精馏塔的比值控制系统设计(毕业设计)

精馏塔控制系统课程设计

摘要

在石化工业中，许多原料、中间产品或粗成品往往是由若干组分形成的混合物，需要通过精馏过程进行分离。精馏是利用混合液中不同组分挥发温度的差异将各组分分离的过程。精馏塔是精馏过程的关键设备。统计资料表明，在石化工业中，40%~50%的能量消耗在精馏设备中，精馏塔是过程控制的重要控制对象，一直受到控制领域的关注。

精馏塔由多级塔盘组成，内在工作机理复杂。在精馏过程中，工作参数对控制作用的响应缓慢，不同变量之间存在相互关联，因此，精馏塔是一个多参数的被控过程；不同工艺要求的精馏塔结构不同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制方案繁多；另外，精馏工艺控制要求较高，控制相对困难。只有对生产工艺进行深入分析，才可能控制出合理的控制系统。

本次设计中，通过对合成甲醇精馏过程的模拟，我们具体了解和掌握比值控制系统的工作原理。

关键词：精馏；精馏塔；多参数控制；定值控制；合成甲醇精馏

太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计

目录

摘要 (1)

1 精馏塔控制系统介绍 (1)

1.1 精馏塔原理 (1)

1.2 精馏塔的控制要求及主要干扰因素 (1)

1.2.1 精馏塔的控制要求 (1)

1.2.2 精馏塔的干扰因素特性 (2)

2 精馏塔控制方式的选择与论证 (3)

3 定值控制系统 (4)

3.1 定值控制系统简介 (4)

3.2 定值控制系统的设计 (4)

4 甲醇精馏的比值控制系统 (6)

5 系统各器件选型 (7)

5.1检测转换元件的选择 (7)

5.2 调节阀气开气关式选择 (9)

6 小结与体会 (10)

参考文献 (11)

1

太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计

精馏塔的定值控制系统设计

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 精馏塔的控制要求及主要干扰因素

1.2.1 精馏塔的控制要求

为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,精馏塔自动控制系统应满足如下要求:

(1)保证产品质量。精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。

(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

1

精馏塔控制系统课程设计

2

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。

1.2.2 精馏塔的干扰因素特性

图1表示精馏塔物料流程图。在精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种。

图1 精馏塔物料流程图

（1）进料流量F 的波动。如果精馏塔位于整个生产过程的起点，则可采用定值控制系统。

（2）进料成分ZF 的变化。进料成分是由上一道工序出料或原料情况决定，对图1所示精馏塔来讲，它是不可控的扰动因素。

（3）进料温度TF 和进料热焓值QF 的变化。一般情况下进料温度是比较恒定的，如果进料温度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保证其热焓值稳定。当进料是气液两相的比例恒定时，恒温进料的热焓值才能恒定。为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过热焓控制来维持进料热能恒定。

（4）再沸器加热剂输入热量的变化。当加热剂是蒸气时，通过再沸器输入精馏塔的热量扰动往往是由蒸气压力变化所引起的，这一扰动可通过在蒸气总管设置压力控制来加以克服，或者通过温度串级控制系统的副回路予以克服。 回流泵 冷凝器 气液分离器 精馏塔 进料 再沸器 塔底产品 塔顶产品 冷剂

热剂 Q W

Q D F,z F L L L D V

太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计

3

（5）冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化。其变化主要由冷却剂的压力或温度变化引起的，吸收热量的变化会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。

（6）环境温度的变化。环境温度一般变化较小，当变化大时可通过内回流控制加以克服。

2 精馏塔控制方式的选择与论证

不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制要求各不相同，因而控制方案较多。

由于本设计是针对比值控制系统，所以我们假定具体工艺为双效三塔低压法对合成甲醇的精馏控制。其总体工艺流程图如图2。

图2 双效三塔精馏工艺流程

在此系统中，三个塔分别是预塔、加压塔和常压塔。粗甲醇进入预塔之前，先在粗甲醇预热器中，用蒸汽冷凝液将其预热到338K ，粗甲醇在预塔除去其中残余的溶解气体及低沸物。塔顶设置两个冷凝器。在塔内上升汽中的甲醇大部分冷凝下来进入预塔回流槽，精预塔回流泵进入塔顶作回流。不凝气、轻组分及少量甲醇蒸汽通过压力调节后至加热炉作燃料。

预塔塔底由低压蒸汽加热的热虹式再沸器向塔内提供供热量。为了防止粗甲醇对设备的腐蚀，在预塔下部高温区加入一定量的稀碱液，使预后甲醇的PH 值控制在8左右。

由预塔塔底出来的预后甲醇，经加压塔进料泵加压后，进入第一主精馏塔加压塔，塔顶甲醇蒸汽进入冷凝再沸器，即第一精馏加压塔的气相甲醇又利用冷凝潜热加热第二精馏常压塔的塔釜，被冷凝的甲醇进入回流槽中，在回流槽稍加冷冷

凝

水粗甲醇

送作燃料

精甲醇

精甲醇

（粗乙醇）