精馏塔提留段温度单回路控制

中北大学课程设计说明书1第1章精馏概述1.1精馏原理以及工业流程精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。图1.1连续精馏装置工艺流程图1.2精馏塔的特性精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。1.2.1精馏塔的静态特性一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。图1.1所示的精馏过程，其物料平衡关系为：总物料平衡BDF（1.2-1）中北大学课程设计说明书2轻组分平衡BDfxBxDzF（1.2-2）由式（6.2-1）和（6.2-2）联立可得：BBfDxxzDFx)(BDfDxxzxFD（1.2-3）式中F、D、B——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；fz、Dx、Bx——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。从上述关系可看出：当FD增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即Dx、Bx下降。而当FB增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即Dx、Bx上升。然而，在FD（或FB）一定，且fz一定的条件下并不能完全确定Dx、Bx的数值，只能确定Dx与Bx之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定Dx与Bx两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s可用下式表示：)1()1(DBBDxxxxs（1.2-4）从上式可见：随着分离度s的增大，而Bx减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量V和进料量F的比值等。对于一个既定的塔来说：)(FVfs（1.2-5）式（6.2-6）的函数关系也可用一近似式表示：FVIn)1()1(DBBDxxxx（1.2-6）式中为塔的特性因子。由式（2.2-6）、（2.2-7）可以看出，随着FV增加，s值提高。也就是Dx增加，Bx下降，分离效果提高了。由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称中北大学课程设计说明书3为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：FV的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要FD/和FV一定，这个它的分离结果，即Dx与Bx将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。上述结论与一般工艺书中所说保持回流比DLR一定，就确定了分离结果是一致的。精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。1.2.2精馏塔的动态特性精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。下面以二元精馏塔第j块塔板为例说明如何建立单板动态方程。总物料平衡：dtdMVVLLjjjjj11（1.2-7）轻组分平衡：dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj][1111（1.2-8）式中:L表示回流量，下标指回流液来自哪块板；V表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；M指液相的蓄存量；yx、分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。中北大学课程设计说明书4第2章控制系统设计2.1单回路系统简介1.单回路控制系统的结构和类型反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存在反馈控制。当然只要存在偏差，控制系统就不可能保持在理想控制要求上，而是在理想控制要求的附近摆动，所以反馈控制是接近理想要求，但永远也无法保持理想要求的控制。当被控对象呈现大延迟或受干扰较多，干扰频率较高时，要求系统快速反应实现控制目的时，反馈控制的效果往往不明显。图2.1单回路控制系统方框图本次课程设计我要完成精馏塔提留段温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用2.单回路控制系统的特点1、它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。2、控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。3、系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护也比较方便，3.前馈-反馈控制系统2.2精馏塔提留段温度控制系统设计方案提馏段温度控制系统采用串级控制方案，该控制系统的被控对象是D308塔灵敏板的温度。由于对灵敏板的温度指标要求严格，而其影响干扰又很多，而干扰的存在会直接影响产品的质量，这里的主要干扰是进料流量，它存在容量滞后较大、负荷变化较剧烈、干扰比较频繁的问题。考虑到经济等方面的问题，采用单回路控制。1.精馏塔提馏段被控变量的选择中北大学课程设计说明书5被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作，产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。这里对于以温度为操作指标的生产过程，就选择温度作为被控变量，因为温度具有足够大的灵敏度反映产品质量的变化。此外，选择温度作为被控变量时，考虑到了工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。当被控变量选定之后，下一步就要考虑选择哪个参数作为操纵变量，去克服干扰对被控变量的影响。2．提馏段温度控制系统温度检测点选择通常，若希望保持塔顶产品质量符合要求，也就是顶部馏出物为主要产品时，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓精馏段温度控制系统。同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温度控制系统。本设计中采用的就是后者。采用塔底温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测点放置在塔底是极少数的。因为在分离比较纯的产品时，邻近塔两端的各板之间温差是很小的，这时塔底的温度出现稍许变化，产品质量就可能超出允许的范围，因而必须要求温度检测装置有很高的精度与灵敏度，才能满足控制系统的要求。这一点实现起来有较大的难度。所以，在实际使用中是把温度检测点放在进料板与塔底之间的灵敏板上。所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即称为灵敏板。灵敏板的位置可以通过逐板计算，经比较后得出，但是，由于塔板的效率不易估准，所以还需结合实践结果加以确定。通常，先根据测算，确定灵敏板的大致位置，然后在它附近设置多个检测点，根据实际运行中的情况，从中选择最佳的测量点作为灵敏板。3．精馏塔提馏段温度单回路控制系统设计图2.2精馏塔提馏段单回路温度控制方案4．精馏塔提馏段温度单回路控制系统设计加热蒸汽θC1进料θ再沸器塔底部中北大学课程设计说明书6反馈控制系统的被控对象选择精馏塔提馏段温度灵敏板，控制变量选择精馏塔精馏段灵敏板温度，操作变量选择塔顶回流的流量，通过控制蒸汽阀开度，最终实现对精馏塔提馏段温度的控制。第3章硬件选型3.1控制器选择在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它将来自变送器的测量信号VI与调节器的内给定或外给定信号VS进行比较，得到其偏差e,有e=VI-VS,然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控变量如温度、液位、压力和流量等的自动控制作用。调节器的分类方法很多，按使用的能源来分，有气动调节器和电动调节器；按结构形式分有基地式调节器、单元组合调节器和组装式调节器。单元组合调节器有气动单元组合调节器和电动单元组合调节器。共有I型、II型和III型调节器。由于DDZ-III型调节器性能优越，易于与计算机联用。因此，本设计的调节器选择使用PID算法的DDZ-III型调节器。图3.1DDZ—Ⅲ型电动调节器DTZ—2100接线端子图3.2执行器的选型执行器在控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩○11○12○13○14○15○16○17○18○19○20+测量信号1~5VDC-+外给定信号4~20mA-输出4~20mARL地+-电源24VDC中北大学课程设计说明书7精馏塔的回流控制阀应在故障时全开来保证全回流，所以选择气关阀。本系统采用电/气阀门定位器与气动执行机构配套使用来控制阀门开度。如图2-6所示图3.2阀门定位器与气动调节机构配套使用原理图图3.3配气动薄膜调节阀的电气阀门定位器动作原理如图2-7所示，它按力矩平衡原理动作的，当电流信号通入到力矩马达1的线圈两端时，它与永久磁钢作用后，主杠杆2产生一个向右的力，使主杠杆2绕支点13转动，挡板14靠近喷嘴15，喷嘴背压经放大器16放大后，送入到薄膜室8的压力增加，使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4转动，反馈凸轮5也跟着作顺时针方向转动，通过滚轮10使付杠杆7绕支点6转动，并将反馈弹簧11拉伸，弹簧11对主杠杆2的力矩与电流信号使力矩马达作用在主杠杆上的力矩相平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的电流信号就对应于一定的阀中北大学课程设计说明书8门位置。弹簧12是作调整零位用的。2.执行机构选择选用反作用方式气动薄膜式执行机构，具体型号为5235LA主要技术参数（见表1）表15235LA技术参数型号执行机构尺寸最大输出力供气压力弹簧范围最大行程/回转角度(直行程式)动作允许环境误差5235LA3504315140300，20-100，80-200，120-30040/80mm反(RA)作用标准：-10~+70度接线端子图：图3.4阀门定位器5235LA接线端子图调节机构选择调节阀选用直通单座调节阀，器阀体内只有一个阀芯和一个阀座。其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。具体型号为ZXP型气动薄膜单座调节阀。主要技术参数（见表2）表2ZXP型调节阀参数公称直径202532405065○+○-+I0-4~20mA气源PO中北大学课程设计说明书9（mm）阀芯直径(mm)101215202532405065额定流量系数（Kv）直线1.82.84.46.91117.627.54469公称压力Pa(Mpa)1.0、1.6、4.0、6.4信号范围Pr（Kpa）20~100、40~200泄露量C值的0.01%固有可调比50505050有效面积(cm2)2804006301000调节阀口径的选择应依据计算得到的流量系数KV来选取。电—气阀门定位器选择选用ZPD—2000系列电—气阀门定位器主要技术参数（见表3）表3ZPD2111型电—气阀门定位器参数表型号输入信号（mA.DC）气源压力（Mpa）输出压力（Mpa）执行机构行程范围（mm）耗气量ZPD21114~200.140.02~0.1气动薄膜式10~100450L/h3.3温度变送器的选择中北大学课程设计说明书10根据测量精度和测量范围等要求，选用K型镍铬-镍硅热电偶为温度传感器，选择K