精馏塔提馏段串级控制系统设计1111111.doc

目 录引 言 1第一章 精馏塔的自动控制 31.1 控制目的 31.2 精馏塔的扰动分析 41.3 精馏过程 5第二章 精馏塔的特性 92.1 静态影响的分析 92.2 动态影响分析 142.3 补偿方法 152.4 精馏塔的质量指标控制 17第三章 串级控制理论 203.1 串级控制系统的结构 203.2 串级控制系统的基本原理 213.3 串级控制系统的分析 223.4 串级控制系统的设计和控制器的选择 243.4.1 主、副回路的设计 243.4.2 主、副控制器规律的选择 253.4.3 主、副控制器正反作用的确定 263.4.4 串级控制系统PID参数的整定 26第四章 精馏塔提馏段串级控制系统的设计 324.1 控制方案的确定 324.2 提馏段温度控制系统的设计 33第五章 仿真研究 365.1 提馏段温度串级控制系统仿真模型 365.1.1 测量变送环节单元 365.1.2 执行器/控制阀 375.1.3 被控对象 375.2 控制器的参数整定 375.2.1 副回路的整定 385.2.2 主回路的整定 405.3 蒸汽压力扰动的仿真分析 425.4 进料量扰动的仿真分析 435.5 单回路控制系统的MATLAB仿真及扰动分析 44结 论 47引 言“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的课程。

随着科学技术的快速发展，过程控制也在日新月异的发展它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量、节约原材料和能源，而且在减少环境污染上也起到了十分重要的作用，所以，它在规模大和结构复杂的工业生产过程中是必要的组成部分[1]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的产量、质量和能量的消耗，同时各塔工艺结构特点各不相同，这就需要对其特性进行深入分析，针对具体塔的特点，进行自动控制方案的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，使精馏塔釜液为主要产品时，经常按提馏段的指标来进行控制如果是按照液相进收率最高、能耗最小，或使总收益最大在这种情况下，为了能够更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生按提馏段指标的控制方案：当进料量为液相时，也常常采用这种方案这是因为在液相进料时，对于进料量的变化，首先影响到精馏塔塔底产品的浓度，由于塔顶或精馏段塔板上的温度不能够很好的反映出浓度的变化，所以采用提馏段温度控制另外，提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，以改变再沸器加热量作为温控手段的方案，就是所说的提馏段温控精馏是化工、炼油生产领域中极为广泛的传质传热过程，目的是将混合物中的各组分分离，达到规定标准的纯度。

比如说，石油化工生产中的中间产品裂解气，需要通过精馏操作进一步分离成要求很高纯度的乙烯、丙烯、丁二烯及芳烃等化工原科精馏过程的实质，是利用混合物中各组分具有不同的沸点，也就是说，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，从而达到分离的目的此外，对于精密精馏，如果没有相应的自动控制和它配合，就很难达到预想的效果所以，精馏塔的自动控制极为重要，同时也很受人们的关注精馏过程中的主要设备就是精馏塔有关精馏塔的结构设计有各种各样的类型，但一个精馏塔一旦投入使用，塔板的结构和数量就不容易改变，在其精馏塔的整个运行过程中，只能通过操作条件的不断变换来保证产品的质量从工程控制的角度出发，希望能更好地控制精馏塔来保证产品质量，提高产品产量和降低能量消耗目前一般的精馏塔和它的附属设备中，大多数工艺参数均已得到了测量和控制如果仅仅是从每个单独的控制回路着手来改进一个塔的性能，都会遇到难以克服的困难之所以控制方案多，是因为在精馏塔的操作过程当中，被控的变量比较多，可以选用的操纵变量也很多，同时又可有各种不同组合由于精馏塔是一个高阶对象，动态响应缓慢，所以较难控制，剧烈的波动易出不合格产品因此工艺对精馏塔操作的基本要求是能达到规定的产品分离度，并且能量的消耗要小。

常规上，采用了串级控制系统第一章 精馏塔的自动控制1.1 控制目的要对精馏塔实施有效的控制，必须首先清楚精馏塔的控制目的，也就是对控制的要求一般来说，对于精馏塔的控制系统必须能够保证产品的质量指标、物料能量平衡和约束条件，这些是一个精馏过程能平稳安全生产出合格产品的前提[2]1、质量指标塔顶或塔底产品之一应该保证合乎规定的纯度，另一产品成分也应该维持在规定的范围之内，或者塔顶和塔底产品均应保证一定的纯度要求对于二元精馏来说，质量指标就是为塔顶产品中的轻组分（或重组分）含量和塔底产品中的重组分（轻组分）含量；但是，对于多元精馏，通常以关键组分的含量来描述质量指标所谓关键组分，是指对产品质量影响较大的组分，挥发度较大而由塔顶馏出的关键组分，称为轻关键组分；而挥发度较小由塔底馏出的关键组分，称为重关键组分图1-1 精馏塔示意图2、物料能量平衡馏出液和釜液的平均采出量之和，应等于平均进料量，并且这两个采出量的变动应该比较和缓，有利于上下工序的平稳操作，塔内及顶、底容器的蓄液量应介于规定的上、下限之间；此外，精馏塔的输入输出能量应平衡，以保证塔内操作压力的稳定不变3、约束条件为了能够让精馏塔工作正常、操作安全，我们规定它的约束条件在一定范围内，约束条件为液泛限、压力限和边缘温差限等等。

液泛限，又名气相速度限，就是精馏塔里德气相速度比较高时，雾沫夹带会比较严重，事实上，液相是从下面塔板倒流到上面塔板上，产生液泛破坏正常操作漏液限也称最小气相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液，板效率下降最好是在稍低于液泛的流速下操作流速的控制还要考虑塔的工作弹性对于浮阀塔来说，由于工作范围较宽，通常很易满足条件但对于某些工作范围较狭窄的筛板塔和乳化填料塔就必须要很好地注意防止液泛和漏液，我们可以用塔压降或者是压差来监视气相速度压力限是塔的操作压力的限制，一般来说，塔操作压力不能过大，否则会影响塔内的气液平衡，严重越限有可能导致安全生产临界温差限主要是指再沸器两侧间的温差，当这一温差低于临界温差时，给热系数将会急剧下降，传热量也会随之下降，不能保证精馏塔的正常传热的需要4、能量平衡和经济平衡性指标在保证精馏塔产品质量、产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，用来实现较好的经济性1.2 精馏塔的扰动分析影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及塔底部出料量的变化影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度的变化等。

对于扰动来说，有可控的也有不可控的1、进料流量和进料成分进料流量通常不可控但可测当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作就会造成很大的影响这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中，组成前馈-反馈控制系统进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也是难以测量的2、进料温度和进料热焓值进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡控制策略是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成串级控制3、再沸器加热蒸汽压力再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡控制策略是组成塔压的定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制4、冷却水压力和温度冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制使用风冷时控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制5、环境温度环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制1.3 精馏过程根据混合物中各组分挥发能力不同的差异，通过液体和气体的回流的特点，使得气体和液体两相能够逆向并且多级相互接触，在前面所说的约束条件下，让那个易挥发的组分时刻从液相中向气相中导入，然而，难挥发的组分时刻从气相中向液相中导入，导致混合物实现分离，这就是精馏的概念[3]。

在此过程中，传热和传质过程是同步进行的，这种类型属于传质过程控制型精馏操作是利用混合液中各组分具有不同的挥发度，也就是说，在同一温度下，根据蒸汽压力不同，从而能够实现分离液体混合物精馏操作是在精馏塔中完成的溶液中组分的数量可以是两个或两个以上，在实际工业生产过程中，只有两个组分的溶液不算太多，对于多组分溶液，经常是大量需要分离的溶液多组分溶液的精馏基本原理和两组分溶液的精馏是一样的在本节中只对简单的两组分溶液的精馏做一下讨论，着重说明精馏的基本原理 1、精馏原理就像我们所知道的，在恒定的压力下，对于单组分液体来说，在沸腾时，虽然给它继续加热，但是它的温度却保持恒定不变，即单组分液体的沸点是恒定的对于多组分的理想液体来说，在恒定的压力下，在沸腾时，溶液的温度却是可变的可以用汽-液平衡定仪来测定汽液平衡数据表1-1便是用不同浓度的苯-甲苯溶液在常压下所测得的一系列汽-液平衡数据设为相平衡时液相中苯组分的浓度（摩尔分数）；为相平衡时液相中甲苯组分的浓度（摩尔分数）；为相平衡时汽相中苯组分的浓度(摩尔分数）；为相平衡时汽相中甲苯组分的浓度（摩尔分数）通常对于两组分溶液来说，浓度x或y如果不标明是哪一个组分时，一般是指极易挥发组分的含量。

由表1-1可以明显看出，在恒定压力下，溶液汽-液平衡的温度和它的组分密切相关高沸点组分的浓度越高（在苯-甲苯溶液中，甲苯是高沸点组分），溶液平衡温度就越高如果和纯物质的汽液平衡相比较，溶液汽-液平衡的一个特点是：在平衡状态下，汽相浓度与液相浓度是不相同的表1-1 苯-甲苯汽-液平衡数据（在常压下）对于同一浓度的汽相和液相来说，露点温度和泡点温度一般是不相等的，前者比后者高如果把温度设置成纵坐标，把液相或汽相中苯的浓度设置成横坐标，将表1-1的数据绘制成曲线，则可得到如图1-2所示的温度-浓度图（t-x-y图）不同的多组分溶液具有不同的温度-浓度图图1-2 苯-甲苯溶液的温度-浓度图在图1-2中，曲线1代表在一定压力下，溶液浓度与泡点的关系，称为液相线，线上每一点都代表饱和液体曲线2代表溶液浓度与露点的关系，称为汽相线，线上每一点都代表饱和蒸汽这两条线把相图一共划分成三个区域，液相线1以下的区域是液相区；汽相线2以上，溶液全部汽化，是过热蒸汽区；两线之间区域是汽、液两相共存区，溶液处于任一点E时，都可以分为相互平衡的汽、液两相，也就是分为液相F和C对于应用温度-浓度图，不但可以求取任一温度下的汽、液相平衡浓度，或者求取两相平衡时的温度，而且借助温度－浓度图还可以清楚地了解精馏原理。

2、精馏塔的基本型式精馏塔是实现精馏操作的最重要的设备，通过精馏塔使汽、液两相在塔内充分接触，进行传质和传热，最终使混合物中易挥发组分和难挥发组分得到分离目前工业生产中应用比较多的筛板塔和俘阀塔[4]3、连续精馏装置和流程精馏，就是将一定浓度的溶液送入精馏装置中，使它不断的进行一部分汽化和一部分冷凝，从而得我们想要的塔顶产品操作和塔底产品操作，此操作过程的主要设备是精馏塔本体，以及还有一些辅助设备，如再沸器、冷凝器和回流罐等目前，在工业上，一般所采用的连续精馏装置的流程如图1-3所示当原料F从精馏塔中段某一块塔板进入时，这块塔板就称为进料板此时，进料板把全塔分成了两段，我们把进料板上边的部分叫做精馏段；我们把进料板下边的部分叫做提馏段对于塔内的溶液，根据液体的沸点各不相同，易挥发的组分由于汽化而向上运动，难挥发的组分随液体向下运动，并。