數(shù)：進料量，塔頂和塔釜產(chǎn)品流量，冷凝 量，蒸發(fā)量和回流量。此外，還有壓力，塔釜液位，回流罐液位，塔頂產(chǎn)品組成 和塔釜產(chǎn)品組成等參數(shù)。壓力和液位控制是為了建立穩(wěn)定操作條件。液位恒定阻 止了液位積累，壓力恒定阻止了氣體積累。對于一個連續(xù)系統(tǒng)，若不組織積累就 不可能取得穩(wěn)定操作，也就不可能穩(wěn)定。壓力是精餾塔操作的主要控制參數(shù)，壓 力除影響氣體積累外，還影響冷凝，蒸發(fā)，溫度，組成，相對揮發(fā)度等塔內(nèi)發(fā)生 的幾乎所有過程。產(chǎn)品組成控制可以直接使用產(chǎn)品組成測定值，也可以采用代表 產(chǎn)品組成的物性，如密度，蒸汽壓，最常用的是采用靈敏點溫度。 1）.壓力控制 精餾塔對壓力的平衡要求很嚴格。一旦壓力大幅度波動，塔釜液位，回流液位 緊跟著波動，進而影響物料平衡，熱量平衡，相平衡三大平衡，從而使整個操作 系統(tǒng)處于不平穩(wěn)狀態(tài)，影響到產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。 例如從提高產(chǎn)品質(zhì)量來說，壓力越高，沸點越接近，氣液兩相越難分離，顯然 降低壓力可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。 但降低操作壓力是以增加冷卻介質(zhì)的用量或降低冷 卻介質(zhì)溫度為前提的，因此降低操作壓力是有限的。由此可見，壓力控制對精餾 塔的操控有主導(dǎo)作用。一般情況下，冷卻介質(zhì)，加熱介質(zhì)的溫度，壓力，流量都 會影響到壓力的平穩(wěn)， 因此可以根據(jù)控制要求選擇其中之一作為操縱變量來控制 精餾塔的操作壓力。 2）.液位控制 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 18 （1）塔釜液位控制： 塔釜液位既不能空也不能滿，塔釜液位滿，容易淹住返塔口，造成熱虹吸效果 差，影響重沸器換熱效果。塔釜液位空，易造成重沸器內(nèi)液位液化氣蒸干，蒸干 后，再有液化氣下到重沸器，馬上急劇氣化，沖塔造成整個塔的操作全部混亂。 塔釜液化氣主要受塔釜產(chǎn)品產(chǎn)出量，塔壓力，塔釜溫度等影響，可根據(jù)造成塔釜 液位變化的原因進行調(diào)節(jié)。一般塔釜液位用塔釜產(chǎn)品產(chǎn)出量進行控制。 （2）回流罐液位控制： 回流罐液位既不能滿也不能空?；亓鞴蘅赵斐苫亓鞅贸榭胀１?，則全塔停工。 回流罐滿，造成塔內(nèi)氣相介質(zhì)無法冷卻使得塔內(nèi)壓力急劇上升，易造成安全閥起 跳或全塔操作混亂。影響回流罐液位的因素有塔頂產(chǎn)品產(chǎn)出量，壓力，釜溫，頂 溫，回流量等。一般回流罐液位用釜溫或塔頂產(chǎn)品產(chǎn)出量控制。 3）.流量控制 精餾塔操作控制中有六個流量參數(shù)：進料量，塔頂和塔釜產(chǎn)品流量，冷凝量， 蒸發(fā)量和回流量。而流量的波動又會影響壓力的平穩(wěn)，所以精餾塔的流量控制是 必不可少的。但是，并不是說所有的流量都要控制，不同的控制方案選擇的控制 流量參數(shù)也不同，精餾塔的控制一般包括物料平衡控制方案和熱量平衡控制方 案，可以根據(jù)所選擇的控制方案來選擇需要控制的流量參數(shù)。 4）.溫度控制 溫度控制是最常用的產(chǎn)品組成控制手段。 溫度控制的前提是控制溫度能正確反應(yīng)其組成的 變化。 若溫度控制不能與組成很好關(guān)聯(lián)， 或?qū)M成變化反應(yīng)不靈敏， 則溫度控制將失去作用， 因此，一般采用提餾段靈敏板溫度作為主要參數(shù)，以實現(xiàn)對塔的間接分離質(zhì)量控制。 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 精餾塔控制的原理和工藝要求 19 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 20 第四章 精餾塔控制方案設(shè)計 4.1 精餾塔控制方案 不同精餾塔生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量標準不一樣，對控制的要求個不相同，因而精餾塔控制方案 較多。下面對常見的幾種方案進行分析。 4.1.1 提餾段參數(shù)控制 當塔底液為主要產(chǎn)品時，常采用提餾段溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標，這時可 選提餾段某點溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量。另外，液 相進料時也常采用這類方案， 這是因為在液相進料時， 進料量 F 的變化首先影響 到塔底產(chǎn)品濃度，而塔頂或精餾塔板上的溫度不能及時地反映這種變化。 采用提餾段溫度控制系統(tǒng)時，在回流量足夠大的情況下，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量也可 以保持在規(guī)定的純度范圍內(nèi)，因此，即使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量要求比塔底嚴格，仍然采 用提餾段溫度控制系統(tǒng)。 提餾段溫度控制系統(tǒng)具有如下特點： （1）以提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，能較迅速、直接地反映提餾段產(chǎn)品品質(zhì)。 在以塔底采出液為主要產(chǎn)品， 對塔底產(chǎn)品成分的要求高于對塔頂餾出液成分的要 求時，往往采用提餾段溫度控制系統(tǒng)方案。 （2）當干擾首先進入提餾段時，例如在液相進料時，由進料產(chǎn)生的干擾首先要 引起提餾段和塔底的參數(shù)變化，故用提餾段溫度控制比較及時，動態(tài)響應(yīng)過程也 比較迅速。 4.1.2 精餾段參數(shù)控制 當以塔頂采出液為主要產(chǎn)品時，往往以精餾段的溫度作為衡量質(zhì)量的間接指 標，這時可選精餾某點溫度作為被控參數(shù)（間接塔頂采出液的純度），以回流量 QL 作為控制變量組成單回路控制系統(tǒng)，也可組成串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng) 雖較復(fù)雜，但可迅速而有效地克服進入副環(huán)的擾動，并可降低對調(diào)節(jié)閥特性的要 求，有較高的精度。精餾段溫度控制方案可保證塔頂產(chǎn)品的純度，當干擾不很大 時，塔底產(chǎn)品的純度變化范圍也不大。 為了抑制其他干擾對被控參數(shù)的影響，除了主系統(tǒng)外，還設(shè)有五個輔助控制系 統(tǒng)。其中，進料量、塔壓、塔底采出量與塔頂餾出液的控制方案與提餾段溫控時 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第四章 精餾塔控制方案設(shè)計 21 相同；再沸器加熱量應(yīng)足夠大，且維持一定，可以使精餾塔在最大負荷時，仍能 保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量指標穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。 精餾段溫度控制系統(tǒng)有如下特點： 1）用精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，能較迅速、直接地反映提餾產(chǎn)品品質(zhì)。在 以塔頂采出物為主要產(chǎn)品， 對塔頂產(chǎn)品成分的純度要求高于對塔底產(chǎn)品成分的要 求時，往往采用精餾段溫度控制系統(tǒng)方案。 2）當干擾首先進入精餾段時，例如在汽車相進料時，進料產(chǎn)生的干擾首先引起 精餾段和塔頂?shù)膮?shù)變化，故用精餾段溫度控制比較及時，動態(tài)響應(yīng)比較迅速。 3）串級控制系統(tǒng)的流量回路對回流罐液位與壓力、精餾塔內(nèi)壓力等干擾對回流 量的影響有較強的抑制?？蓪崿F(xiàn)被控參數(shù)的高精度控制。 以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標的間接被控參數(shù)，當分離的產(chǎn)品純度較高時，塔 底溫度變化很小。為了及時、精確地檢測和控制產(chǎn)品質(zhì)量，要求溫度檢測儀表有 很高的測量精度和靈敏度。若將溫度傳感器安裝在塔底以上的靈敏塔板上，以靈 敏板的溫度作為被控參數(shù)，可以取得滿意的檢測和控制效果。所謂靈敏板，是指 出現(xiàn)擾動時溫度變化最大的那塊塔板。 以靈敏板溫度作為被控參數(shù)有利于提高控 制精度。 4.1.3 精餾塔的溫差控制及雙溫差控制 前面討論的兩種控制系統(tǒng)方案都是以溫度作為被控參數(shù)這在一般的精餾塔中是 可行的。但在產(chǎn)品純度要求很高，塔頂、塔底產(chǎn)品的沸點差別又不大、塔內(nèi)壓力 存在波動時， 以某一點溫度作為被控參數(shù)的控制方案不能滿足精餾工藝的精度要 求。這時常用溫差控制系統(tǒng)，采用溫差作為衡量精餾產(chǎn)品質(zhì)量指標的間接參數(shù)， 以提高控制質(zhì)量，滿足工藝要求。 只有當壓力完全恒定時，溫度與成分之間才具有單值（嚴格來說，只是對二元 組分）對應(yīng)關(guān)系。在壓力波動時，用溫度作為被控參數(shù)就不能很好地代表產(chǎn)品 17 的成分。為了消除壓力波動的影響，可以檢測塔頂（或塔底）附近的一塊塔 板的溫度，再檢測靈敏板的溫度。由于壓力波動對每塊塔板的溫度影響是基本相 同的，只要將上述兩溫度相減，壓力的影響就消除了，這就是采用溫差來衡量質(zhì) 量指標的依據(jù)。 當選擇溫差信號時，如果塔頂（塔底）采出量為主要產(chǎn)品，可將一個檢測點放 在塔頂或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并將對應(yīng)的塔板稱為參照板；另一 個檢測點放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置，然后取上述兩點的溫 度差T 作為被控參數(shù)。這時塔頂（塔底）溫度實際上起參比作用，壓力變化對 兩點溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動的影響就基本抵消。溫差控制雖可 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 22 以克服由于塔內(nèi)壓力波動對塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量的影響，但是還存在一個問題， 就是當負荷變化時，上升蒸氣流量發(fā)生變化，引起塔板間的壓降變化。隨著負荷 增大，塔板間的壓降增大引起的溫差也將增大，溫差和組分之 間的對應(yīng)關(guān)系就要變化。 在進料組分基本穩(wěn)定的情況下， 負荷變化引起的塔內(nèi)上升蒸氣流量變化會使塔 板之間壓降變化，而靈敏板于參照板之間壓降變化由會引起參照板溫度與靈敏 19 板溫度之間溫差變化。如果控制系統(tǒng)能夠使兩個參照板與兩個靈敏板之間的 溫差相等，就能夠消除負荷擾動的影響，達到質(zhì)量控制的目的，這就是雙溫差控 制的依據(jù)。雙溫差控制也稱溫差差值控制。 4.2 乙烯精餾塔裝置的控制方案 乙烯精餾過程是傳質(zhì)、傳熱的復(fù)雜過程，各變量之間互相關(guān)聯(lián)、耦合，系統(tǒng)存 在時滯性、非線性等特性，因此是一個工藝機理復(fù)雜，控制難度較大的過程。隨 著計算機控制在化學(xué)工業(yè)中的普及和控制理論的發(fā)展， 人們已不滿足單純從生產(chǎn) 過程的工藝改進和生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模擴大上獲取經(jīng)濟效益， 而是對乙烯生產(chǎn)裝置實行 優(yōu)化操作，發(fā)揮現(xiàn)有裝置的內(nèi)在潛力，以低能耗、低成本獲得較高的經(jīng)濟效益。 乙烯精餾塔是將來自脫乙烷塔頂，并經(jīng)過乙炔加氫反應(yīng)后的原料氣(內(nèi)含 C2 H4、 C2H6、H2、O2、CO、C2H2、C3H6 )在塔內(nèi)經(jīng)氣液分離，最后在塔頂?shù)玫胶?為 99.95 %的乙烯產(chǎn)品，塔底乙烯含量不超過 05%的乙烷產(chǎn)品。產(chǎn)品質(zhì)量控制 采用靈敏板控制方式,第 115 塊塔板的在線分析控制器通過與塔底再沸器 (EA403A/B)的丙烯冷劑的流量控制器構(gòu)成串級控制來實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制;為了 防止乙烯產(chǎn)品的過量采出,塔頂回流量與側(cè)線產(chǎn)品采出量采用比值控制(比例一般 設(shè)為41);回流罐液位與回流量構(gòu)成串級控制;PIC-403控制進入回流冷凝器的冷 劑量,PIC-404 控制回流罐不凝氣體的放空;側(cè)線再沸器(EA603)的流量控制與再沸 器的液位控制器進行低選,來控制進入換熱器殼層的乙烯流量13。 乙烯精餾塔的 操作和控制水平直接關(guān)系到乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量、收率和能量消耗。通常要求在保證 塔頂乙烯產(chǎn)品控制在規(guī)定純度的前提下,提高乙烯產(chǎn)量、降低塔底乙烯損耗和能 耗。常規(guī)控制難以達到上述目的,因此,必須采取先進控制。乙烯精餾塔是精細分 離塔，對產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴格，產(chǎn)品不合格將造成很大的經(jīng)濟損失。由于分離過程 通道很長，對進料擾動及調(diào)節(jié)器輸出存在很大的純滯后與很長的響應(yīng)時間，這就 給控制帶來很大困難。又考慮到過程波動，往往要超規(guī)格運行而引至過量的冷劑 消耗?？刂葡到y(tǒng)改造中，采用前饋，大純滯后補償及直接質(zhì)量反饋控制等先進控 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第四章 精餾塔控制方案設(shè)計 23 制技術(shù)，克服了進料擾動，塔的干擾因素及慣性影響，使系統(tǒng)操作平穩(wěn)，維持乙 烯產(chǎn)品中乙烷含量在規(guī)定的最大允許值，保持塔底產(chǎn)品中乙烯濃度符合工藝要 求。結(jié)果明顯的節(jié)省冷劑用量及增加乙烯收率。乙烯精餾塔工藝機理復(fù)雜,影響 塔釜乙烷采出量的因素很多,一般精餾塔直接根據(jù)液位調(diào)節(jié)塔釜流量。但由于本 乙烯精餾塔半徑大,塔釜高度小,如果象一般精餾塔那樣把液位控制在 70%80%, 當液位降低時,會出現(xiàn)液位失控的情況,所以本塔液位一般控制在滿液位。由于乙 烯精餾塔液位為滿液位液位可調(diào)范圍太小,所以不能 23 象一般精餾塔那樣通過 控制液位來調(diào)節(jié)塔釜采出流量。乙烯精餾塔壓差是衡量乙 40 零位、量程可用電位器調(diào)整。 模擬輸出多種標準形式供用戶選擇 多點繼電器輸出接口，易于控制。 是指針式電接點壓力表的理想替代品。 2.流量傳感器 概述：LUGB 系列漩渦流量傳感器是采用國際先進技術(shù)而推出的新型流量傳感 器，它具有測量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、安全可靠、準確度高和安裝使用方 便等優(yōu)點特別是解決了耐高溫、抗振動等關(guān)鍵性問題。廣泛應(yīng)用于過熱蒸汽、飽 和蒸汽、壓縮氣體和一般氣體，以及各種液體的質(zhì)量流量和體積流量的測量。 3.液位測量儀表 （1）概述：FGA 系列磁浮子液位計，利用浮力和磁耦合原理，將液位的準確性 地傳遞到指示器上，清晰地指示出液位的高度。指示器和貯罐是完全隔離的，因 此絕對保證使用安全。該液位計還可以配備液位報警開關(guān)和液位遠傳變送器。液 位報警開關(guān)可實現(xiàn)液位上下控制、限位報警和聯(lián)鎖；液位遠傳變送器可將液位變 化線性的轉(zhuǎn)換成直流 420mA 輸出，實現(xiàn)遠距離的指示、檢測、控制和記錄。 （2）工作原理磁浮子液位計由浮子、立管組件、指示器三部分組成。浮子在立 管組隨液位的變化而上升或下降，通過磁耦合作用，帶動立管組件外部的指示器 顏色發(fā)生變化，從而指示出液位高度。液位報警開關(guān)裝在立管組件外部相應(yīng)的報 警位置上，41 當浮子隨液位到達報警位置時，報警開關(guān)閉合，發(fā)出開關(guān)信號； 液位遠傳變送器也安裝在立管組件外部， 通過磁耦合將液位的變化線性的轉(zhuǎn)換成 4-20mA 電流信號遠傳給控制室，實現(xiàn)液位的顯示、測量、控制和記錄。4. 溫度測量儀表熱電偶是工業(yè)上最常用的一種測溫元件。 熱電偶溫度計是以熱點效 應(yīng)為基礎(chǔ)的測量儀表。 它的測量范圍很廣、 結(jié)構(gòu)簡單、 使用方便、 測溫準確可靠， 便于信號的遠傳、自動記錄和集中控制，因而在化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為普遍。根據(jù) 工業(yè)上對熱電偶材料的要求， 目前在國際上被公認的比較好的熱電偶材料只有幾 種：鉑銠 30-鉑銠 6 熱電偶，分度號 B；鉑銠 10-鉑熱電偶，分度號 S；鎳鉻-鎳 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于工業(yè)以太網(wǎng)的精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計 24 硅熱電偶，分度號 K；鎳鉻-考銅熱電偶，分度號 XK。這些材料是經(jīng)過精選而 且標準化了的，它們分別被用在各溫度范圍內(nèi)，測量效果良好。根據(jù)本設(shè)計的溫 度測量特點選用 XPZX 隔爆型一體化溫度變送器，下面是 XPZX 隔爆型一體化 溫度變送器的介紹。概述：隔爆型一體化溫度變送器（以下簡