精馏塔塔釜温度控制系统

摘要
在石油、轻工、化工等生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产品中的组成部分进行分离，而精馏是最常用的方法。

精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。

分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。

精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。

精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较为复杂、动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔结构差别很大，而工艺对控制的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。

我们此次设计就是要设计一个精馏塔温度的控制系统。

要求当物料进入精馏塔时，塔釜的温度可控并且温度恒定，保证生产的连续性。

关键词：精馏、多输入多输出、动态响应。

第1章绪论
精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。

它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。

经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，也就是说在提馏段上升的轻组分的易挥发组分逐渐增多，难挥发组分逐渐减少，而下降液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增多，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。

精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。

维持正常的塔釜温度，可以避免轻约分流失，提高物料的回收率；也可减少残余物料的污染作用。

影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。

一般情况下精馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。

灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。

以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保证。

从上述干扰分析来看，有些干扰是可控的，有些干扰是不可控的。

从而选择一种可靠并且稳定的控制系统是非常重要的。

第2章控制方案的设计
2.1 设计要求
1．塔釜温度控制在800±0.5℃；
2．生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，要保证精馏塔正常工作；
3．塔釜及相关期间要经济实用。

2.2 方案设计
精馏塔的干扰因素：
1．进料量波动的影响；
2．进料成分波动的影响；
3．进料温度波动的影响；
4．蒸汽压力波动的影响；
5．回流量和冷剂量波动的影响。

精馏塔的扰动如图2.1：
图2.1 系统扰动
根据扰动的分析，系统设计方案主要考虑前馈和串级两种控制方案。

2.2.1 塔釜温度的前馈控制
首先介绍什么叫静态前馈控制，即静态前馈控制的原理。

所谓静态前馈控制原理就是指前馈控制器的输出信号仅仅随着输入信号（干扰信号）d大小的函数，而与时间因子t无关。

因此，前馈控制作用可以简化为：
M f=f(d) （2-1）通常将上式的关系近似的表示为线性关系，则前馈控制器就仅仅参考器静态放大系数作为矫正的依据，即：
W t(s)=-k f=-k d／k o（2-2）式中，k d，k o分别为干扰通道和控制通道的放大系数，一般来说k f可以用实验方法来获得，如果有条件列写对象有关参数的静态方程，则可以通过计算来确定。

在精馏塔塔釜的温度控制中，扰动可以测量但是不好控制，并且干扰幅度较大。

蒸汽压力的变化是塔釜温度的主要干扰量，控制对象则是塔釜的温度。

塔釜温度前馈控制的系统框图如下：Array图2.2 塔釜温度前馈控制
精馏塔中的前馈控制如图2.3：
图2.3 精馏塔中的前馈控制
2.2.2 塔釜温度的串级控制
串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。

其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器。

通过实际改造和使用，串级调节与单回路控制相比较，串级控制有许多优点：
1、抗干扰性强。

由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。

同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。

表现更为突出。

2、及时性好。

串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。

3、适应能力强。

串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。

通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很高，随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型控制系统的应用和普及，精馏塔的分离质量将会越来越好，分离精度也将会越来越高。

塔釜温度串级控制示意图如图2.4：
图2.4 塔釜温度串级控制示意图
2.3 方案选择
由于前馈控制因不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。

由于本设计主要考虑物料、压力等物理量对精馏塔釜温度的影响，并且干扰变化剧烈，幅度大，有时从0.5Mpa 突然下降到0.3Mpa ，压力变化40％。

干扰幅度较大，所以应用串级控制系统。

第3章 系统各仪表选型
3.1 系统方框图
图3.1 系统方框图
3.2 温度传感器的选择
热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。

热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

铂铑10－铂热电偶传感器测温范围在0~1600℃，WRP型铂铑10－铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0~1600℃环境下。

3.3 执行器的选择
调节器是控制系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。

执行器在控制系统中夜起着重要的作用，它直接实施控制系统的动作就好像人体的五官和手脚一样，大脑是调节器，而手就是执行器。

执行器是一种现场类仪表因此它的精度、使用寿命、抗干扰和环境的适应能力等就是人们所关注的指标。

控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：
1．按动力来源分，有气动和电动两大类；
2．按动作极性分，有正作用和反作用两大类；
3．按动作特性分，有比例和积分两大类。

3.4 调节器的选择
调节器是控制系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。

3.5 调节器与执行器、传感器的选型
调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4~20mA直流电流和1~5V直流电压。

信号电流和电压的转换电阻为250Ω。

器件选型如表3.1所示：
表3.1 器件选型
第4章系统控制规律选择及参数整定
4.1 PID参数
调节器1：P=20；I=45；D=0；Sn=33；CF=0；ADDR=1；SV=8；DIH=50；DIL=0。

调节器2：DIH=100；DIL=0；Sn=33。

4.2 控制器的正反作用选择
控制阀：气开式取“+”号，气关式取“-”号；
控制器：正作用取“+”号，反作用取“-”号；
对象：当控制阀的物料或能量增加的时候，若被控量随之增加取“+”号，反之取“-”号；
变送器：一般为正环节；
气开阀随着控制信号的增大而开度增大，当无压力控制信号的时候，阀门处于全关闭状态；
当物料及蒸汽压力加大的时候阀门处于气开状态；
当物料流量增加的时候，输出物料也会增加，同时精馏塔本身容量的限制会控制这个流量的大小，所以控制器选择反作用，调节器即为正作用。

第5章系统仿真根据参数整定做系统的仿真实验，仿真图如图5.1：
图5.1 系统仿真图
第6章设计总结
本次设计利用多种器件来完成系统控制，充分结合了所学的知识来完成系统设计，使本系统成功的对精馏塔塔釜温度的调节与控制，具有良好的使用性和经济型，为精馏塔温度的控制起到了积极的作用。

整个系统结构简单，操作方便、灵活，具有良好的使用价值和市场经济价值。

在本次设计中，应用的串级控制系统对于扰动的处理非常好，可以更好的处理系统的扰动因素。

选用的温度传感器和相应的调节器、执行器都很好的完成了工作，器件经济实用，维护方便。

但也有不足之处，比如在仿真的时候参数整定不太好，仿真效果不好。

有些气开、气关模式的选择还有待商榷。

虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。

多和同学讨论。

我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。

讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。

多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

参考文献
[1]李永华.过程控制仪表.第一版.天津大学出版社.2007
[2]李玉明.检测仪表及自动化.第二版.北京化工大学出版社.2009
[3]邵裕森.过程控制系统.第一版.上海交通大学出版社.1995
[4]姜人杰.集散控制系统及应用.第三版.化工工业出版社.2005
[5]徐翔远.自动化仪表.第一版.清华大学出版社.2001
目录
摘要 (1)
第1章绪论 (2)
第2章控制方案的设计 (3)
2.1设计要求 (3)
2.2方案设计 (3)
2.2.1 塔釜温度的前馈控制 (3)
2.2.2 塔釜温度的串级控制 (5)
2.3方案选择 (6)
第3章系统各仪表选型 (6)
3.1系统方框图 (6)
3.2温度传感器的选择 (7)
3.3执行器的选择 (7)
3.4调节器的选择 (7)
3.5调节器与执行器、传感器的选型 (7)
第4章系统控制规律选择及参数整定 (8)
4.1PID参数 (8)
4.2控制器的正反作用选择 (8)
第5章系统仿真 (9)
第6章设计总结 (10)
参考文献 (11)。