精餾塔的均勻控制系統(tǒng)設計

1、目錄1 精餾塔控制系統(tǒng)介紹.11.1 精餾塔原理 .11.2 控制要求及干擾因素 .12 設計任務及要求.23 均勻控制系統(tǒng).23.1 均勻控制概念 .23.2 均勻控制系統(tǒng)特點 .44 設計方案選擇 .54.1 方案一 簡單均勻控制 .54.2 方案二 串級均勻控制 .55 系統(tǒng)各器件選型.75.1 檢測轉換元件的選擇、性能參數 .75.2 調節(jié)閥氣開氣關式選擇 .96.系統(tǒng)仿真與分析.117.小結與體會.12參考文獻.131精餾塔的均勻控制系統(tǒng)設計1 精餾塔控制系統(tǒng)介紹1.1 精餾塔原理精餾塔是進行精餾的一種塔 式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。 有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據操作方式又可

2、分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸汽由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點)組分不斷地向蒸汽中轉移，蒸汽中的難揮發(fā) (高沸點)組分不斷地向下降液中轉移，蒸汽愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸汽進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸汽返回塔中，另一部分液體 則作為釜殘液取出。蒸餾的基本原理是將液體混合物部分氣化 ,利用其中各組份揮發(fā)度不同（相對揮發(fā)度 ）的特性，實現分離目的的單元操作。蒸餾按

3、照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。1.2 控制要求及干擾因素為了保證精餾生產工序安全、高效持續(xù)進行,改造生產工藝提出如下控制要求:(1) 保證產品質量。以塔頂產品的純度作為質量參數進行控制,構建質量控制系統(tǒng)。(2) 保證平穩(wěn)生產。首先要使精餾塔的進料參數保持穩(wěn)定;其次為了維持塔的物料平衡,要控制塔頂和塔底產品采出量,使其和等于進料量;再次塔內的儲液2量應保持在限定的范圍內;最后要控制塔內壓力穩(wěn)定。(3) 滿足約束條件。系統(tǒng)必須滿足一些參數的極限值所限定的約束條件,如塔內氣體流速的上下限、塔內壓力極限值等。(4) 節(jié)能要求及經濟性。主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻能量消耗。

4、影響產品質量指標和平穩(wěn)生產的主要干擾因素有: 進料流量( F) 的波動; 進料成分( ZF) 的變化; 進料溫度( TF) 和進料熱焓值( QF) 的變化;再沸器加熱劑輸入熱量的變化; 冷卻劑在冷凝器內吸收熱量的變化; 環(huán)境溫度的變化。2 設計任務及要求精餾塔控制系統(tǒng)主要分為三部分控制：（1） 塔釜溫度控制塔釜溫度控制 精餾塔塔釜溫度是產品成分的間接質量指標,要求溫度檢 測點在系統(tǒng)受到干擾時溫度變化靈敏,因此塔內測溫點設置在靈敏板上,通過控制再沸器蒸汽流量來實現溫度的穩(wěn)定。本部分可采用前饋- 串級控制系統(tǒng),可降低對調節(jié)閥的要求。（2） 塔頂回流量控制塔頂回流量控制 為保證精餾塔物料平衡,使其平

5、穩(wěn)運行,要控制塔頂和塔底采出量,對塔頂采出用回流量來控制,構成回流罐液位- 回流量串級控制系統(tǒng)。（3） 塔釜采出量控制塔釜采出量控制第一精餾塔和第二精餾塔是物料連續(xù)的過程,第一塔的出料為第二塔的進料,工藝要求第一塔的液位穩(wěn)定在一定的范圍內,第二塔的進料量必須平穩(wěn),如果設置2 個單回路控制系統(tǒng)進行控制,2 個控制系統(tǒng)將會發(fā)生矛盾,解決這個矛盾的有效辦法就是采用均勻控制系統(tǒng)。本次設計任務是針對塔釜采出量設計均勻控制3 均勻控制系統(tǒng)3.1 均勻控制概念均勻控制是指一種控制方案所起的作用而言，因為就方案的結構看，有時像一個簡單液位（或壓力）定值控制系統(tǒng)，有時又像一個液位與流量（或壓力與流量）的串級控制

6、系統(tǒng)。所以要識別一些方案是否起均勻控制作用，或者在3怎樣的情況下應該設計均勻控制方案，從本質上去認識他們是非常重要的。石油化工生產過程是一個連續(xù)生產過程，隨著生產的進一步強化，使得前后生產過程的關系更加緊密了，往往出現前一設備的出料直接作為后一設備的進料，而后者的出料又連續(xù)輸送給其他設備作進料?，F以連續(xù)精餾的多塔分離過程為例，如圖 1 所示前后精餾塔供求關系。圖 1 前后精餾塔的供求關系顯然作為單個精餾塔，都希望自身操作平衡。對于甲塔來說，塔釜液位往往是一個重要參數，因為它與塔釜的傳熱和汽化有較大關系（釜內有溢流用的隔板者除外） ，影響分離效果，為此裝有液位控制系統(tǒng)。當液位由于某種干擾而變化時

7、，液位控制器就通過改變出料量來維持液位穩(wěn)定。而甲塔出料的波動對乙塔來說是一個進料擾動，使乙塔的平衡操作受到破壞，這種影響一直會繼續(xù)下去，以至整個多塔系統(tǒng)的操作不能穩(wěn)定。對乙塔來說，他從自身的平衡操作要求出發(fā)，希望進料穩(wěn)定，會提出設置進料流量控制系統(tǒng)。顯然，這是與甲塔的液位控制系統(tǒng)的 工作是相互矛盾的，以致兩個系統(tǒng)都無法正常工作。為解決這一矛盾，以往靠增加緩沖罐的辦法來解決。通過緩沖物料累積量的變化，以達到兩塔操作平穩(wěn)。但這要增加設備投資和擴大裝置占地面積，并且有些化工中間產品經緩沖罐后有可能產生其他化學反應，因此也不是一種理想的辦法?，F在從控制方案上去尋找出路，這要著眼于物料平衡控制，讓供求矛

8、盾限制在一定條件下進行漸變，以滿足前后兩塔的不同要求。對這個例子來說，就是要將前塔塔釜看成一個緩沖罐，利用控制系統(tǒng)充分4發(fā)揮它的緩沖作用。也就是說，在進料量（前塔）變化時，讓塔釜液位在最大允許的限度內平緩變化，從而使輸出流量的到平緩（平穩(wěn)緩變） 。因為：出入QQdtdHA要起緩沖作用，就要借助于的變化。例如，變化 2，可以調節(jié)使dtdH入QH 變化 1，Q出變化 1，這樣來發(fā)揮貯罐的緩沖作用。由此可見，后塔的進料平緩變化是以前塔液位的波動為代價的。這種能充分發(fā)揮貯罐緩沖作用的控制系統(tǒng)，被稱為均勻控制。因此，均勻控制不是指控制系統(tǒng)的結構，而是指控制目的而言。是為了使前后設備（或容器）在物料供求上

9、達到相互協(xié)調，統(tǒng)籌兼顧。3.2 均勻控制系統(tǒng)特點均勻控制的特點有如下三條：(1)表征前后供求關系的兩個參數是矛盾的；(2)兩個參數應該是緩慢變化的；(3)兩個參數只能在允許的范圍內波動。如圖 2 所示是反映液位與流量的幾種不同變化情況。 （a）是單純的液位定值控制；（b）是單純的流量定值控制；（c）是實現均勻控制以后，液位與流量都漸變的波動情況，但波動比較緩慢。圖 2 液位與流量幾種不同變化情況54 設計方案選擇4.1 方案一 簡單均勻控制如圖 4-1 所示為精餾塔塔底液位與出料流量的均勻控制系統(tǒng)。從方案外表上看，他像一個單回路液位定值控制系統(tǒng)，并且確實常被誤解。所不同的主要在于控制器的控制規(guī)

10、律選擇及參數整定問題上。在所有均勻控制系統(tǒng)中都不需要，也不應該加正微分作用，恰恰相反有時需要加反微分作用，一般采用純比例控制，有時可用比例積分控制作用。而且在參數整定上，一般比例度要大于100%，且積分時間也要放的相當大，這樣才能滿足均勻控制要求。該方案結構簡單，但他對于克服閥前后壓力變化的影響及液位貯罐自衡作用的影響效果較差。簡單均勻控制系統(tǒng)適用于：進料量為主干擾，流量波動大，自衡能力弱的對象。 （自衡能力弱指：當流量變化很激烈，而液位變化很?。﹫D 4-1 簡單均勻控制系統(tǒng)4.2 方案二 串級均勻控制如圖 4-2 所示是蒸餾塔塔底液位與采出流量的串級均勻控制，從外貌看與典型的串級控制系統(tǒng)完全

11、一樣，但他的目的是實現均勻控制，增加一個副環(huán)流量控制系統(tǒng)的目的是為了消除閥前后壓力干擾及自衡作用對流量的影響。因此副環(huán)與串級控制中的副環(huán)一樣，副控制器參數整定的要求與前面所討論的串級6控制對副環(huán)的要求相同。而主控制器（即液位控制器）則與簡單均勻控制的情況作相同處理。圖 4-2 串級均勻控制系統(tǒng)其工作過程如下：當甲塔液位上升，導致液位調節(jié)器輸出增大，流量調節(jié)器輸出增大，控制閥門緩慢增大；反映在工藝參數上，液位不是立即快速下降 ，而是繼續(xù)緩慢上升，乙塔的進料量也緩慢增加。液位與流量均緩慢地變化，實現了均勻協(xié)調的控制目的；當乙塔的進料量增大，首先通過流量調節(jié)器使控制閥門開度緩慢減小；當這一作用使甲塔

12、的液位下降時，液位調節(jié)器輸出減小，進一步緩慢改變調節(jié)閥的開度，使系統(tǒng)工作在新的平衡點。主副控制器一般采用比例或比例積分控制律。主控制器的參數整定與簡單均勻控制系統(tǒng)相同，副控制器的參數整定一般為 =100200% ，Ti 為 0.11分鐘簡單均勻控制系統(tǒng)只適用于干擾較小、對流量均勻程度要求不高的場合,為提高控制效果,本設計采用液位- 流量串級均勻控制系統(tǒng)。要達到均勻控制的目的,主、副控制器中都不應有微分作用,液位控制器選擇PI 控制作用,流量控制器選擇比例控制作用,整控制器參數時注意控制作用要弱。串級均勻控制系統(tǒng)既可使第一塔的液位保持在 允許的范圍之內,又可使第二塔進料保持平穩(wěn),維持了產品生產前

13、后工序的協(xié)調,保證了設備穩(wěn)定運行。液位- 流量串級均勻控制系統(tǒng)方框圖如圖4-3所示。7圖4-3液位- 流量串級均勻控制系統(tǒng)方框圖5 系統(tǒng)各器件選型5.1 檢測轉換元件的選擇、性能參數本系統(tǒng)需要使用的檢測轉換元件為流量檢測轉換元件和液位檢測轉換元件，下面分別介紹這兩種檢測轉換元件。一、流量檢測轉換元件在工程上，流量是指單位時間內通過管道某一截面的物料數量，其常用的計量單位有以下三種：1）體積流量 Q 單位時間內通過某一截面的物料體積，用立方米每小時（m3/h）,升每小時（l/h）等單位表示。2）重量流量 G 單位時間內通過某一截面的物料的重量，一般用公斤力每小時（Kgf/h）表示。3）質量流量

14、M 單位時間內通過某一截面的物料的質量，可用公斤每小時（Kg/h）表示。上述三種流量之間的關系為 M=Q (5.1) (5.2)GQgQgM式中，是流體密度；是流體重度；g 是重力加速度。流量測量方法和儀表的種類繁多,分類方法也很多，根據本題要求選擇差壓式流量計8差壓式流量計差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘利流量計、均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為:節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式

15、幾大類。 差壓式流量計的原理是：根據伯努利能量方程，當流體流經管道中的節(jié)流裝置(如孔板)時,流束將在節(jié)流裝置處形成局部收縮,流速增加,靜壓力降低,在節(jié)流裝置前后產生微小的靜壓力差（稱為差壓） 。流體的流速越快，節(jié)流裝置前后產生的差壓也越大,從而可以通過測量差壓來間接測量流量的大小。圖 5-1圖 5-1 所示為孔板式的節(jié)流元件，理論分析與實驗表明，孔板兩側的壓力差，即 P=P1-P2 與質量流量 M 之間有如下關系： (5.3)421McSKp 其中 (5.4)421KcS式(5.3)表明，流量 M 與差壓 P 的平方根成正比。式(5.4)中的為流體密度；與 S 為孔板的尺寸參數;c 為流出系數

16、，由實驗決定。式(5.3)與式(5.4)均指液體介質。而對于蒸汽或氣體，也有類似的關系。9只是需要改寫液體密度為氣體密度并加入氣體膨脹修正系數。但在具體1的應用條件下，這些參數都是固定不變的，所以歸結于式(5.4)的常系數 K。優(yōu)點:(1)應用最多的孔板式流量計結構牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長；(2)應用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬；缺點:(1)測量精度普遍偏低；(2)范圍度窄,一般僅 3:14:1；(3)現場安裝條件要求高；(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。二、液位檢測轉換元件：本設計方案選擇靜壓式液位計靜壓式液位計靜壓式液位計對于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比

17、，所以測出液體的靜壓力，即可知道液體的高度。圖 5-2圖 2.8 所示為用靜壓式液位計進行開口容器的液位測量。壓力計與容器的底部相連，根據壓力計指示的壓力大小，即可知道液位的高度，其關系為 (5.5)pH式(5.5)中，H 是液位的高度；是液體重度；是容器內取壓平面上的靜壓p力。5.2 調節(jié)閥氣開氣關式選擇氣動調節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復位。 無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關小的稱為氣關式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式。閥門氣開氣關式的選擇原則：當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態(tài)。根據此原則，本設計我們應該選用氣開式調節(jié)閥

18、。105.3 在控制系統(tǒng)中，不僅是控制器，而且被控對象、測量元件及變送器和執(zhí)行器都有各自的作用方向。所以，在系統(tǒng)投運前必須注意檢查各環(huán)節(jié)的作用方向，其目的是通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當環(huán)節(jié)的輸入增加時、輸出減少的稱“反作用”方向。 對于測量元件及變送器，其作用方向一般都是“正”的，因為當被控變量增加時，其輸出量一般也是增加的，所以在考慮整個控制系統(tǒng)的作用方向時，可不考慮測量元件及變送器的作用方向(因為它總是“正”的)，只需要考慮

19、控制器、執(zhí)行器和被控對象三個環(huán)節(jié)的作用方向，使它們組合后能起到負反饋的作用。對于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關閥(注意不要與執(zhí)行機構和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆)。當控制器輸出信號(即執(zhí)行器的輸入信號)增加時，氣開閥的開度增加，因而流過閥的流體流量也增加，故氣開發(fā)是“正”方向。反之，由于當氣關閥接收的信號增加時，流過閥的流體流量反而減少，所以是“反”方向。 執(zhí)行器的氣開或氣關型式主要應從工藝安全角度來確定。對于被控對象的作用方向，則隨具體對象的不同而各不相同。當操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的。反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”的。

20、在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作用方向由工藝機理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據對象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個控制系統(tǒng)構成負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 綜上所述，分析本例，從工藝安全角度，出料量的閥門應該為氣開閥，故表現為“正作用”方向；閥門開度增加，流量隨之增加，故副控對象流量表現為“正作用”方向；流量變送器表現為“正作用”方向；因此副調節(jié)器 LC 應為“反作用”方向。隨著出料量的上升，液位必隨之減小，故主控對象液位對11象表現為“反作用”方向；副反饋環(huán)表現為隨動系統(tǒng)可認為是“正作用”方向；液位變送器表現為“正作用”方向；故主調節(jié)器 HC 應為“正作用”方向。6.系統(tǒng)仿真與分析 本次仿真將流量對象與液位對象都視為慣性環(huán)節(jié)根據建立的系統(tǒng)模型，設計的 matlab 仿真圖如圖 6-1 所示：圖 6-1 系統(tǒng)仿真圖仿真中的主副控制器選用純比例控制，以滿足均勻控制的要求，得到的液位與塔底流量的仿真曲線如圖 6-2 所示，液位最后穩(wěn)定在設定值 1 附近，且流量與液位的變化滿足均勻控制。圖6-2 液位與流量曲127.小結與體會 這次畢業(yè)設計，可以說是對以前學習的一個綜合考驗，不但涉及到了所學專業(yè)的多門課程知識，而且還需要將這些知識融匯貫通，并付諸實踐。這跟以