2023毕业精馏塔自控系统应用设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——2023毕业精馏塔自控系统应用设计6.2塔釜液位控制系统的设计636.2塔釜温度控制系统的设计656.3冷却水流量控制系统的设计69

6.3.1涡流流量计的工作原理696.4回流比自动控制系统的设计706.4.1比值系统组成原理70

6.4.2工作原理716.5精馏塔的监控测试点的确定736.6其他控制量的控制趋势图75

6.6.1系统总貌图756.6.2塔釜压力趋势图766.6.3塔节温度趋势图776.6.4进料温度趋势图79

第七章结论错误！未定义书签。

量，这主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔的附属设备及管线也要散失一定的热量和冷量。从定性的分析可知，要使分开所得的产品纯度越高，产品产量越大，则所消耗的能量越多

产品的产量寻常用该产品的回收率来表示。回收率的定义是进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。数学上组分i的回收率定义为：

Ri=P/Fzi

式中，P为产品产量；F为进料流量；Zi为进料组分i的浓度。

产品回收率、产品纯度及能量消耗三者之间的定量关系可以用图2.3中的曲线来说明。这是对于某一精馏塔按分开50%两组合分混合液作出的曲线图，纵坐标是回收率，横坐标是产品纯度（按纯度的对数值刻度），图中的曲线是表示每单位进料所消耗能量的等值线（用塔内上升蒸气量V与进料量F之比V/F来表示）。曲线说明，在一定的能耗V/F状况下，随着产品纯度的提高，会使产品的回收率迅速下降。纯度越高，这个倾向越明显。

图2.3产品纯度、产品回收率和能量消耗的关系

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此外，从图2.3可知，在一定的产品纯度要求下，随着V/F从小到大逐步增加，刚开始可以显著提高产品的回收率。然而，当V/F增加到一定程度以后，再进一步增加V/F所得到的效果就不显著了。例如，由图1.3可以看出，在98%的纯度下，当V/F从2增至4时，产品回收率从14%增到88%，增加了74%；当V/F再从4增加到6时，则产品回收率仅从88%增加到96.5%，只增加了8.5%。

以上探讨说明，在精馏操作中主要产品的质量指标，刚好达到质量规格的状况是期望的，低于要求的纯度将使产品不合格，而超过纯度要求会降低产量。然而，在一定的纯度要求下，提高产品的回收率，必然要增加能量消耗。可是单位产量的能耗最低并不等于单位产量的成本最低，由于决定成本的不仅是能耗，还有原料的成本。右此可见，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，在质量指标一定的前提下，在控制过程中应使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。至于在质量指标一定的前提下，使单位产品产量的能量消耗最低消耗或单位产品量的成本最低以及使综合经济效益最大等，均是属于不同目标函数的最优控制问题。

2.4精馏塔装置的工艺流程

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，战胜扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续地进行[6]。图2.4为精馏塔装置的工艺流程。

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图2.4精馏塔工艺流程

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第三章精馏塔控制方案设计

3.1精馏塔控制方案

不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制的要求个不一致，因而精馏塔控制方案较多。下面对常见的几种方案进行分析。

3.1.1提馏段参数控制

当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为衡量质量的间接指标，这时可选提馏段某点温度作为被控参数，以再沸器加热蒸气流量为控制变量。另外，液相进料时也常采用这类方案，这是由于在液相进料时，进料量F的变化首先影响到塔底产品浓度，而塔顶或精馏塔板上的温度不能及时地反映这种变化。

图3.1为提馏段温度控制方案，其主要控制系统是以提馏段塔板温度为被控参数，以加热蒸气流量为控制变量。为了抑制其他干扰对被控参数的影响，还没有五个辅助控制系统：对塔顶馏出液QD和塔底采出量QW，案物料平衡关系分别设有回流量和塔底液位控制系统；为保持进料量F稳定，F进行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均匀控制以维持F平衡变化；为维持塔内压力恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制变量一般为冷凝器的冷却剂流量；塔顶回流量QL采用定植控制，而且回流量应足够大，以便当精馏塔的负荷最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内[7]。

采用提馏段温度控制系统时，在回流量足够大的状况下，塔顶产品的质量也可以保持在规定的纯度范围内，因此，即使塔顶产品质量要求比塔底严格，依旧采用提馏段温度控制系统。

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图3.1精馏塔提馏段温度控制方案

提馏段温度控制系统具有如下特点：

1）以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。在以塔底采出液为主要产品，对塔底产品成分的要求高于对塔顶馏出液成分的要求时，往往采用提馏段温度控制系统方案。

2）当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时，动态响应过程也比较迅速。

3.1.2精馏段参数控制

当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指标，这时可选精馏某点温度作为被控参数（间接塔顶采出液的纯度），以回流量QL作为控制变量组成单回路控制系统，也可组成串级控制系统。串级控制系统虽

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较繁杂，但可迅速而有效地战胜进入副环的扰动，并可降低对调理阀特性的要求，有较高的精度。精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度，当干扰不很大时，塔底产品的纯度变化范围也不大[8]。

图3.2所示串级温度控制系统是常见的精馏段温度控制方案，其中回路是以精馏段塔板温度为被控参数，以回流量QL作为控制变量，QL同时也是串级控制系统的副参数。

为了抑制其他干扰对被控参数的影响，除了主系统外，还设有五个辅助控制系统。其中，进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案与提馏段温控时一致；再沸器加热量应足够大，且维持一定，可以使精馏塔在最大负荷时，仍能保证塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。

图3.2精馏塔精馏段温度控制方案

精馏段温度控制系统有如下特点：

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1）用精馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏产品品质。在以塔顶采出物为主要产品，对塔顶产品成分的纯度要求高于对塔底产品成分的要求时，往往采用精馏段温度控制系统方案[9]。

2）当干扰首先进入精馏段时，例如在汽车相进料时，进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。

3）串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的抑制。可实现被控参数的高精度控制。

以精馏段温度作为衡量质量指标的间接被控参数，当分开的产品纯度较高时，塔底温度变化很小。为了及时、确切地检测和控制产品质量，要求温度检测仪表有很高的测量精度和灵敏度。若将温度传感器安装在塔底以上的灵敏塔板上，以灵敏板的温度作为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。

所谓灵敏板，是指出现扰动时温度变化最大的那块塔板。以灵敏板温度作为被控参数有利于提高控制精度。

3.1.3精馏塔的温差控制及双温差控制

前面探讨的两种控制系统方案都是以温度作为被控参数这在一般的精馏塔中是可行的。但在产品纯度要求很高，塔顶、塔底产品的沸点区别又不大、塔内压力存在波动时，以某一点温度作为被控参数的控制方案不能满足精馏工艺的精度要求。这时常用温差控制系统，采用温差作为衡量精馏产品质量指标的间接参数，以提高控制质量，满足工艺要求[10]。

只有当压力完全恒定时，温度与成分之间才具有单值（严格来说，只是对二元组分）对应关系。在压力波动时，用温度作为被控参数就不能很好地代表产品

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的成分。为了消除压力波动的影响，可以检测塔顶（或塔底）附近的一块塔板的温度，再检测灵敏板的温度。由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本一致的，只要将上述两温度相减，压力的影响就消除了，这就是采用温差来衡量质量指标的依据。

选中择温差信号时，假使塔顶（塔底）采出量为主要产品，可将一个检测点放在塔顶或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并将对应的塔板称为参照板；另一个检测点放在灵敏板附近，即浓度和温度变化较大的位置，然后取上述两点的温度差△T作为被控参数。这时塔顶（塔底）温度实际上起参比作用，压力变化对两点温度都有一致影响，相减之后其压力波动的影响就基本抵消。

温差控制虽可以战胜由于塔内压力波动对塔顶或塔底产品质量的影响，但是还存在一个问题，就是当负荷变化时，上升蒸气流量发生变化，引起塔板间的压降变化。随着负荷增大，塔板间的压降增大引起的温差也将增大，温差和组分之间的对应关系就要变化。在这种状况下，可以采用如图3.3所示的双温差控制系统，实现对高纯度精馏产品的质量控制。下面分析双温差控制系统的工作原理。

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图3.3精馏塔双温差控制方案

在进料组分基本稳定的状况下，负荷变化引起的塔内上升蒸气流量变化会使塔板之间压降变化，而灵敏板于参照板之间压降变化由会引起参照板温度与灵敏

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板温度之间温差变化。假使控制系统能够使两个参照板与两个灵敏板之间的温差相等，就能够消除负荷扰动的影响，达到质量控制的目的，这就是双温差控制的依据[11]。

双温差控制也称温差差值控制。由图3.3可以看出，双温差控制就是分别在精馏段和提馏上选择温差信号，然后将两个温差信号相减作为调理器测量信号（即控制系统的被控参数）。从前面的分析可知由压降引起的温差变化，不仅出现在精馏段（顶部），也出现在提馏段（底部），这种因负荷变化在精馏段合格提馏段引起的温差变化相减后就可相互抵消。

3.2乙烯精馏塔装置的控制方案

乙烯精馏过程是传质、传热的繁杂过程，各变量之间相互关联、耦合，系统存在时滞性、非线性等特性，因此是一个工艺机理繁杂，控制难度较大的过程。随着计算机控制在化学工业中的普及和控制理论的发展，人们已不满足单纯从生产过程的工艺改进和生产设备规模扩大上获取经济效益，而是对乙烯生产装置实行优化操作，发挥现有装置的内在潜力，以低能耗、低成本获得较高的经济效益。

乙烯精馏塔是将来自脱乙烷塔顶，并经过乙炔加氢反应后的原料气(内含C2H4、C2H6、H2、O2、CO、C2H2、C3H6)在塔内经气液分开，