精馏塔塔釜温度控制系统的设计

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔塔釜温度控制系统的设计院（系）：指导教师：（签字）起止时间：I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号学生姓名专业班级设计题目精馏塔塔釜温度控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计精馏塔塔釜温度控制系统精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置，通过精馏操作可将由多组分组成的混合物分离成较纯组分的产品。精馏塔温度是保证分离纯度的重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内，一方面保证精馏塔温度恒定，另一方面保证生产的连续性。工艺要求塔釜温度控制在800±0.5℃。在生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从0.5Mpa突然下降到0.3Mpa，压力变化了40%。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、仿真分析/实验测试分析；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数测量范围：0～1000℃；控制温度：800±0.5℃；最大偏差：1.5℃。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）2、确定系统的控制方案，绘制工艺节点图、方框图。（1天，实验室完成）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天，分散完成）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天）5、MATLAB仿真分析或实验测试分析、答辩。（3天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书。（1天，分散完成）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日辽宁工业大学课程设计说明书（论文）II摘要本系统利用工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统。通过选用铂铑10－铂热电偶传感器、ZMAP-16PDN15气动调节阀、DT2031数字调节器、热电偶温度变送器来实现。系统设计主要包括控制方案的设计和系统各仪表选型，软件设计，系统仿真四大部分。软件设计采用DCS组态来完成，并完成了系统监控画面。系统仿真采用MATLAB进行仿真，并得出仿真图。本系统便是基于工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统，通过对工业生产过程控制，来实现对精馏塔塔釜温度的控制。此次设计就是要设计一个精馏塔塔釜温度的串级控制系统。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；温度控制；PID辽宁工业大学课程设计说明书（论文）III目录第1章绪论.................................................................1第2章控制方案的设计.......................................................32.1设计要求............................................................32.2方案设计............................................................32.2.1塔釜温度的前馈控制............................................42.2.2塔釜温度的串级控制............................................52.2.3塔釜温度的反馈控制............................................6第3章系统各仪表选型.......................................................83.1温度传感器的选择....................................................83.2执行器的选择........................................................83.3调节器的选择........................................................93.4压力变送器的选择....................................................93.5温度变送器的选择...................................................103.6控制器的正反作用选择...............................................10第4章软件设计............................................................114.1系统控制流程图.....................................................114.2DCS组态...........................................................11第5章系统仿真............................................................145.1PID控制器的参数整定...............................................145.2凑试法确定PID参数.................................................145.3切线法确定被控对象的传函...........................................155.4系统MATLAB仿真分析.................................................17第6章课程设计总结........................................................19参考文献...................................................................20辽宁工业大学课程设计说明书（论文）1第1章绪论精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置。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。蒸气由塔底进入。蒸发出的气相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)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，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，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，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，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）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。近年来出现的超重力精馏技术，利用高速旋转产生的数百至千倍重力的超重力场代替常规的重力场，极大地强化气液传质过程，将传质单元高度降低1个数量级。从而使巨大的塔设备变为高度不到2米的超重力精馏机，达到增加效率、缩小体积的目的。超重力精馏改变了传统的塔设备精馏模式，只要在室内厂房里就可以实现连续精馏过程。对社会的发展而言可节省钢材资源，延长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约场地与空间资源，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。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辽宁工业大学课程设计说明书（论文）2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来控制精馏塔塔釜的温度是非常重要的。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）3第2章控制方案的设计2.1设计要求精馏塔塔釜温度控制系统的设计要求如下：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，反馈和串级三种控制方案。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）42.2.1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：（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：0/)(KKKsWdft（2-2）式中，dK，0K分别为干扰通道和控制通道的放大系数，一般来说fK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和塔釜温度前馈控制工节结点图如2-2、2-3所示：扰动输出图2-2塔釜温度前馈控制的系统框图蒸汽图2-3塔釜温度前馈控制工艺节点图前馈控制器执行器被控对象检测变送扰动通道)(dfMf精馏塔FYf(x)辽宁工业大学课程设计说明书（论文）52.2.2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。塔釜温度串级控制工艺结点图如2-4所示：塔釜温度串级控制示意图如图2-5所示：设定值蒸汽