精餾塔的比值控制系統(tǒng)設計(畢業(yè)設計)

1、太原理工大學現(xiàn)代科技學院過程控制系統(tǒng)課程設計摘 要在石化工業(yè)中，許多原料、中間產(chǎn)品或粗成品往往是由若干組分形成的混合物，需要通過精餾過程進行分離。精餾是利用混合液中不同組分揮發(fā)溫度的差異將各組分分離的過程。精餾塔是精餾過程的關鍵設備。統(tǒng)計資料表明，在石化工業(yè)中，40%50%的能量消耗在精餾設備中，精餾塔是過程控制的重要控制對象，一直受到控制領域的關注。精餾塔由多級塔盤組成，內(nèi)在工作機理復雜。在精餾過程中，工作參數(shù)對控制作用的響應緩慢，不同變量之間存在相互關聯(lián)，因此，精餾塔是一個多參數(shù)的被控過程；不同工藝要求的精餾塔結(jié)構(gòu)不同，工藝參數(shù)、變量之間存在多種組合，控制方案繁多；另外，精餾工藝控制要求較

2、高，控制相對困難。只有對生產(chǎn)工藝進行深入分析，才可能控制出合理的控制系統(tǒng)。本次設計中，通過對合成甲醇精餾過程的模擬，我們具體了解和掌握比值控制系統(tǒng)的工作原理。關鍵詞：精餾 ；精餾塔 ；多參數(shù)控制 ；定值控制 ；合成甲醇精餾 目 錄摘 要11 精餾塔控制系統(tǒng)介紹11.1 精餾塔原理11.2 精餾塔的控制要求及主要干擾因素11.2.1 精餾塔的控制要求11.2.2 精餾塔的干擾因素特性22 精餾塔控制方式的選擇與論證33 定值控制系統(tǒng)53.1 定值控制系統(tǒng)簡介53.2 定值控制系統(tǒng)的設計54 甲醇精餾的比值控制系統(tǒng)65 系統(tǒng)各器件選型85.1檢測轉(zhuǎn)換元件的選擇85.2 調(diào)節(jié)閥氣開氣關式選擇96 小

3、結(jié)與體會11參考文獻12 1精餾塔的定值控制系統(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(jù)操作方式又可分為連續(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(zhuǎn)移，蒸汽中的難揮發(fā)(高沸點)組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)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

4、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(xiàn)分離目的的單元操作。蒸餾按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 精餾塔的控制要求及主要干擾因素1.2.1 精餾塔的控制要求為了保證精餾生產(chǎn)工序安全、高效持續(xù)進行,精餾塔自動控制系統(tǒng)應滿足如下要求:(1) 保證產(chǎn)品質(zhì)量。精餾塔的質(zhì)量指標是指塔頂或塔底產(chǎn)品的純度。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂或塔底產(chǎn)品之一達到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定范圍內(nèi)。(2) 保證平穩(wěn)生產(chǎn)。首先要使精餾塔的進料參數(shù)保持穩(wěn)定；其次為

5、了維持塔的物料平衡,要控制塔頂和塔底產(chǎn)品采出量,使其和等于進料量；再次塔內(nèi)的儲液量應保持在限定的范圍內(nèi)；最后要控制塔內(nèi)壓力穩(wěn)定。(3) 滿足約束條件。系統(tǒng)必須滿足一些參數(shù)的極限值所限定的約束條件,如塔內(nèi)氣體流速的上下限、塔內(nèi)壓力極限值等。(4) 節(jié)能要求及經(jīng)濟性。主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻能量消耗。1.2.2 精餾塔的干擾因素特性圖1表示精餾塔物料流程圖。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。回流泵冷凝器氣液分離器精餾塔進料再沸器塔底產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品冷劑熱劑 QWQDF,zFLLBLDV 圖1 精餾塔物料流程圖（1） 進料流量F的波動。如果精餾塔位于整個生產(chǎn)過程

6、的起點，則可采用定值控制系統(tǒng)。（2） 進料成分ZF的變化。進料成分是由上一道工序出料或原料情況決定，對圖1所示精餾塔來講，它是不可控的擾動因素。（3） 進料溫度TF和進料熱焓值QF的變化。一般情況下進料溫度是比較恒定的，如果進料溫度變化較大，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，進料溫度恒定并不能保證其熱焓值穩(wěn)定。當進料是氣液兩相的比例恒定時，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的變化。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

7、力變化所引起的，這一擾動可通過在蒸氣總管設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。其變化主要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。（6） 環(huán)境溫度的變化。環(huán)境溫度一般變化較小，當變化大時可通過內(nèi)回流控制加以克服。2 精餾塔控制方式的選擇與論證不同精餾塔生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量標準不一樣，對控制要求各不相同，因而控制方案較多。由于本設計是針對比值控制系統(tǒng)，所以我們假定具體工藝為雙效三塔低壓法對合成甲醇的精餾控制。其總體工藝流程圖如圖2。 圖2 雙效三塔精餾工藝流程在此

8、系統(tǒng)中，三個塔分別是預塔、加壓塔和常壓塔。粗甲醇進入預塔之前，先在粗甲醇預熱器中，用蒸汽冷凝液將其預熱到338K，粗甲醇在預塔除去其中殘余的溶解氣體及低沸物。塔頂設置兩個冷凝器。在塔內(nèi)上升汽中的甲醇大部分冷凝下來進入預塔回流槽，精預塔回流泵進入塔頂作回流。不凝氣、輕組分及少量甲醇蒸汽通過壓力調(diào)節(jié)后至加熱爐作燃料。預塔塔底由低壓蒸汽加熱的熱虹式再沸器向塔內(nèi)提供供熱量。為了防止粗甲醇對設備的腐蝕，在預塔下部高溫區(qū)加入一定量的稀堿液，使預后甲醇的PH值控制在8左右。由預塔塔底出來的預后甲醇，經(jīng)加壓塔進料泵加壓后，進入第一主精餾塔加壓塔，塔頂甲醇蒸汽進入冷凝再沸器，即第一精餾加壓塔的氣相甲醇又利用冷凝

9、潛熱加熱第二精餾常壓塔的塔釜，被冷凝的甲醇進入回流槽中，在回流槽稍加冷卻，一部分由加壓塔回流泵升壓至0.8MPa送到加壓塔作回流液，其余部分經(jīng)加壓塔精甲醇冷卻至到313K后作成品送往精甲醇計量槽。加壓塔用低壓蒸汽加熱的熱虹式再沸器向塔內(nèi)提供熱量，通過低壓蒸汽的加入量來控制塔的操作溫度。加壓塔的操作壓力大約為0.57MPa,塔頂操作溫度大約為394K，塔底操作溫度大約為400K。由加壓塔塔底排出的甲醇溶液送往第二精餾常壓塔下部，從常壓塔塔頂出來的甲醇蒸氣經(jīng)常壓塔冷凝器冷卻到313K后，進入常壓塔回流槽，再經(jīng)常壓塔回流泵加壓后，一部分送到常壓塔塔頂作回流，其余部分送到精甲醇計量槽。常壓塔頂操作壓力

10、大約為0.006MPa，塔頂操作溫度大約為339K，塔底操作溫度大約為368K。常壓塔的塔底殘液另外由汽提塔進料泵加壓后進入廢水汽提塔，塔頂蒸汽經(jīng)汽提塔冷凝器冷凝后，進入汽提塔回流槽，由汽提塔回流泵加壓，一部分送廢水汽提塔塔頂作回流，另一部分經(jīng)汽提塔甲醇冷凝器冷凝至313K，與常壓塔采出的精甲醇一起送往產(chǎn)品計量槽。如果采出的精甲醇不合格，可將其送至常壓塔進行回收，以提高甲醇精餾的回收率。汽提塔塔底用低壓蒸汽加熱的熱虹式再沸器向塔內(nèi)提供熱量，塔底下部設有側(cè)線，采出部分雜醇油，并與塔底排出的含醇廢水一起進入廢水冷卻到313K，由廢水泵送往污水生化處理裝置。本工藝對于預精餾塔（穩(wěn)定塔）進料PH、第一

11、主精餾塔（加壓塔）溫度、壓力、回流比以及第二主精餾塔（常壓塔）負荷的控制尤為重要。其中，預精餾塔進料PH的控制涉及到兩種物料（粗甲醇和堿液）的配比，即控制PH=8得控制此兩種物料保持一定的比值。此時可以使用比值控制系統(tǒng)予以實現(xiàn)。3 定值控制系統(tǒng)3.1 定值控制系統(tǒng)簡介實現(xiàn)兩個或多個參數(shù)符合一定比例關系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。例如要實現(xiàn)兩物料的比例關系，則表示為：Q2=K Q1。定值控制系統(tǒng)分為開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和變比值控制系統(tǒng)。3.2 定值控制系統(tǒng)的設計 （1）主、副流量的確定 生產(chǎn)中起主導作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量跟隨其變化，為

12、副流量。 工藝上不可控的物料流量，一般選為主流量。 成本較昂貴的物料流量一般選為主流量。當生產(chǎn)工藝有特殊要求時，主、副物料流量的確定應服從工藝需要。 （2）控制方案的選擇 控制方案選擇應根據(jù)不同的生產(chǎn)要求確定，同時兼顧經(jīng)濟性原則。 如果工藝上僅要求兩物料流量之定值一定，而對總流量無要求，可用單閉環(huán)比值控制方案。 如果主、副流量的擾動頻繁，而工藝要求主、副物料總流量恒定的生產(chǎn)過程，可用雙閉環(huán)比值控制方案。當生產(chǎn)工藝要求兩種物料流量的定值要隨著第三參數(shù)的需要進行調(diào)節(jié)時，可用變比值控制方案。（3） 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定 定值控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是根據(jù)控制方案和控制要求而定。在單閉環(huán)定值控制系

13、統(tǒng)中，定值器F1C起比值計算作用，若用調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，則選P調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)器F2C使副流量穩(wěn)定，為保證控制精度可選PI調(diào)節(jié)。雙閉環(huán)比值控制不僅要求兩流量保持恒定的比值關系，而且主、副流量均要實現(xiàn)定值控制，所以兩個調(diào)節(jié)器均應選PI調(diào)節(jié)；比值器選P調(diào)節(jié)。 （4）正確選擇流量計及其量程各種流量計都有一定的適用范圍（一般正常流量選在滿量程的70左右），必須正確地選擇和使用，可參考有關設計資料、產(chǎn)品手冊。 （5）定值系數(shù)的計算工藝規(guī)定的流量（或質(zhì)量）比值K不能直接作為儀表比值使用，必須根據(jù)儀表的量程轉(zhuǎn)換成儀表的比值系數(shù)K后才能進行定值設定。變送器的轉(zhuǎn)換特性不同，比值系數(shù)K的計算公式不同。 流量與測量信號之間成線

14、性關系如果Q1的流量計測量范圍為0Q1max 、Q2的流量計測量范圍為0Q2max，則變送器輸出電流信號和流量之間的關系為： 流量與測量信號之間成非線性關系如果Q1的流量計測量范圍為0Q1max 、Q2的流量計測量范圍為0Q2max，則變送器輸出電流信號和流量之間的關系為： 4 甲醇精餾的定值控制系統(tǒng)由于粗甲醇為不可控變量，受上一工序影響比較大，而堿液比較穩(wěn)定，本方案使用單閉環(huán)比值控制方案，它不但能實現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且還可以克服副流量本身干擾（儲罐中液位降低時流量可能會減?。Χㄖ档挠绊?，因此主副流量的比值較為準確；另外，該方案結(jié)構(gòu)形式簡單，實施起來也很容易，其具體示意圖和方

15、塊圖如圖3和圖4。F1CF2C 圖3 調(diào)節(jié)PH的單閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器F1C控制器F2C執(zhí)行器對象副測量（堿液）、變送主測量（粗甲醇）、變送 圖4 調(diào)節(jié)PH的單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖在穩(wěn)定情況下，主流量滿足工藝要求的比值，即Q2/Q1=K；當主流量發(fā)生改變時，經(jīng)變送器送至主控制器F1C、F2C按預先設置好的定值使輸出成比例地變化，也就是成比例地改變副流量控制F2C的給定值，此時副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一個隨動控制系統(tǒng)，從而Q2跟隨Q1變化，使得在新工況下，流量比值K保持不變；當主流量沒有變化而Q2由于自身干擾發(fā)生變化時，此副流量閉環(huán)系統(tǒng)相當于一個定值控制系統(tǒng)，通過控制克服干擾，使工藝要求的流量比值仍保持不變。

16、5 系統(tǒng)各器件選型5.1檢測轉(zhuǎn)換元件的選擇本系統(tǒng)需要使用的檢測轉(zhuǎn)換元件為PH計。工業(yè)PH計由發(fā)送器和測量器兩大部分組成。發(fā)送器由玻璃電極和甘汞電極組成，它的作用是根據(jù)PH值轉(zhuǎn)換成直流信號，工業(yè)PH計的測量儀器一般用電子電位差計。（1）檢測原理電位測定的基本原理是在被測溶液中插入兩個不同的電極，其中一個電極的電位隨溶液的改變而變化，稱為工作電極；另一個電極具有固定的電位，稱為參比電極。這兩個電極形成一個原電池，測定兩電極之間的電勢就可以知道被測溶液的PH值。如圖5所示為工業(yè)PH計測量線路。圖5 PH計測量電路 圖6 玻璃電極（2）參比電極溶液PH測定普遍采用甘汞電極作為參比電極。它由一個閃電極裝

17、入一個玻璃外殼組成。內(nèi)電極的引線下端浸入汞中，汞下面裝有糊狀的甘汞，并用浸在KCl溶液中纖維絲堵塞，下部為溶液通道（一般為多孔陶瓷制線），KCl溶液作為鹽橋。其電極電勢為： 式中,為電極的標準電位；R為氣體常數(shù)；T為溶液的絕對溫度；F為法拉第常數(shù)；為氯離子的濃度。從上式可知：電位的高低直接取決于的大小。甘汞電極的種類有好多，常用的為飽和甘汞電極，即KCl為飽和的，所以保持不變，電位只取決于環(huán)境的溫度。（3）工作電極工作電極主要有玻璃電極、氫醌電極和銻電極三種，其中玻璃電極為工業(yè)常用的工作電極。下面簡述各種電極：a. 玻璃電極 如圖6為常用普通PH玻璃電極，當玻璃電極插入被測試樣時，在PH計玻璃

18、內(nèi)部溶液（參比溶液）和被測溶液之間建立起的平衡狀態(tài)，此時電極電勢為： 式中，為不對稱電位；為參比溶液的。對于給定的玻璃電極，為一個常數(shù)，則電位只與被測液氫離子的濃度有函數(shù)關系。同樣玻璃電極受溫度影響比較大，所以必須根據(jù)溫度補償電阻接入測量電路，以補償溫度對PH值測量的影響。玻璃電極的工作溫度在2-55之間。b. 氫醌電極 將鉑極片浸于飽和醌-氫醌溶液中，即形成氫醌電極，其電極電勢為： 由上式可知氫醌電極的電勢E正比于溶液的PH值。氫醌電極的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，反應速度快，但受溫度影響大，在高溫下電極電位不穩(wěn)定等。c. 銻電極 這是一種金屬-金屬氧化物電極。其電極電勢產(chǎn)生與金屬與覆蓋其表面的氧化物的

19、界面上。銻電極的結(jié)構(gòu)也比較簡單，可用于半固體等混合物中的PH測量，但精度不高。5.2 調(diào)節(jié)閥氣開氣關式選擇 氣動調(diào)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(jù)此原則，本設計我們應該選用氣開式調(diào)節(jié)閥。 6 小結(jié)與體會 過程控制系統(tǒng)與儀表這門課是自動控制原理和傳感檢測這兩個學科的延續(xù)。我這次課程設計任務就要要運用這些知識設計一個精餾塔的比值控制系統(tǒng)。本次設計，我分成兩個階段。第一階段，通過圖書館和網(wǎng)絡查閱相關資料，先弄明白精餾塔的工作原理，結(jié)構(gòu)組成以及比值控制系統(tǒng)的理論知識，從而整理出大致的設計思路；第二階段，根據(jù)之前明確的主要方向，確定合適的設計方案，選擇適合的檢測元件，確定調(diào)節(jié)閥的工作方式、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律等。我在這次課程設計中遇到很多困難，其中，最大的難題就是對精餾塔進行比值控制的設計。因為根據(jù)我查詢的各種資料，在精餾過程中，被控參數(shù)不管是精餾段還是提餾段，所選擇的控制系統(tǒng)包括串級控制、前饋-反饋控制、均勻控制甚至一些高級控制，就是沒有比值控制。所以，最終，我自己模擬了一個具體的工藝過程，也