精馏塔提留段温度单回路控制

精馏原理以及工业流程

精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。

图连续精馏装置工艺流程图

精馏塔的特性

精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。 1.2.1精馏塔的静态特性

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。图所示的精馏过程，其物料平衡关系为：

总物料平衡 B D F += （） 轻组分平衡

B

D f x B x D z F ⋅+⋅=⋅ （）

由式（）和（）联立可得：

B B f D x x z D F

x +-=

)(

B D f

D x x z x F D --= （）

式中 F 、D 、B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；

f

z 、D x 、B x ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。

从上述关系可看出：当F D 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即D x 、B x 下降。而当F B 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即D x 、B x 上升。

然而，在F D （或F B ）一定，且f z

一定的条件下并不能完全确定D x 、B x 的数值，只能确定D x 与B

x 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D x 与B x 两个因数，必须建立另一个关系式：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s 可用下式表示：

)

1()1(D B B D x x x x s --=

（） 从上

式可见：随着分离度s 的增大，而B x 减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s 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V 和进料量F 的比值等。对于一个既定的塔来说：

)

(F V

f s ≈ （） 式（）的函数关系也可用一近似式表示：

β

=F

V

In )1()1(D B B D x x x x -- （） 式中β为塔的特性因子。

由式（）、（）可以看出，随着F V 增加，s 值提高。也就是D x 增加，B x 下降，分离效果提高了。由于V 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：F V 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F D /和F V 一定，这个它的分离结果，即D x 与B x 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D L R =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。 1.2.2 精馏塔的动态特性

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。下面以二元精馏塔第j 块塔板为例说明如何建立单板动态方程。 总物料平衡：

dt dM V V L L j

j j j j =

-+--+11 （）

轻组分平衡：

dt

x M d y V y V x L x L j j j j j j j j j j ][1111=

-+---++ （）

式中:L 表示回流量，下标指回流液来自哪块板；

V 表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；

M 指液相的蓄存量；

y x 、分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。

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。

第2章 控制系统设计

单回路系统简介

1.单回路控制系统的结构和类型

反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存在反馈控制。当然只要存在偏差，控制系统就不可能保持在理想控制要求上，而是在理想控制要求的附近摆动，所以反馈控制是接近理想要求，但永远也无法保持理想要求的控制。当被控对象呈现大延迟或受干扰较多，干扰频率较高时，要求系统快速反应实现控制目的时，反馈控制的效果往往不明显。

图单回路控

制系统方框

图

本次课

程设计我

要完成精馏塔提留段温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用

2.单回路控制系统的特点

1、它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。

2、控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。

3、系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护也比较方便，3.前馈-反馈控制系统

精馏塔提留段温度控制系统设计方案

提馏段温度控制系统采用串级控制方案，该控制系统的被控对象是D308塔灵敏板的温度。由于对灵敏板的温度指标要求严格，而其影响干扰又很多，而干扰的存在会直接影响产品的质量，这里的主要干扰是进料流量，它存在容量滞后较大、负荷变化较剧烈、干扰比较频繁的问题。考虑到经济等方面的问题，采用单回路控制。

1.精馏塔提馏段被控变量的选择

被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作，产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。这里对于以温度为操作指标的生产过程，就选择温度作为被控变量，因为温度具有足够大的灵敏度反映产品质量的变化。此外，选择温度作为被控变量时，考虑到了工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。