WHUT过程控制系统与仪表课程设计

学号：

课程设计

题目精馏塔提馏段温度串级控制系统设计

学院自动化学院

专业自动化专业

班级自动化1004班

姓名

指导教师贺远华

2014 年 1 月10 日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：自动化1004班

指导教师：贺远华工作单位：自动化学院

题目: 精馏塔提馏段温度串级控制系统设计

初始条件：

针对精馏过程中传统PID控制普遍存在的时滞问题，以计算机为控制器，提馏段温度为主控对象，蒸气流量为副控对象，设计一个精馏塔提馏段的温度控制系统。

要求完成的主要任务:

1、了解精馏塔控制的工艺要求和特性

2、系统控制方案设计

3、分析系统调节原理

4、确定控制参数

时间安排

月日选题、理解课题任务、要求

月日方案设计

月日参数计算撰写说明书

月日答辩

指导教师签名： 20 年月日

系主任（或责任教师）签名： 20 年月日

目录

摘要 (1)

1.绪论 (2)

1.1精馏原理 (2)

1.2串级控制 (3)

2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 (4)

2.1变量的选择 (4)

2.2 工艺描述 (4)

2.3 精馏塔精馏段控制的原理 (5)

3.设计方案 (7)

3.1控制方案类型 (7)

3.2控制方案的选择 (8)

4．系统各仪表选择 (13)

4.1 检测变送器的原理 (13)

4.1.1 温度变送器的选择 (13)

4.1.2 流量变送器的选择 (14)

4.1.3 液位变送器的选择 (15)

4.2 执行器的选择 (15)

4.3 调节器的选择 (16)

4.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 (17)

5.系统仿真 (18)

5.1串级控制系统matlab仿真分析 (18)

5.2液位控制系统仿真分析 (20)

心得体会 (22)

参考文献 (23)

本科生课程设计成绩评定表 (24)

摘要

随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。

影响物料平衡因素包括进料量和进料成分变化，顶部馏出物及底部出料变化；影响能量平衡因素主要包括进料温度或热焓变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量变化，及塔的环境温度变化。采用串级控制系统能有效地去除蒸汽压强的波动对温度的影响。使用超驰控制系统控制釜液输出端，在塔釜温度较低时，塔底不出料只有当温度达到低线以上，液位控制器取代温度控制器以后，才有出料排出。

关键词：提馏段温度串级控制超驰控制

1.绪论

精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备组成，如图1所示。

图1-1 简单精馏控制示意图

进料流量 F 从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板称为进料板。进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。

1.1精馏原理

在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。例如对于A、B 两种混合物的分馏，纯A 的沸点是140℃，纯B 的

沸点是175℃。如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图1-2中的液相曲线所示。

图 1-2 液相曲线

设原溶液中 A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A 占45.8%，B 占54.2%；如果使此冷凝后的混合液体沸腾，其沸点是154.5℃。这时气相组分比又变成A 占73.5%，B 占26.5%，这样反复进行上述操作，不断蒸发和冷凝，最终就可将A 分离出来。1.2串级控制

串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程控制中得到了广泛的应用。对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度的因素很多：被加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回路控制系统并不能把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统来实现。

2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构

单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控制问题。对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求。串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势。

2.1变量的选择

被控变量的选择

对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控量。对于多元精馏塔．由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物。在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系。误差较小。因此。绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。 操纵变量的选择

精馏段的温度控制精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标．在恒压下根据温度检测点的位置不同。有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。而回流量L 的动态响应快，温度稍有变化，即可通过调节回流量L 加以控制，能够很好的克服扰动对选择如图1所示在精馏塔精馏段影响。

2.2 工艺描述

影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而精镏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，分析精馏塔的无聊和能量平衡对制定精馏塔精馏段的控制至关重要。

精馏塔的基本关系。

以二元简单精馏为例，介绍物料平衡和能量平衡的基本关系。

物料平衡：

f B D B

z x D F x x -=- (2-1)