精馏塔自动控制系统设计

1、内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院 毕业设计（论文、专题实验）任务书毕业设计（论文、专题实验）任务书 姓 名、 、 、 、 、 、 、 、 、专业生产过程自 动化技术 班级自动化 10-1 指导老师、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 题目精馏塔自动控制系统设计 任务要求 精馏塔是化工工艺中一种重要的设备，对它的生产过程 控制的好坏，直接影响产品的质量。通过对精馏塔的自动控 制工程的设计，可以综合过程控制技术、过程检测仪表、过 程控制仪表多门课程的知识

2、。要求绘制带控制点的工艺流程 图、分析设计控制方案，仪表选型，设计盘后接线图，供电 供气系统图。 说明书 （论文、实 验） 主要内容 设计工作量： 1、设计说明书 1 份（论文） ； 2、带控制点的工艺流程图（P&ID 图） 。 备注：说明书（论文）内容一般由 9 个主要部分组成，依次 为：1封面；2.任务书；3中文摘要；4目录；5符号说 明；6论文正文；7参考文献；8附录；9致谢。 图纸要求图纸的图幅、比例、字体、图线、标注应符合基本制图规定 对学生 综合训练方 面的要求 充分利用本专业的专业知识，充分发挥主观能动性和 创造性，刻苦钻研，勤于实践，独立完成毕业设计任务； 尊敬师长、团结互助，

3、虚心接受指导教师及有关人员的指 导和检查，定期向汇报毕业设计工作进度、设想；事实求 是，不弄虚作假，不抄袭他人成果。 完成期限自 2012 年 12 月 3 日至 2012 年 12 月 23 日 备注：毕业论文的任务书可对原始数据及图纸要求两项不作要求、 专题实验可对图纸一项不做要求。 摘摘 要要 精馏塔是石油化工、医药等领域常见的生产过程装备,是较为典 型的单元生产过程,精馏塔的过程变量多,各变量之间关系复杂,本文 通过对精馏塔工艺、生产过程中主要的扰动变量进行分析,引出提馏 段温度控制方案、精馏段温度控制方案,为工程技术人员设计精馏塔 过程控制系统提供参考蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下

4、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。 精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

5、、精馏和特殊精馏等。精馏的基本原 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。 本节以两组分的混合 物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解 精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的 区别（包括：原理、操作、结果等方面） 。近年来出现的超重力精馏 技术，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。 关键词：关键词：精馏原理，精馏塔，工艺，过程控制 目目 录录 第一章第一章 精馏塔概述精馏塔概述.5 1

6、.1 精馏塔控制的研究背景及意义.5 1.2 精馏塔控制系统的目的.5 第二章第二章 生产工艺生产工艺.8 2.1 工艺流程的说明.8 2.2 精馏塔的控制要求及主要干扰.11 2.3 精馏塔的装置的工艺流程.14 第三章第三章 自动装置的确定自动装置的确定.15 3.1 PLC、DCS、FCS 的发展.15 3.2 PLC、DCS、FCS 的特点.16 3.3 PLC、DCS、FCS 的差异.17 第四章第四章 精馏塔控制方案设计精馏塔控制方案设计.20 4.1 控制方案和回路的设计.20 4.2 精馏塔控制要求.24 4.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护.25 第五章第五章 检测仪表、执行

7、机构和辅助仪表的选型检测仪表、执行机构和辅助仪表的选型.27 5.1 如何选择检测仪表和调节阀.27 5.2 变送器和流量仪表的选型.27 5.3 物位测量仪表的选择.30 附录附录.33 参考文献参考文献.34 致谢致谢.35 第一章第一章 精馏塔概述精馏塔概述 1.11.1 精馏塔控制的研究背景及意义精馏塔控制的研究背景及意义 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 品质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视 。 精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作 用响应缓慢，参数间相互关联严

8、重，而控制要求又大多较高。这些都给自动控制的实施带来 一定困难。同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入分析工艺特性，进行自动控 制方案的设计和研究。 精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：“过程变量多，被控变量多，可操纵的 变量也多；过程动态和机理复杂” 。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较 大的一种化工单元操作。但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守， 操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普遍存在 。精馏过程消耗的能量绝大部分 并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，收效 也极为明显。 1.21.2 精馏

9、塔控制系统的目的精馏塔控制系统的目的 聚氯乙烯材料工业以及羰基合成工业技术的发展而迅速发展起来的。近年，随着下游市 场需求的快速增长及羰基醇新建装置的增多，我国异丁醇的生产能力不断增加。在国际丁/ 辛醇市场火爆的情况下，国内羰基醇生产装置通过优化，或调节装置正异构比的方法，均力 争多产正丁醛，而异丁醇生产原料异丁醛的产量较少，同时国内新戊二醇的生产又占用了一 定比例的异丁醛原料，因此异丁醇原料处于严重供不应求状态。随着我国化工行业的快速发 展，国内原料供应难以自给自足的矛盾日益明显。可见，丁醇塔控制系统的处理能力和安全 稳定性对石油化工的有着重大而深远的意义。 随着现代化工的飞速发展，生产规模

10、的不断 扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求， 精馏塔在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广泛应用于各种行业的生产过程中。 生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于 提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们 创造了不可忽视的经济效益和社会效益。串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程 控制中得到了广泛的应用。对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度的因素很多：被 加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回 路控制系统并不能

11、把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上 述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统 来实现。 石油化工生产常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。分离互溶液体 混合物有许多种方法精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏 过程通过反复的汽化与冷凝使混合物料中的各组分分离分别达到规定的纯度。精馏塔的控 制直接影响到产品质量、产量和能量消耗因此精馏塔的自动控制问题长期以来一直受到人们 的高度重视 1. 精馏过程是由精馏装置来实现的精馏装置一般是由精馏塔、再沸器、重沸器、冷 凝冷却器、回流罐及回流泵等组成

12、 实际生产过程中精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两 种。石油化工等大型生产过程主要采用的连续精馏 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。蒸溜的原理是蒸气由塔底进入。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。

13、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 体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同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。 2。 精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程其内在机理复杂动态响应迟缓变量之间 相互关联不同的塔工艺结构差别很大而工艺对控制提出的要求又较高所以确定精馏塔的控制 方案是一个极为重要的课题。苯的沸点为 80.1熔点为 5.5在常温下是一种无色、味甜、 有芳香气味的透明液体易挥发。苯比水密度低密度为 0.88g/ml 但其分子质量比水重。苯难溶 于水 1 升水

14、中最多溶解 1.7g 苯但苯是一种良好的有机溶剂溶解有机分子和一些非极性的无 机分子的能力很强。甲苯是最简单最重要的芳烃化合物之一。在空气中甲苯只能不完全 燃烧火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 沸点为 111 。甲苯带有一种特殊的芳香味与苯的 气味类似在常温常压下是一种无色透明清澈如水的液体密度为 0.866 克每立方厘米对光有很 强的折射作用折射率 1,4961。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)但可以和二硫化碳酒精乙醚以任意 比例混溶在氯仿丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为 0,6 mPa s 也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为 40.940 kJ/kg 闪点

15、为 4 燃点为 535 。 分离苯和甲苯可以利用二者沸点的不同采用塔式设备改变其温度使其分离并分别进行回收和 储存。板式精馏塔、浮阀塔都是常用的塔类型可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔。 第二章第二章 生产工艺生产工艺 2.12.1 工艺流程的说明工艺流程的说明 PVC 生产工艺流程包括乙炔站工序、合成、转化、精馏、聚合、气提、干燥、包装一 系列工序，其 PVC 生产工艺流程方框图如下。本项目为精馏装置的过程自动化工程设计， 该装置进料为粗氯乙烯，经低沸塔和高沸塔提纯处理，出料为 99.99%的纯度精制氯乙烯， 让后送到聚合工序进行聚合反应。 乙 炔 站 合 成 转 化 精 馏 聚 合 汽

16、提 干 燥 包 装 销售 电石与 水反应 图 2-1 PVC 生产工艺流程方框图 一.馏组分分离的原理 液体混合物的精馏过程是基于不同组分混合物的不同物质具有不同的挥发度，也就是具 有不同的蒸汽压和不同的沸点，借恒压下降低温度和升高温度时，各物质在气相里的组成和 液相里的组成差异，来获得分离的。 精馏过程必须依靠以下两个条件： 1.塔底加热釜（或称再沸器）使物料产生上升的蒸汽；2.塔顶冷凝器使部分蒸汽冷凝为 向下流的液体（又称回流） 。在连续精馏塔的每一块理论塔板上，均发生部分汽化和部分冷 凝，也即传热和传质过程。塔顶部的蒸汽所含易挥发组分（低沸点组分）较多，温度也低些； 塔底部的液体所含难挥

17、发组发（高沸点组分）较多，温度也高些，以底沸塔某一层塔板为例， 当上层塔板下流的液体（含有较多的易挥发组分乙炔） ，在该塔板上.下层上升的蒸汽（含有 较少的易挥发组分乙炔）接触时，俩者应未达到平衡而发生了气液相之间的热量和质量传递， 使易挥发组分乙炔以扩散方式逸入上升蒸汽中，而难挥发组分氯乙烯则同时以相反方向的扩 散方式进入向下流的液体中。也就是说，气液通过一次接触，上升蒸汽中易挥发组分乙炔的 含量，则将因蒸汽的部分冷凝而增多。理论上，气液相之间传热和传质得的结果，使这块塔 板上的蒸汽和液体组成趋向于平衡。通过许多块塔板上气液相间的热量和质量传递的平衡过 程，使上升蒸汽到达塔顶部时，含有很浓的

18、易挥发组分乙炔，而向下流的液体到达塔底时， 则含有很浓的难挥发组分氯乙烯（几乎不含乙炔） ，从而实现完全的分离。 二.影响精馏的主要因素 1.压力 PVC 在常压下沸点为-13.9，压力升高沸点相应上升，其对应关系如表所示。 压力/大气压 13456 氯乙烯沸点/ -13.916.225.733.539.7 表 2-1 氯乙烯压力与沸点关系 进行精馏的粗氯乙烯含有一定数量的低沸物（约 30%）在常压下将粗氯乙烯液化时为保 证较高的液化率，必须大大降低冷凝的温度（因 VC-C2H2 混合物沸点在-13.9-83.6之间） 特别在分馏尾气冷凝中，实践证明，必须控制低至-5，过低冷凝温度则增加冷冻能

19、量消耗， 另外在低温低温精馏中粗氯乙烯中水分必须彻底除尽，否则易在设备中结冰堵塞，因此常压 法精馏氯乙烯在工业上已经被淘汰。因此，当提高低沸塔操作压力时，由于 VC-C2H2 混合 物沸点升高，使制冷温度也相应提高，减少了制冷的动力消耗，当然压力太高，由于达到同 样的分离纯度的理论塔板数量增加，而对 VC-C2H2 分离反而不利，一般低沸塔压力控制在 5-6 个大气压，此时粗氯乙烯液化可采用工业水及 0冷冻水，在此压力下，对 VC-C2H2 分 离的理论塔板数也在 10 块以下，对分离 VC-EDC 的高沸塔，其混合物沸点在-13.9-57.9之 间，为减少分离的理论塔板数，压力适当放低点，其

20、在不同的压力下的分流理论塔板数比较 如表所示。 压力（表压）/MPa 0.10.20.40.5 精馏理论塔板数/块 2355 表 2-2 不同压力下的分离理论塔板数比较 对于高沸塔所处理的氯乙烯-高沸点混合液的沸点，则因高沸点物的存在，是混合物沸 点相应的比低沸塔混合物来的高（主要高沸点物的沸点范围在 21-113.5） ，适当降低压力 可以减少高沸塔所需的理论塔板数（如当回流比 R=0.1 时） ，如表所示 操作压力（表压）/MPa 0.10.20.40.5 高沸塔精馏段理论塔板数/块 2355 表 2-3 高沸塔所需的理论塔板数 故选择操作压在 0.250.35Mpa（表压） ，塔顶排出的

21、高纯度氯乙烯气体，可用工业水或 0盐水做冷媒，于 2530下冷凝成液体的成品单体；塔釜也可用转化器热水加热，使含 较多高沸点物的氯乙烯混合液在 3040下沸腾汽化（当间歇排放时，此混合液浓度和沸 点也是一时间而变化的） 。 2.温度 在一定的压力下，混合物的组成是依温度而变化的。因此低沸塔或高沸塔的塔顶和塔釜 温度是影响精馏质量的主要参数，现分述如下。 （1） 、沸塔底 若塔顶温度或塔底温度过低，易使塔顶馏分中的乙炔冷凝下来或塔底底液的乙炔蒸出不 完全，使塔底馏分（作为高沸塔进料液）中乙炔含量增加，影响低沸塔的精馏效果。但若塔 顶温度或塔底温度过高，则使塔顶馏分中氯乙烯浓度上升，势必增加尾气冷

22、凝器的负荷，以 致降低分馏收率。 （2） 、高沸塔 若塔釜温度过高，不但易使塔底馏分中的高沸物蒸出，使塔顶馏分（作为高纯度单体） 的高沸物含量增加，还会使蒸出釜列管中液面下降，液体蒸完后导致多氯烃的分解、炭化个 结焦，影响传热效果，甚至影响塔的稳定操作和连续正常运钻。若塔釜温度太低，则影响上 升蒸汽两，使残夜中氯乙烯含量增加，甚至液面升高。若塔顶冷凝器或成品冷凝器温度太高， 易使回流量不足，或高沸塔压力上升。若此温度过低，又使回流量过大而浪费冷量，或是高 沸塔压力下降（这一关系与低沸塔的尾气冷凝器不影响到系统压力是不同的，因为低沸塔有 较多的惰性气体的存在，高沸塔则全部为可冷凝的氯乙烯气体）

23、。 3.回流比 回流比是指精馏段内液体回流量与塔顶流出液量之比，也是表征精馏塔效率的主要参数 之一。在氯乙烯精馏过程中，由于大部分采用塔顶冷凝器的内回流式，不能直接按最佳回流 量和回流比来操作控制，但实际操作中，当发现质量差而增加塔顶冷凝量时，实质上就是提 高回流比和降低塔顶温度，增加理论塔板数的过程。但若使冷凝量和回流比增加太多，势必 使塔釜温度下降而影响塔底混合物组成，因此又必须相应的增加塔釜加热蒸发量，使塔顶和 塔底温度维持原有水平，所以不同的是向下流的液体和上升蒸汽量增加了，能量消耗也相应 增加。因此在一般情况下，不宜采用过大的回流比。对于内回流式系统，也可通过冷盐水的 通入量和温差测

24、定，获得总换热量，再由气体冷凝热估算冷凝回流量。一般低沸塔的回流比 在 510 范围，高沸塔在 0.20.6 范围。 三.精馏工序流程 由压缩机出来的粗氯乙烯选择进入全凝器，使大部分气体冷凝液化，经低沸加料槽后， 送入低沸塔，未凝气体进入尾气冷凝器，其冷凝液全部进入低沸塔，经低沸塔塔釜加热器加 热将冷凝液中低沸物蒸出，经塔顶冷凝器用 5水控制回流比后，由塔顶汇入尾气冷凝器处 理，塔釜氯乙烯进入高沸塔，尾气冷凝器中的气体经尾排吸附器回收一部分氯乙烯后，惰性 气体 排空，自低沸塔流入高沸加料槽的氯乙烯经调节阀控制流量，解压加入高沸塔，高沸塔 加热器将大部分氯乙烯蒸出，分解成粗氯乙烯，经塔顶控制部分

25、回流，大部分粗聚乙烯进入 成品冷凝器，被冷凝的聚乙烯在固碱干燥器脱水进入单体储槽，按需要送聚合工序，在高沸 塔塔釜分离收集到二氯乙烯(EDC)为主的高沸物进入高沸物接受槽，定期压送入塔，将残液 蒸馏，将蒸出的二聚乙烯（EDC）又冷凝成液体，进行包装外销，为冷凝下来的聚乙烯回到 气柜。其工艺流程框图如图所示。10 万吨|年树脂精馏装置管道及仪表流程图参考附 录一。 粗VCM 全 凝 器 过 料 槽 低 沸 塔 高 沸 塔 成 品 冷 凝 器 成 品 槽 图 2-2 工艺流程框图 2.22.2 精馏塔的控制要求及主要干扰精馏塔的控制要求及主要干扰 为了保证精馏生产过程安全，高效地连续进行，精馏塔自

26、动控制系统应当满足以下几方 面的要求： 1.保证产品质量 对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度；另一端 产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或塔底一种产品的纯度作为质量参数 进行控制，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制需要能直接测出测出产品成分的分析仪表。由于目前还不能生产出测量滞后小、 精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大多数情况下，精馏塔自动控制系统是通过温 度控制来间接实现生产过程的产品质量检测，即用温度控制系统代替质量控制系统。 2.保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行，应设法预先克服原料进塔之前的主要可控干扰，同时尽可 能减

27、缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷凝剂的压力控制、进料量的均匀 控制等，使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。为了维持塔的物料平衡，还要控 制塔顶和塔底产品采出量，使二者之和等于进料量，两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔 的平稳运行；精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳 运行所必须的。 3.满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行，必须满足一些参数的极限值所规定的约 束条件。例如对塔内气体流速的上下限限制，流速过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效 率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控制，通过测量和控制塔底于塔

28、顶间的差压，间接实现塔内气体流速的检测和控制。精馏塔本身还有最高压力限制，当塔内 压力超过其耐压极限时，容器的安全就没有保障。 4.节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗。另外，塔和附 属设备及管道也要散失一部分能量。 精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率 和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在优先保证质量指标的前提下， 应使产品产量高一些，能量消耗尽可能低一些。 图 2-3 精馏塔物料流程图 图 2-3 表示精馏塔物料流程图。进料 F 从精馏塔中段某一塔板进入塔内，这块塔板就称 为进料板。进料板

29、将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称精馏段，进料板以下部分称提 馏段。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。 （1）进料流量 F 的波动 进料量 F 的波动通常是难免的，如果精馏塔位于整个生产过程的起点，则以采用定值控 制。但是精馏塔进料量 F 往往是由上一道生产工序所决定，如果一定要使精馏塔进料量 F 恒 定，就必须设置中间储槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减少或取消中间储槽，采取在上 一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量 F 比较平稳，避免 F 的 剧烈变化。 （2）进料成分 ZF 的变化 进料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情况决

30、定的，对图 1.2 所示的精馏塔来讲，它 是不可控的扰动因数。 （3）进料温度 TF 和进料热焓值 QF 的变化 进料温度和状态对塔的操作影响很大，一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料温 TF 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 QF 稳定。当进料是 气液两相混合状态时，只有当气液两相比例恒定时，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

31、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。 （5）冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化 冷却剂吸收热量的变化主要是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。冷却剂的温度一般变化 较小，而流量的变化大多是由压力波动引起的，可采用与克服加热剂压力变化类似的方法进 行控制。 （6）环境温度的变化 环境温度一般变化较小。冷凝器采用风冷方式时，天气聚变及昼夜温差对精馏塔的运行 影响较大，会使回流量或回流温度发生变化，对于这种干扰可采用内回流控制的方法予以克 服。内回流是

32、指精馏塔精馏段上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量。内回流控制，是指在 精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律变化。通过以上几点分析可以看出，进料流 量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主要干扰，一般是不可控的。其他干扰比较小，可以采 用辅助控制系统预先加以克服和抑制，各种精馏塔的工作情况不尽相同，需要根据实际情况 具体分析。 2.32.3 精馏塔的装置的工艺流程精馏塔的装置的工艺流程 使分馏产品满足质量要求是精馏塔控制系统的最终目的。控制系统通过对生产过程工艺 参数的检测和控制，克服扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续地进行。图 2.3 为精 馏塔装置的工艺流程。 图 2-4 精馏塔工艺流

33、程 第三章第三章 自动装置的确定自动装置的确定 3.13.1 PLCPLC、DCSDCS、FCSFCS 的发展的发展 随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，PLC 和 DCS 的性能都有了较大的 改进，PLC 大大提高了数据处理能力和监控功能，DCS 系统向开放性发展，操作站采用工 控机，操作系统采用 Windows NT 或 Windows 2000 操作平台，PC 机丰富的软件资源得以 应用，因而大大降低了系统的繁琐程度和价格，提高了系统的性价比。PLC 和 DCS 在抢占 市场的过程中，两者互相借鉴、渗透、融合，极大的增加了用户在设计和使用中的选择性。 同时，由于各种控制系统生产

34、制造厂较多，产品更新换代快，也给系统选择带来了一定困难。 而走向实用化的 FCS 也正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。下面 依据 PLC、DCS 和 FCS 的不同特点，针对化工新项目建设和老项目改造，对控制系统的设 计选型和应用归纳总结出以下原则进行选择。 （1）按过程控制系统的控制规模及复杂程度 不同的化工生产过程，过程控制系统规模与复杂程度不同，通常在过程控制系统规模较 大.复杂程度较高时优先选择 DCS。因为该系统就是根据过程控制系统的特点发展而来，他 对大量的模拟量数据信息能较好地进行处理.分析.运算，能完成各种复杂的.繁琐的调节控制 计算，因此能完成规模大.复杂

35、程度高的过程控制系统的工作。 （2）按投资规模和项目经济效率合理选择 在一些小型化工项目中，特别是一些中小型改造项目，投资较少，规模较小的仪控系统 应优先选择价格相对低廉.性价比较高的 PLC 系统。 （3）考虑系统连续性.兼容性及通信性能 在一些化工改造项目中，如果原项目中已有计算机控制系统，则要考虑系统的连续性. 兼容性及技术的连续性，优先考虑源控制系统升级机型，有利于各庄之间的通信联系和化工 生产管理网络的建设，减少了控制软件组态重复繁琐的劳动，降低了库存备品备件的成本。 （4）考虑系统生产厂家技术服务性 目前在中国 PLC 系统和 DCS 系统的销售市场，国外生产厂家占有很大比例，并且

36、一 般在中国设有产品宣传和技术服务机构 。由于国外公司经常进行重组合并或兼并，并且各 公司产品结构.销售策略.市场占有方向各不相同，合并或兼并后，在中国市场的技术宣传和 服务方面将有些变化，多多少少对企业用户产生一些不良影响。因此，我们在选择系统时， 应充分掌握信息，考虑系统生产厂家的技术服务性，以保证所选系统的先进性、发展性，以 保证具有充分的技术支持和备品备件供应。 （5）考虑系统先进性、发展性 FCS 是由 DCS 以及 PLC 发展而来的，他保留了 DCS 的特点，或者说 FCS 吸收了 DCS 多年开发研究以及现场实践的经验，当然也包括教训。由此而得出结论， “FCS 将取代 DCS

37、” ，似乎也是顺理成章之事。为保证所选系统的先进性、发展性，我们在选择系统时， 特别是一些大型化工项目，可优先考虑采用 FCS。 3.23.2 PLCPLC、DCSDCS、FCSFCS 的特点的特点 在化工生产中，过程控制系统完成生产工艺参数的检测、显示、记录、调节、控制、报 警等功能，他对提高化工生产线的作业率，改善产品质量及缩短新产品、新工艺的开发周期 起着极其重要的作用。其特点是对生产过程进行实时控制，控制过程复杂，监控参数多且变 化快，数据处理及存储量大。根据过程控制系统的特点及不同生产工艺过程控制要求，应用 不同的控制系统才可以及安全可靠又经济高效地完成产任务。 目前，国内先进的大中

38、型过程控制基本上以采用 PLC 和 DCS 为主，但是，FCS 是由 DCS 与 PLC 发展而来，FCS 不仅具备 DCS 与 PLC 的特点，而且跨出了革命性的一步。而 目前，新型的 DCS 与新型的 PLC 与 PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的 DCS 已有很强 的顺序控制功能；而新型的 PLC 在处理闭环控制方面也不差，并且俩这都能组成组成大型 网络，DCS 与 PLC 的适用范围，已有很大的交叉。下面简要分析一下 PLC.DCS 应用特点及 差异。 基本特点 从开关量控制贩占道顺序控制运送处理，是从下往上的。 连续控制等多功能，在控制站中。 可用一台机为主站，多台同型为从站。 也

39、可用一台为主站，多台同型为主站，构成网络。这比用机作 主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写即可。 网格既可作为独立，也可作为的子系统。大系统结构同一样 是局域网络结构。主要用于工业过程中的顺序控制，新型也兼有闭环控制功能。 基本特点 集散控制系统是集技术与一身的监控技术。 从上到下的梳妆拓扑大系统，其中通信是关键。 控制站连接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 模拟信号，带微处理器的混合。 一台仪表一对线到，由控制站挂到局域网。 是控制（工程师站） 操作（操作员站） 现场仪表（现场测控站）的级结构。 基本特点 基本任务是：本职（本证）安全危险区域易变过程难于对付的非

40、常环境。 全数字化智能多功能取代模拟式单功能仪表，仪器。控制装置。 用两根线连接分散的现场仪表控制装置，取代每台仪表的两根线。 “现场控制”取代 “分散控制” 数据的传输采用“总线“方式。 在总线上与仪器仪表控制装置都是平等的。 多变量多节点串行数字通讯系统取代单变量单点并行模拟系统。 是互联的双向的开放的取代单项的封闭的。 用分散的虚拟控制站取代接种低沸控制站。 3.33.3 PLCPLC、DCSDCS、FCSFCS 的差异的差异 .与的比较 系统屎个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是 系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，时候的扩容拿度较大。而功能下放较彻 底

41、，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。 因此，系统投资起点低，可以边用边扩边投运 系统式封闭式系统，各公司残品基本不兼容。二系统是开放式系统，用户 可以选择不同厂商不同产品的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。 系统的信息全部是二进制或模拟信号构成的，必须有与转换。二 系统是全数字化，就免去了与变换，高集成化高性能，使精度可以从 提高到。 系统可以将闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前 可以从的美妙次，提高到的每秒次，从而改善调节性能。 采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息， 并且还具备检测信息差

42、错的功能。采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，他 可以对现场装置（含变送器执行机构等）进行远方诊断维护和组态。信号 采用传统的模拟量信号，因此，它无法在工程站上对现场仪表（含变送器执行器等） 进行远方诊断维护和组态。的这点优越性事无法比拟的。 由于信息处理现场化，与相比可以省去相当数量的隔离器端子 柜终端卡件文件及柜，同时也节省了装置及装置 是的空间与占地面积。可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设 计安装和维护费用。相对于组态简单，由于结构性能标准化便于安 装欲行维护。 .与的比较 是一种数字控制转用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如 逻辑书序急事技术与

43、演算等功能，并通过模拟和数字输入输出等组件，控制各种机 械或工作程序。于 1968 年开发出发第一套 PLC，用于汽车生产线。目的是 用来取代继电器，执行逻辑.计时.计数等功能，建立柔性程序控制系统。 DCS 是一种“分散式控制系统” 。而且 PLC（可编程控制器）只是一种控制“装置” ， 两者是“系统”与”装置“的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调，PLC 装置只实现 本单元所具备的功能。 在网络方面，DCS 网络是整个系统的中枢神经，它是双冗的高速通信网络，系统的拓 展性与开放性更好。而 PLC 因为基本上都未个体工作，其在与别的 PLC 或上位机进行通信 时，所采用的网络形式基本都单

44、网结构，网络协议也经常与国际表准不符。在网络安全上， PLC 没有很好的保护措施。 、 DCS 整体考虑方案，操作员站都具备工程站功能，站与站这件在运行方案程序下装后 是一种紧密联合的关系，任何站.任何功能.任何被控装置间都是相互连锁控制，协调控制。 而单用 PLC 互相连接构成的系统，其站与站（PLC 与 PLC）之间的联系则使一种松散连接 方式，是做不出协调控制的功能。 DCS 安全性：为保证 DCS 控制的设备的安全可靠，DCS 采用了双冗的控制单元，当中 要控制单元出现故障时，不得不将整体系统停下来，才能惊醒更换维护并需要新编程。所以 DCS 系统要比其安全可靠性上高一个等级。 系统软

45、件，对各种工艺控制方案更新是 DCS 的一项最基本的功能，当某个方案发生变 化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过 程是由系统自动完成的，不影响源控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺要求 控制精度提高。而对于 PLC 构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要变成更 新的是那个 PLC，然后要用与之对应得编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器） 专门一对一地将程序传送给这个 PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而 且极其不利于日后的维护。在控制精度上相差甚远。因此在大中型控制项目中，基本不采用 全部由 PLC 所

46、连接而成的系统。 PLC 分为大型.中型.小型.微型 PLC。大型的可以代数千点，运算能力与 DCS 相似，现 在高端的 PLC 与 DCS 的功能已经差不多了，但对对多机联网功能较弱。现在两个技术平台 相似，致使重点不一样。 未来的工业过程控制系统中，数字技术向智能化.开放性.网络化.信息化发展，同时，工 业控制软件也将向标准化.网络化.智能化.开放型发展，因此现场总线控制系统的出现，DCS 及 PLC 并不会消亡，DCS 及 PLC 系统会更加向智能化.开放性.网络化.信息化发展。但是 DCS 或 PLC 出于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后的控制系统将会是：FCS 处 于控制系统

47、中心地位，兼有 DCS.PLC 系统的一种新型标准化.智能化.开放性.网络化.信息化 控制系统。 第四章第四章 精馏塔控制方案设计精馏塔控制方案设计 4.14.1 控制方案和回路的设计控制方案和回路的设计 由精馏塔静态特性分析影响产品的因素，为保证产品的质量，只需清除可能的扰动就可 以了。对于一个实际操作的二元精馏塔，在进料成分一定时，只要把 D/F 和 V/F 调节一定， 且顶部回流罐液位调节以保证回流按照 L=Vr-D 的关系保持一定；底部产品流量 B 在液位调 节作用下也可以保证 B=F-D 的物料平衡关系，那么该塔的产品质量就能得到控制。需指出， 由于能量关系因素 V 主要取决于再沸器

48、加热量，但也取决于进料和回流的热焓。当回流温 度恒定时，只需考虑进料设置温度或热焓自动调节系统。于是可保持再沸器的蒸汽量一定， 就相当于塔内上升蒸汽量 V 一定了。考虑到因冷凝器冷却量和环境等扰动因素而使能量平 衡可能破坏，从而使塔压变化，因此在塔顶设置压力调节系统。对于 D/F 和 V/F 的控制，由 顶部产品量 D，再沸器加热器蒸汽量和进料量 F 分别组成比值控制系统。若考虑到动态关系， 可添加补偿环节，一般采用超前一滞后环节。 （1）设置质量调节系统 实际上根据精馏塔静态特性考虑的按物料和能量平衡关系控制的方案，在具体应用是很 保证产品的质量，仅在产品质量指标并不严格的情况下才能使用。为

49、了使产品符合一定的质 量指标，就必须在上述控制方案的基础上设置之恋反馈系统，采用再沸器加热量及顶部产品 量等作为调节参数，以克服进料成分变化等扰动对产品成分的影响，使产品合格。对于一个 精馏塔来讲，塔顶产品和塔底产品的质量调节系统之间是相互关联的，当相互影响严重时， 不能达到预定的质量控制目的，此时可采用解耦控制以减少或消除它们之间的相关影响。对 于二元精馏塔可只采用顶部产品质量反馈，底部产品质量反馈可不用。 （2）静态和动态响应 满足静态特性关系的精馏塔控制方案很多，即一个被调参数在不同控制方案中可以用不 同的调节参数控制。从调节理论可知，所选择的调节参数使得被调参数的静态增益越大，控 制系

50、统的静态灵敏度越高，克服外部扰动的效果也越好。但如果该调节参数的调节通道的时 间常数太大，则从动态上看，控制系统的响应就不够快速，从而不能及时克服外部扰动。因 此，必须从静态响应和动态响应两方面综合考虑来确定调节参数和选择控制方案。当方案选 取时，由于客观条件不得不采用灵敏度较高但动态响应缓慢的控制回路时，则应当考虑必要 的动态补偿。考虑控制系统间的相关影响 在质量指标调节中，谈及了顶部产品和底部产品质量反馈系统之间的相关问题。同样的 问题在一个精馏塔的控制中也存在。精馏塔是一个多变量的调节对象，往往设有多个控制系 统。在这些控制系统之间有可能产生相互关联的影响。当相关影响严重时，可以使精馏塔的 操作系统失去稳定。解决方案一是可选取相关影响较小的系统，通过对各控制回路间相关影 响的定量分析方法来选取；二是对于选取的具有相关影响的控制系统，可通过整定调节器参 数把控制回路的工作频率拉开的方法减少相关；或者采用解耦控制。需指出的是，此时不仅 要考虑到系统的静态特性，也需要考虑其动态影响。考虑整个工艺生产过程的平稳操作