精馏塔

课题名称：精馏塔装置精馏工段自控系统设计专业班级：
学生学号：
学生姓名：
学生成绩：
指导教师：
课题工作时间：至
目录
一、精馏塔装置的工艺流程
二、自控方案的选择
三、仪表选型说明
四、节流装置或调节阀的数据计算
五、总结
附录：工艺管道及控制流程图
仪表盘正面布置图
仪表盘背面电气接线图
一、精馏塔装置的工艺流程
精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。

精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。

精馏就是将一定浓度的溶液送入精馏装置，是其反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作。

文成这一操作过程的相应设备除精馏塔外，还有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等辅助设备。

本次设计采用了连续精馏装置的流程详见图纸。

精馏是化工、石油化工、炼油生产中应用极为广泛的传质传热过程，其目的是将混合物中各组分分离，达到规定的纯度。

精馏过程的实质，就是利用混合物中个组分具有不同的挥发度，即在同一温度下各组分的蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到气相中，而气相中的重组分转移到液相中，从而实现分离的目的。

一般精馏装置由精馏塔塔身、冷凝器、回硫罐以及再沸器等设备组成。

精馏就是将一定浓度的溶液送入精馏装置，使其反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作。

完成这一操作过程的相应设备除精馏塔外，还有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等辅助设备。

在实际生产过程中，精馏操作可分为歇间精馏和连续精馏两种。

目前，工业上一般所采用的连续精馏装置的流程如图1.1所示。

图1.1 连续精馏装置的流程
在连续精馏过程中，原料液连续不断地进入塔内，塔顶产品和塔釜产品也连
续不断地分别从塔顶和塔釜取走，当操作达到稳定时，每层塔板上液体和蒸汽的浓度均保持不变，而且原料、塔顶产品和塔釜的浓度和流量也都保持定值。

精馏过程可以在常压下进行也可以在高于或低于大气压力下进行。

当所分离的溶液在常压下是气相时，则必须在加压下进行精馏；而分离高沸点的溶液，则常常在减压（真空）下、进行精馏。

本设计的目的是将含有少量甲醇的进料进行再分离，以回收甲醇，可以减少公害有利于环保。

进料进入精馏塔之后，塔顶蒸出的甲醇蒸汽，经冷凝器冷凝后流入回流罐，从回流罐出来的冷凝液一部分冷却后作为本工序的产品输出另一部分由回流泵打入塔顶回流；从塔底采出的塔釜液经冷却器冷却后作为污水排放。

二、自控方案的选择
本塔的产品质量指标有二个：一是塔顶馏出液甲醇纯度>90%,二是塔底排放的污水（即塔釜液）含甲醇量<0.05％。

为减少公害，确保环保要求的排放指标，对塔底釜液中的甲醇含量绝对不能超过控制指标，而塔顶馏出液甲醇纯度只要控制在规定的范围内便是合格，故选取塔底釜液中甲醇含量作为最终产品质量指标予以控制。

精馏塔最直接的质量指标当然是产品成分及含量，而检测成分及含量的仪表当然是分析仪表。

但分析仪表采样周期长、反应缓慢，有滞后大、在线可靠性差的缺点，因此，它们的应用仍然是有限的。

最常用的间接质量指标是温度。

因为对于一个二元组分精馏塔来说，在一定压力下，沸点和产品纯度之间有单值的函数关系。

如果压力已恒定，则塔板温度就间接反映了成分及含量。

也就是说控制了某点的温度，就等于控制了该点的产品质量。

因此，本设计选取了塔底温度作为控制产品质量指标的被控变量。

因为被控变量是塔底温度，而进料又全为液相，一旦F变化首先影响的是塔底温度和轻组分X；加之回流量又大，故按塔底质量指标控制原则，设计了以塔底温度直接控制加热量为核心的间接物料平衡控制方案。

该方案滞后小、反应迅速，对克服进入提馏段的扰动和保证塔底产品质量有利。

该方案有三套调节系统，虽然各自独立，自成系统，有分而治之之态，但都
有内在联带关系，只有整体投运并正常调节，才能有效地进行物料平衡和热量平衡，达到控制产品质量指标的目的。

（1）塔底温度调节系统（TIC-101）
目的是通过塔底温度控制再沸器加热量，使物料平衡和热量平衡之间有了一定关联，使温度恒定。

（2）再沸器液面调节系统（LIC-101）
因为D/F已固定，从物料平衡方程式可知，B只能在通过再沸器液面调节系统，首先在维持再沸器液面一定的前提下，多余者经调节阀排除塔外。

可见排放污水量B并不固定，只有这样才能达到物料平衡。

（3）回流量定值调节系统（FIC-101）
塔顶汽相冷凝液作为回流自塔顶输入，是进料的补充，在F和加热量一定时，若再恒定回流量L，也就相应确定了D和B。

可见，对回流量设定值的改变，有助于物料平衡和调整塔的运行工况。

故在回流泵的出口设置了对回流量的定值调节，其给定值由人工设定。

三、仪表选型说明
在该系统设计中，所用到的仪表有现场指示仪表和控制室仪表。

在选型时大都采用DDZ－Ⅲ型系列。

（1）回流泵压力指示：
变送器：选用DBY－1300型压力变送器。

概述：DBY型压力变送器是DDZ－Ⅲ型电动组合仪表中变送仪表的一个品种，用以连续测量液体、气体或蒸汽的压力及负压，也可以测量开口容器的液位、并把被测介质的参数转换成为4～20mA的直流信号输出。

它与Ⅲ型电动组合仪表中的其它仪表及工业巡回检测装置等组合成各种测量、记录、调节及控制等系统。

技术参数：
输出信号：4～20mA.DC 负载电阻：250～350Ω
工作条件：
环境温度：-25～+60℃相对湿度：≤95％
工作振动：频率≤25Hz全振幅≤0.1mm
周围空气中不应含有对铬、镍镀层、有色金属及其合金其腐蚀作用的介质。

电源电压：24V.DC 功耗：6W
指示仪：选用XMZ-105数字显示仪
技术参数：
输入信号：0～10mA,4～20mA,0～5V,1～5V
量程显示：-1999～＋1999大数码
精度等级：0.5
外形尺寸(mm)：96×96,160×80,80×160
（2）再沸器液面调节系统
变送器：选用DBUT－4220浮筒液位变送器。

概述：DBUT型液位变送器是DDZ－Ⅲ型电动组合仪表中变送仪表的一个品种，用以连续测量开口容器或受压容器中的液位、不同比重液体的界面及液体的比重。

并将被测介质的参数转换成为4～20mA直流信号输出。

它与Ⅲ型电动组合仪表中的其他仪表及工业巡回检测装置和计算机等可组合成各种测量记录、调节及控制系统。

技术参数：
输出信号：4～20mA.DC 负载电阻：250～350Ω静压误差： 3％
工作条件：
环境温度：-25～+60℃相对湿度：≤95％
工作振动：频率≤25Hz全振幅≤0.1mm
周围空气中不应含有对铬、镍镀层、有色金属及其合金其腐蚀作用的介质。

电源电压：24V.DC 功耗：6W
控制器：选用DTZ-2100型全刻度指示调节仪。

（3）回流量定值调节系统
变送器：选用DBLB－5020靶式流量变送器。

概述：DBLB型靶式流量变送器是DDZ－Ⅲ型电动组合仪表中变送仪表的一个品种，用以连续测量高粘度介质和带有悬浮颗粒介质的流量，也可以用来测量一般液体的流量。

并将被测介质的参数转换成为4～20mA直流信号输出，使用本仪表不需要安装截留装置，可以直接安装在管道上。

技术参数：
作用于靶上的力：8～80N 输出信号：4～20mA.DC
输出信号：4～20mA.DC 负载电阻：250～350Ω
最大工作压力：6.4MPa 最高介质温度：150℃
工作条件：
环境温度：0～50℃相对湿度：≤95％
工作振动：频率≤25Hz全振幅≤0.1mm
周围空气中不应含有对铬、镍镀层、有色金属及其合金其腐蚀作用的介质。

电源电压：24V.DC 功耗：6W
控制器：选用DTZ-2100型全刻度指示调节仪。

（4）精馏塔精馏段温度控制系统
热电偶：选用镍鉻－康铜热电偶
分度号：EA-2 JIS代号：EA 温度测量范围：0～600℃响应时间：5～20s 变送器：选用DBW－1110型热电偶温度变送器。

概述：它将测温电偶随温度变化的毫伏信号转换成1~5V直流或4~20mA直流的输出信号，用以供给记录仪、温度指示仪、调节器等组成检测系统，以便对生产过程实现检测或自动控制。

技术参数：
输入信号：测温电偶所检测的温度变化的毫伏信号
输出信号：1～5V.DC；4～20mA.DC 负载电阻：0～250Ω
工作条件：
环境温度：0～50℃相对湿度：≤85％
工作振动：频率≤25Hz 全振幅≤0.1mm
周围空气中不应含有对铬、镍镀层、有色金属及其合金其腐蚀作用的介质。

电源电压：24 5％V.DC 功耗：2W
控制器：选用DTZ-2100型全刻度指示调节仪
概述：接受变送器或转换器来的1～5V直流信号。

对被控值与给定值之差即偏差进行比例、微分、积分运算输出4～20mA直流信号送至执行机构，实现
对温度、压力、液面、流量等工艺参数的自动调节。

技术参数：
输入信号：1～5V.DC 内给定信号：1～5V.DC
外信号给定：4～20mA.DC 输出信号：4～20mA.DC
负载电阻：250～750 Ω最大工作电流：约150mA
工作条件：
环境温度：0～50℃相对湿度：≤85％
工作振动：频率≤25Hz 全振幅≤0.1mm
周围空气中不应含有对铬、镍镀层、有色金属及其合金其腐蚀作用的介质。

电源电压：24V.DC 功耗：6W
指示仪：选用XMZ－101型数字温度显示仪
概述：XMZ-101型数字温度显示仪与热电偶、热电阻配合使用，对工业生产过程中的气体、液体、蒸汽和烟气等温度进行测量显示，具有直观稳定可靠，耐振性好等优点，广泛应用于工业生产，实验室科研单位进行精密温度测量。

技术参数：
供电电源：AC220V，50Hz 功耗：小5VA
工作条件：环境温度：0～50℃相对湿度：≤90％
外形尺寸：160ⅹ80ⅹ210（mm）
开孔尺寸：152ⅹ76（mm）
精度等级：0.5级
分度号：测量范围：
S 0～1600℃
K 0～1300℃
B 600～1700℃
R 0～1600℃
E 0～800℃
四、节流装置或调节阀的数据计算
（1）节流装置
节流装置是使管道中的流量产生局部收缩的元件，包括孔板，喷嘴，和文丘里管。

流体在管道中流动，经过节流孔时，通道截面积突然变小，因而流速增加，动能增加，根据能量守恒原理，势必导致静压能减少，这样的节流装置上下游之间产生了静压差。

流速越大，压差越大。

从而可通过测量节流装置上下游之间的产生的压差得出流量得大小如下图所示。

在孔板前后流体得速度和压力得分布情况。

流体在管道截面I 前，以正常得速度V1流动，静压力为P1在接近节流装置时，由于流通面积得减少，形成了流束得收缩及流速得增加，通过孔板后，在惯性作用下流速继续收小，流速继续增加，到截面II 处流束，流速最大为V2，此时静压力为P2。

随后流束又继续逐渐扩大，速度减慢，到截面III 后完全恢复。

此时得静压力P3由于在孔流得端面处，流通截面突然缩小和扩大，使流体形成局部涡流，损耗了一部分流量，同时流体流经孔板时，克服摩擦力要消耗能量，所以流体得静压力不能恢复到原来的饿数值P1，产生了压力损失。

压差12P P P ∆=-和流量之间的关系是根据伯努利方程和流体连续性原理
推导出来的，它们之间的关系为
Q F M F αεαε== 式中，α——流量系数，它与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面之比m 、等因素有关；
ε——校正系数，它与孔板前后压力的相对变化量等因素有关；
F——节流装置的开孔截面积；
∆——节流装置前后实际测得的压力差；
P
ρ——节流装置前的流体密度
由上式可知，流量系数α是个关键参数，对于标准节流装置，其值可以从有关手册中查到；非标准节流装置，其值可以由实验方法确定。

所以任何一个节流装置有关对应的α值，不同的装置α值亦不同。

（2）调节阀
调节阀的选择：气动薄膜调节阀选用的正确与否是很重要的，选用调节阀时，一般要根据被调介质的特点（温度，压力，腐蚀性，黏度等），的调节要求，安装地点等因素，参考各种类型调节阀的特点合理的选用。

1、调节阀结构的选择需要考虑到两点
1）调节介质的工艺条件，如温度，压力及介质的物理，化学特性来选择。

2）调节阀的结构形式确定以后，还需要确定调节阀的流量特性，一般是先按调节系统的特点来选择阀的希望的流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性，使调节阀安装在具体的管道系统中，畸变后的工作流量特性能满足调节系统对它的要求，所以目前使用比较多的是等百分比流量特性。

2、调节阀的气开和气关的选择
1）有信号压力时阀关，无信号压力时开——气关式
2）反之——气开式
由于执行机构有正反作用，调节阀也有正反作用，因此气动执行器气开或气关即由此组合而成。

气开和气关的选择主要从工艺生产上安全要求出发，考虑原则：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全，阀打开危害小，选气关，当气源中断时，阀门自动打开，安全；反之当阀处于关闭时危害小，选气开阀。

3、调节阀流量特性口径选择
调节阀口径选择的合适与否将会直接影响到调节效果，口径选择的过小，会使流经调节阀的介质达不到所需要的最大流量。

大的干扰情况下，系统因介质流量的不足而失控，调节效果差，若企图通过开大旁路阀来弥补介质流量的不足，阀的流量特性产生畸变，口径选择的过大，浪费投资设备，会使调节阀经常处于
小开度工作，调节性能也会变差，容易使调节系统变的不稳定。

调节阀的口径选择是由调节阀流量系数C 决定的，其定义为：在给定的行程下，当阀两端压差为100KPA ，流体密度为1g/cm3时，流经调节阀的流体流量
其表示调节阀容量的大小，是表示调节阀流通能力的参数。

对于不可压缩的流体，且阀前后压差12P P -不太大，其流量系数C 的计算公式为
10C =式中：ρ——流体密度，12,P P ——阀前后的差压，Q ——流经阀的流量
五、总结
为期两周的控制工程课程设计很快就结束了，在这短短的两周中我的收获很多。

通过本次的课程设计，锻炼了我的自控工程设计的实际能力，更加深刻的体会到学习与实践的联系，最让我感怀的是学会了绘制工程图纸，Auto CAD 绘图软件我是从无知到有所领悟。

至少现在我能够保证给一张图给我画，我能很熟练的画出来。

这个能力对我将来的继续发展有很大的帮助。

通过这次课程设计，使我有机会重新温习了所学的专业知识，并能够将从书本上学来的知识应用到实际中去。

通过这次课程设计，我还发现其实还有很多东西自己并没有真正弄懂，还有很多要学，还有很多要记，还有很多要去掌握，在今后的日子中我一定会更加努力的去学习专业知识，不断充实自己的知识，提高自我水平。

通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了,才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的能力。

这个实验十分有意义，我获得很深刻的经验。

我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究。