石油化学炼制工业制程与控制模拟

石油化学炼制工业制程与控制模拟
训练软件
一、实验目的
1.熟悉工业制程与控制仿真软件。

2.明了制程与控制实验之设定与技巧。

二、系统架构说明
DebTrn是一套用在石化与化工业的计算机辅助软件，结合了蒸馏塔单元操作、基本单元操作、化工过程控制原理与实务，配合计算机仿真技术与计算机辅助教学系统技术，虽不比工厂实务，却可充分呈现实务与理论。

仿真训练程序系统共有八个仿真程序，名称如下：
1. 串级控制回路–液位
2. 串级控制回路–压力
3. 串级控制回路–温度
4. PID控制回路–流量
5. PID控制回路–液位
6. PID控制回路–温度
7. PID控制回路–压力
8.去丁烷蒸馏塔冷态启用操作
本实验应用软件架构如下：
液位程序
串级控制压力程序
温度程序
自学模式流量程序
液位程序
PID调谐压力程序
温度程序
DebTrn
去丁烷蒸馏塔冷态启用
串级控制
测验模式 PID调谐
去丁烷蒸馏塔冷态启用
三、仿真程序系统说明
在计算机桌面DebTrn的ICON，进入「石油化学炼制工业制程与控制仿真训练软件」。

3.1 串级控制回路
串级控制回路的切换操作须注意下列事项： 1. 注意流程的关系，操作方向要正确。

例：液位太高，应增加输出流量；液位太低，则减少输出流量。

例：气体储槽压力太高，增加流量；气体储槽压力太低，减少流量。

例：温度太高，应减少蒸气流量；温度太低，则增加蒸气流量。

2. 控制器由MAN MODE 切换至AUTO MODE 时，SP 与PV 值要接近。

评分规则是以超出控制回路范围
的3 %为扣分基准。

在新式的控制器系统，大多可设定“追踪模式”（TRACKING MODE ），即控制器不在AUTO 或CASC MODE 时，控制器自动将SP 值设为与PV 相同，以达成所谓BUMPLESS 转换的目的。

3. 串级控制内环路由AUTO 或MANU MODE 切至CASC MODE 时，也类似外环路的输出值OP 要与内环
路的设定值SP 一致。

所谓一致并不表示数值一定相同。

因为输出值OP 的范围通常为0~100 %，而举例如果流量为0~3 TON/HR ，则在内环路为1.5 TON/HR 时，要先将外环路的输出值OP 改为50 %，即比例相同的状况下，再作切换。

4. 串级控制外环路由MAN 切换至AUTO MODE 时，除了要注意同第二项所述的SP 与PV 值要接近外，
尚需注意内环路是否为CASC MODE ，否则并未构成完整串级控制回路。

3.1.1 液位程序
本程序是由一个液体储槽为程序本体，进料成份为水，以固定流量进入液体储槽，槽底为液体出口，经由一已启动帮浦输送，再经控制阀调节输出流量大小。

图4-1 串级控制回路-液位
-
-
液體儲槽 T-101 液體幫浦 P-101 流量控制閥 FV-101
3.1.2 压力程序
本程序是以一个气体储槽为程序本体，进料成份为空气，以固定流量进入气体储槽，槽顶为气体出口，再经控制阀调节输出流量大小，流量控制器控制流量，调节流量以控出气体储槽压力。

氣體儲槽T-205
出口控制閥FV-205
PRC205
图4-2 串级控制回路-压力
3.1.3 温度程序
本程序是由一个壳管式热交换器(E-102)为程序本体，壳侧进料为150℃水蒸气，加热管侧进料的水，由20 ℃加热至60 ℃，水蒸气冷凝成150℃的水。

温度控制器TRC102串级控制进料水蒸气流量控制器的设定值，控制加热温度保持在设定点60 ℃。

殼管式熱交換器E-102
溫度控制閥
FV-102
3.2 PID 控制回路 3.2.1 流量程序
本程序是由一个流量控制阀为程序本体，水通过锐孔流量计再经过流量控制阀FV-201，由流量控制器FRC201控制流量在设定点60 Ton/hr 。

图4-4 PID 控制回路-流量
3.2.2 液位程序
本程序是由一个液体储槽为程序本体，进料成份为水，以固定流量进入液体储槽，槽底为液体出口，经由一已启动帮浦输送，再经控制阀调节输出流量大小。

图4-5 PID 控制回路-液位
3.2.3 温度程序
本程序是由一个壳管式热交换器(E-204)为程序本体，壳侧进料为150℃水蒸气，加热管侧进料的水，由20 ℃加热至60 ℃，水蒸气冷凝成150 ℃的水。

温度控制阀TV-204调节进料水蒸气流量的大小，控制加热温度保持在设定点60 ℃。

Feed
[Fixed Flowrate]
P-202
Pump[Running]
Liquid Tank T-202
LV-202 Outlet 流量控制閥 FV-201 流量控制器 FRC201
液體儲槽 T-202 液體幫浦 P-202
流量控制閥 LV-202
液位控制器 LRC202，調節流量控
殼管式熱交換器 E-204 溫度控制閥
3.2.4 单回路压力控制
本程序是以一个气体储槽为程序本体，进料成份为空气，以固定流量进入气体储槽，槽顶为气体出口，再经控制阀调节输出流量大小，控制储槽压力。

图4-7 PID控制回路-压力
3.3 蒸馏塔冷态启用
本项目仿真一个8个理论板的去丁烷蒸馏塔，多成份进料主要是C4与C5，另含微量的C3和C6，在第4板进料。

塔顶蒸汽产物经过水冷式全冷凝器，冷凝液由回流储槽收集，部分塔顶产物依设计的1.8回流比率，从回流储槽经泵打回塔内，而部份冷凝产物由回流槽的液位控制流出量。

塔底再沸器，通入高压蒸气加热塔底进料，使其汽化，是本座蒸馏塔之热量供应源。

利用轻成分（沸点较低者如C3、C4）会上升，在塔顶被冷凝下来，而重成分（沸点较高者如C5、C6）会在塔底产生之蒸馏原理，达到去丁烷塔之分离目的，塔底得到欲得的产物。

Gas Feed [Fixed Flowrate]
Gas
Tank
T-203
Outlet
PV-203
氣體儲槽
T-203
图4-8 去丁烷塔冷态启用画面
产品产量和组成是由进枓流量、回流流量和塔温所控制，操作目标：
塔顶回流量为 157 Ton/hr
进料量为 108 Ton/hr
塔底和回流槽液位 60 %
塔顶压力为4.8 kg/cm2G
塔顶产品C4和塔底产品C5纯度大于 0.8
本系统进料流量由FRC-101所控制，依产品产量，调整进料流量。

第三板温度由TRC-102串级控制FRC-102之蒸汽供给量而定，由于两者之范围单位不同，再切换成串级控制时，必须：TRC-102之OP = [FRC-102之SP] / 3 * 100
塔压由PRC-104控制，藉由开关冷凝器的出口阀达到控制目的。

回流流量由FRC-106固定，增加回流流量可提高产品纯度。

塔底液位和回流储槽的液位分别由LRC-103和LRC-105控制，藉由开关塔底与塔顶产品之出口阀达到控制液位的目的。

设计条件：进料1778.2 Kgmole/h或108 Ton/h
成份－丙烷0.0062 (莫耳分率)
异丁烷0.4581
正丁烷0.3435
异戊烷0.0960
正戊烷0.0960
正己烷0.0001
进料温度70 ℃
进料压力900 Kpa (约8 kg/cm2G)
板数7个理论理想板
板效率100 %
塔顶产品1470.1 kgmole/hr或86 Ton/h
塔顶产品温度49 ℃
塔底产品308.1 kgmole/hr或22 Ton/h
塔底产品温度97.7 ℃
回流量700 Ton/h
控制第3板88 ℃
3.3.1 实验步骤
1.建立塔底液位：由FRC-101及LRC-103分别控制进料与塔底液位，打开进料流量前请检查各设备状
况，各操作模式及输出值，再进行塔底液位建立。

2.建立基础蒸汽：由FRC-102控制蒸汽量大小，打开蒸汽阀前，请开冷却水阀(HV-102)与冷凝水阀
(HV-101)。

3.建立塔顶压力：塔顶压力由PRC-104控制，操作条件在
4.8 kg/cm2下时，首先建立塔顶压力PRC-104
为自动模式。

4.建立回流槽液位：回流槽液位由LRC-105控制，液位不可溢满(达100 %)。

(LRC–103、LRC–105
之PV值要有超过50 %的记录)
5.建立去丁烷塔之质量平衡：利用FRC-101、FRC-102、FRC-106，建立去丁烷塔之质量平衡。

6.建立塔槽质与能平衡：利用FRC-102、FRC-106、TRC-102，建立塔槽质量与能量平衡，TRC-102与
FRC-102系串级控制。

7.建立连续进料：利用FRC-101、FRC-106、LRC-103、LRC-105建立去丁烷塔设备的连续进料。

8.试题结束前确认操控状态：各设备的操控模式皆应切换至AUTO MODE (FRC-102 MODE为Cascade) 3.3.2 去丁烷塔启用冷态启动之主要步骤
1. 事先检查设备与仪表
(1)帮浦是否停止运转---在停止状态。

(2)手动阀是否关着---阀开度为0。

(3)控制器输出值是否为0。

(4)控制器是否在手动模式。

(5)开启再沸器的排放水阀后，再关闭。

(6)打开冷却水阀，务必全开。

2. 打开进料：待液位上升至10 %以上，50 %以下。

3. 打开蒸汽开始加热
蒸汽开约5%，再逐渐升高。

塔压会上升，塔底液位会下降。

4. 视塔压高低状况，逐渐打开压力控制阀待回流槽液位逐渐上升。

5. 打开回流量控制器与启动回流帮浦建立全回流。

6. 待塔顶产品合乎规格，开启液位控制阀。

7. 待塔底产品合格开启塔底液位控制阀。

8. 切至AUTO MODE / CASC MODE。

3.3.3 评分原理解说
1. 本仿真系统无SLOPPY TANK
塔底液位不可满，但除非连续五分钟以上，否则并不扣分。

排放不合格产品扣1～4分。

2. 评分方式须以扣分方式进行，因并无所谓标准步骤或标准答案，难以采加分方式进行。

3.操作顺序错误则扣分
冷却水阀与冷凝水排放阀须比蒸汽先开。

4. 不符操作原则要扣分
液位＞100%连续5分钟(扣5分)。

回流槽液位低而回流量未关小(扣5分)。

答题完毕后，5分钟内仍有ALARM发生(扣5分)。

5. 答题完毕或时间到时应符合之完成状态
(1)进料量80～140 kg/hr。

(2)塔压4.5～5.3 kg/hr。

(3)液位20～95 %。

(4)帮浦均已启动。

(5)控制器均不为手动模式。

(6)产品规格0.8以上(80 %)。

四、注意事项
1.自备磁盘2张。

2.计算机仪器不使用时，应关机。

五、结果整理
1.串级控制回路：液位、温度、压力之阀开度控制与扣分表（扣分＜5），利用「PrintScreen」按
键，复制至小画家，共3张。

2.针对上述结果图形，加以讨论说明。

3.PID回路：流量、液位、温度、压力，找出最佳PID控制条件，见表4-1，5分钟内达稳定，复
制画面至小画家，共4张。

表4-1 最佳PID回路控制表
4.针对上述结果图形，加以讨论并说明。

六、讨论
1.PC模拟训练机分为那些部份?
2.去丁烷塔启动帮浦前需注意哪些设定或技巧？
3.为何在开启蒸汽前，须先打开冷却水阀与排放再沸器冷凝水？
4.在做此实验时，为何在蒸汽流量的控制最后要改成串级控制？
5.参数设定时，需要注意到哪些？
6.找出各个实验控制系统，所使用的控制器为何？
7.说明CV、SP、PV、LRC、FRC、MANU、AUTO之意义。

8.说明增益值、重整时间及微分时间所代表之数学意义及物理意义。

9.说明P、PI、PID之控制特性，并绘出三个特性之控制图。

10.何谓cascade control ?CSTR实验中所指的cascade control为何?
11.串级控制之优缺点及使用规则。

12.说明蒸发与蒸馏之特性与原理。

13.说明连续蒸馏与批示蒸馏使用之功能与特性有何差异？
14.试以蒸汽压说明一开口容器盛装戊烷/己烷混合物，何者蒸发快？
15.某工厂有去甲烷塔（分离H2和CH4）、去乙烷塔（分离C2H4和C2H6等）、去丙烷塔（分离C3H6和
C3H8等）和去丁烷塔（分离C4H6、C4H8和C4H10等），压力分别由30 kg/cm2G逐塔下降至4.8 kg/cm2G。

请问这和蒸汽压有何关系？为何去甲烷塔的压力需要高达30 kg/cm2G？
16.什么情况下会使用真空蒸馏塔？
17.增加蒸馏塔的理想板数对塔顶产品有何影响？
18.增加蒸馏塔顶回流量对塔顶产品有何影响？
19.请针对自己被扣分的项目提出改善计划及操作改善的报告，做为日后操作的依据？
20.说明本软件之设计缺失。