精馏塔的温度控制

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：本科生课程设计（论文）III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;超驰控制本科生课程设计（论文）IV目录第1章绪论..........................................................1第2章课程设计的方案................................................22.1概述.........................................................22.1.1物料平衡关系........................................................................................22.1.2能量平衡关系........................................................................................32.2设计方案.....................................................32.2.1控制方案类型.......................................................................................32.2.2控制方案的选择....................................................................................4第3章系统各仪表选择................................................93.1检测变送器的原理.............................................93.1.1温度变送器的选择............................................................................93.1.2流量变送器的选择..........................................................................103.2执行器的选择................................................113.3调节器的选择................................................123.4调节器与执行器、检测变送器的选型............................14电磁流量计......................................................14第4章系统仿真.....................................................154.1串级控制系统MATLAB仿真分析...................................15第5章课程设计总结.................................................18第6章参考文献.....................................................20本科生课程设计（论文）1第1章绪论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，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，可以避免轻组分流失，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。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。本科生课程设计（论文）2第2章课程设计的方案2.1概述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。影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而提馏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，因此，分析精馏塔的物料和能量平衡对制定提馏段控制策略至关重要。2.1.1物料平衡关系物料平衡指的是单位时间内进塔的物料量应等于离开塔的诸物料量之和。物料平衡体现了塔的生产能力，它主要是靠进料量和塔顶、塔底出料量来调节的。操作中，物料平衡的变化具体反应在塔底液面上。当塔的操作不符合总的物料平衡式时，可以从塔压差的变化上反映处来。例如进的多，出的少，则塔压差上升。对于一个固定的精馏塔来讲，塔压差应在一定的范围内。塔压差过大，塔内上升蒸汽的速度过大，雾沫夹带严重，甚至发生液泛而破坏正常的操作；塔压差过小，塔内上升蒸汽的速度过小，塔板上汽液两相传质效果降低，甚至发生漏液而大大降低塔板效率。物料平衡掌握不好，会使整个塔的操作处于混乱状态，掌握物料平衡是塔操作中的一个关键。如果正常的物料平衡受到破坏，它将影响另两个平衡，即：汽液相平衡达不到预期的效果，热平衡也被破坏而需重新予以调整。对提留段内任一塔板j作物料平衡计算，其组分的物料平衡关系为：xBxjLsyjVs1式中，Vs表示各层塔板的上升蒸汽量，yj为塔板j上气相的轻组分浓度，Ls为提留段内各层踏板的下流液体流量，xj1是从1j快塔板留下的液相中轻组分浓度，B为塔釜采出量，X为塔釜采出物轻组分的浓度。本科生课程设计（论文）32.1.2能量平衡关系在稳态时，进入精馏塔的所有能量必然与离开塔的能量相平衡，表示为：HBBHDDQCHFFQH式中，F、D、B分别表示进料量、塔顶采集量和塔釜采出量，Qh为再沸器加热量，Qc为冷凝器冷却量，Hf、Hp、Hb分别为进料、塔顶和塔釜产品的热焓。从平衡方程并结合精馏塔工艺特点，不难看出影响能量平衡的因素为：进料量、进料浓度、进料温度和进料状态、再沸器的加热量、冷凝器冷却量、回流量。2.2设计方案2.2.1控制方案类型精馏塔的控制目标应是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。（1）产品质量指标控制塔顶或塔底产品之一合乎规定的分离纯度，另一端产品成分应维持在规定的范围内。在某些特定的条件下也有要求塔顶和塔底产品均保证一定纯度的要求。（2）物料平衡控制塔顶、塔底的平均采出量应等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较缓和，以维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。为此，必须对冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位进行控制，使其介于规定的上、下限之间。（3）能量平衡控制应使精馏塔的输入、输出能量维持平衡，使塔的操作压力维持稳定。（4）约束条件控制为保证精馏塔正常而安全地运行，必须使某些操作限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件有液泛限、漏液限、压力限和临界温差限等。所谓液泛限也称气相速度限，即塔内气相上升速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生泛液，破坏正常操作。漏液限也称最小气相上升速度限，当气相上升速度小于某一数值时，将产生塔板漏液，板效率会下降。防止液泛和液漏，可通过塔压降或压差来监视气相速度，一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点较好。压力限是指塔的操作压力限制，一般是最大操作压力限，就是说塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内的汽液平衡，严重超限甚至会影响到安全生产。本科生课程设计（论文）4临界温差限主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差高于临界温差时，给热系数会急剧下降，传热量会随之下降，将不能保证塔的正常传热的需要。2.2.2控制方案的选择图2.1精馏塔提馏段单回路温度控制方案由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。方案一：图2-1是精馏塔提馏段示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度θ保持恒定。为此在蒸汽管路上装上一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀的做到温度θ发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对θ的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度θ。很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图2-1所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满足生产要求。而且精馏塔温度过高或过低会引起精馏塔控制质量变差，由于存在这些扰动故考虑串级温度控制系统。精馏塔TTTC进料蒸汽本科生课程设计（论文）5方案二：如下图所示在蒸汽输入端引入串级控制系统，在塔釜出料端引入选择性控制系统。其P&ID图如下图所示图2.2精馏塔提馏段复杂控制系统（1）蒸汽输入端串级控制系统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