过程控制课程设计报告——精馏塔的均匀控制系统设计

目录

1 精馏塔控制系统介绍 (1)

1.1精馏塔原理 (1)

1.2控制要求及干扰因素 (1)

2 设计任务及要求 (2)

3 均匀控制系统 (2)

3.1均匀控制概念 (2)

3.2均匀控制系统特点 (4)

4设计方案选择 (5)

4.1方案一简单均匀控制 (5)

4.2方案二串级均匀控制 (5)

5 系统各器件选型 (7)

5.1检测转换元件的选择、性能参数 (7)

5.2调节阀气开气关式选择 (9)

6.系统仿真与分析 (11)

7.小结与体会 (12)

参考文献 (13)

精馏塔的均匀控制系统设计

1 精馏塔控制系统介绍

1.1 精馏塔原理

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。

蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不

同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。

1.2 控制要求及干扰因素

为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求:

(1) 保证产品质量。以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控

制系统。

(2) 保证平稳生产。首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液量应保持在限定的范围内;最后要控制塔内压力稳定。

(3) 满足约束条件。系统必须满足一些参数的极限值所限定的约束条件,如塔内气体流速的上下限、塔内压力极限值等。

(4) 节能要求及经济性。主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。影响产品质量指标和平稳生产的主要干扰因素有: ①进料流量( F) 的波动; ②进料成分( Z F) 的变化; ③进料温度( T F) 和进料热焓值( Q F) 的变化;④再沸器加热剂输入热量的变化; ⑤冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化; ⑥环境温度的变化。

2 设计任务及要求

精馏塔控制系统主要分为三部分控制：

（1）塔釜温度控制精馏塔塔釜温度是产品成分的间接质量指标,要求温度检测点在系统受到干扰时温度变化灵敏,因此塔内测温点设置在灵敏板上,

通过控制再沸器蒸汽流量来实现温度的稳定。本部分可采用前馈- 串级控制系统,可降低对调节阀的要求。

（2）塔顶回流量控制为保证精馏塔物料平衡,使其平稳运行,要控制塔顶和塔底采出量,对塔顶采出用回流量来控制,构成回流罐液位- 回流量串级

控制系统。

（3）塔釜采出量控制第一精馏塔和第二精馏塔是物料连续的过程,第一塔的出料为第二塔的进料,工艺要求第一塔的液位稳定在一定的范围内,第二

塔的进料量必须平稳,如果设置2 个单回路控制系统进行控制,2 个控制

系统将会发生矛盾,解决这个矛盾的有效办法就是采用均匀控制系统。

本次设计任务是针对塔釜采出量设计均匀控制

3 均匀控制系统

3.1均匀控制概念

均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像

一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的。

石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。现以连续精馏的多塔分离过程为例，如图1所示前后精馏塔供求关系。

图1 前后精馏塔的供求关系

显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。对于甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板者除外），影响分离效果，为此装有液位控制系统。当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。显然，这是与甲塔的液位控制系统的工作是相互矛盾的，以致两个系统都无法正常工作。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一种理想的办法。现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，

以满足前后两塔的不同要求。

对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分发挥它的缓冲作用。也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变）。因为：

出入Q Q dt

dH A -= 要起缓冲作用，就要借助于dt dH 的变化。例如，入Q 变化2，可以调节使H

变化1，Q 出变化1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。

由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。因此，均匀控制不是指控制系统的结构，而是指控制目的而言。是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。

3.2均匀控制系统特点

均匀控制的特点有如下三条：

(1)表征前后供求关系的两个参数是矛盾的；

(2)两个参数应该是缓慢变化的；

(3)两个参数只能在允许的范围内波动。 如图2所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。（a ）是单纯的液位定值控制；（b ）是单纯的流量定值控制；（c ）是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。