精馏塔精馏段温度串级系统方案.docx

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精馏塔精馏段温度串级系统方案

1绪论

精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。

精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。

一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备，如图1所示。

图1简单精馏控制示意图

进料流量F从精馏塔中段某一塔板上进入塔，这块塔板称为进料板。

进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。

溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。

实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。

多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。

1.1精馏原理

在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。

对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。

例如对于A、B两种混合物的分馏，纯A的沸点是140℃，纯B的沸点是175℃。

如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图2中的液相曲线所示。

图2

设原溶液中A占20%，B占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。

这时，与液相共存的气相组分比是A占45.8%，B占54.2%。

这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A占45.8%，B占54.2%；如果使此冷凝后的混合液体沸腾，其沸点是154.5℃。

这时气相组分比又变成A占73.5%，B占26.5%，这样反复进行上述操作，不断蒸发和冷凝，最终就可将A分离。

1.2串级控制

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。

2精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构

单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控制问题。

对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的。

串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势。

2.1变量的选择

被控变量的选择

对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控量。

对于多元精馏塔．由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物。

在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系。

误差较小。

因此。

绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。

操纵变量的选择

精馏段的温度控制精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标．在恒压下根据温度检测点的位置不同。

有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。

操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。

而回流量L的动态响应快，温度稍有变化，即可通过调节回流量L加以控制，能够很好的克服扰动对选择如图1所示在。

2.2工艺描述

影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而精镏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，分析精馏塔的无聊和能量平衡对制定精馏塔精馏段的控制至关重要。

精馏塔的基本。

以二元简单精馏为例，介绍物料平衡和能量平衡的基本关系。

物料平衡：

（2-1）

增大，，减小。

式中F，D，B——进料、顶馏出液和底馏出液量；

,——进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。

能量平衡：

（2-2）

式中分离度,s增大，增大，减小。

说明塔系统分离效果增大为塔特性因子，V为上升蒸汽量，是有再沸器施加热量来提高的。

增大，分离效果增大，能耗增大。

对于一个既定的塔，进料组分一定，和一定，完全确定。

分析精馏塔提馏段过程，本文对主回路采用串级控制系统，其主、副诃节器所起作用各有侧重。

主调节器起定值控制作用，且主控参数（提馏段温度）允许波动围很小，一般要求无余差，因此采用需要高精度的免疫PID控制器；由于再沸器加热量的变化能够较快地反映在提馏段温度变化上，且能够通过阀门进行控制，因此选择回流罐的液位量控制作为串级控制的副控参数。

在串级控制中，副调节器起随动控制作用，且副控参数的调节也是为了保证主控参数的控制质量，可以有一定的余差，因此副调节器采用P调节器。

由于进料量和进料温度对进料馏段温度影响较大。

2.3精馏塔精馏段控制的原理

我们的控制目的是使塔温保持恒定，现选用精馏段的温度,与回流量来构成串级随动控制.如图3所示图中TC表示温度调节器，LC表示量调节器液位调节器，TC通常按PID调节规律，流量调节器按P调节规律。

当温度发生变化时，由主调节器（温度调节器TC）进行控制，其输出作为副调节器（液位调节器LC）的给定值，最终控制阀门的开度，主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象，液位一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了液位的变化对出料温度的影响如果液位是恒定的，只需测量实际温度，并使其与温度设定值相比较，利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持温度的恒定。

路中，以补偿过程的动态特性，使被控对象的滞后时间超前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题，减少了系统的超调量，加速了系统的调节过程，另外，通过增大液位调节器的比例增益，系统的等效时间常数可以获得较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高了系统的工作。

在这个计算机串级随动控制系统中，串级控制起到了及时检测系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制，阀位与流量得到了及时的调节，使塔温的控制达到了良好的控制效果，并且使系统具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间很长的问题。

二次干扰为该系统的主要扰动，副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。

当扰动发生在副回路，例如液位发生波动引起精馏段的温度变化时，由于有副控回路的存在，液位调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起提馏段的温度变化，温度调节器及时改变其输出信号，由副控回路去改

变流量，克服了扰动

图3精馏塔精馏段温度串级控制系统

3仪表的选型

过程控制系统一般都是负反馈控制系统，主要由被控对象、传感器和变送器、控制器

和执行机构等四部分组成。

其中，传感器与变送器属于检测仪表，控制器和执行机构则属

于控制仪表。

检测与控制仪表是过程控制系统的基本组成部分，是实现生产过程自动化必

不可少的工具。

检测仪表将生产工艺参数变为电流信号或气压信号后，不仅要求由显示仪表显示或记

录，让人们了解生产过程的情况，还需要将信号传送给控制仪表，对生产过程进行自动控

制，使工艺参数符合预期要求。

检测仪表将生产过程中有关的工艺参数准确及时地测量出

来，并转换为标准信号如0～10mADC电流信号，4～20mADC电流信号或20～100kPa

的气压信号，送往控制仪表或显

温度控制（调节器）SR3-8I选型

SR1/SR3/SR40.3级PID调节器选

温度变送器

变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出信号与温差之间有一给定的连续函数关系。

故称为温度变送器。

　　变送器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数），早期生产的变送器其输出信号与温度传感器的电阻值（或电压值）之间呈线性函数关系。

　　标准化输出信号主要为0mA~10mA和4mA~20mA（或1V~5V）的直流电信号。

不排除具有特殊规定的其他标准化输出信号。

变送器有电动单元组合仪表系列的（DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型和DDZ-S型）和小型化模块式的，多功能智能型的。

前者均不带传感器，后两类变送器可以方便的与热电偶或热电阻组成带传感器的变送器。

所以在次选用DDZ-III型变送器。

热电偶温度变送器技术指标[9]

冷端温度补偿：

-15～+75℃

　　输出电流：

4～20mA

　　输出回路供电：

12～30VDC

　　最小工作电压：

12VDC

　　负载电阻与供电电源的关系：

　　负载电阻（包括引线电阻）=供电电源（V）-12（V）/0.02A

　　※综合参数

　　标准精度：

±0.2%

　　温度漂移：

基本误差/10℃

　　热电阻引线补偿：

±0.1%（0～10Ω）

　　负载变化影响：

±0.1%（允许负载围）

　　电源变化影响：

±0.1%（12～30V）

　　开机响应时间：

＜1S（0～90%）

　　工作环境温度：

-20～+70℃

　　防护等级：

IP00/IP54（传感器防护等级决定）

　　电磁兼容：

符合IEC61000,EN61000

液位调节器选型

液位调节器主要

1、测量围：

0—6000mm

　　2、测量精度：

±10mm

　　3、介质密度：

≥0.5g/cm

　　4、工作压力：

1.01.62.5MPa

　　5、工作温度：

80℃120℃200℃

6、介质粘度：

≤0.4Pa.s

（对粘度大或低温易结晶介质要选用夹套型）

　　7、测量界位比重差：

0.15g/cm

液位变

液位变送器是对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送

主要技术指标

测量围：

0.3～100m（由用户自选）

精度：

0.2、0.5、1.0级

工作温度：

-20～200℃

输出信号：

二线制4～20mADC

电源电压：

标准24VDC（12～36VDC）

不灵敏区：

≤±1.0%FS

负载能力：

0-600Ω

相对温度：

≤85%

防护等级：

IP68

防爆标志：

ExiaⅡCT4-6

调节阀选型

１）阀型的选择

调节阀阀型最好选择功能齐全、重量轻的全功能超轻型调节阀去代替其他调节阀产品，可简化选用期货产品因功能不齐全而担心选型不当（如直行程类阀的防堵问题；切断与压差的关系等）的麻烦。

2）执行机构的选择

执行机构的选择：

①选用进口电子式执行机构，克服一系列不可靠问题；②薄膜式执行机构选用精小型系列；③活塞式执行机构应考虑齿轮条式；④告诉阀关闭的压差，由生产厂选定执行机构大小。

３）材料的选择

这一问题较复杂。

因许多腐蚀介质对聚四氟乙烯不存在腐蚀，故宜选用全四氟耐腐蚀阀，使耐腐蚀场合的选型得到大大简化，只是当温度>180℃、<－４０℃、PN≥2.5KPa时，再支考虑耐蚀合金。

４）弹簧围的选择

对配薄膜执行机构的阀，现绝大部分场合均配定位器，可以充分利用250KPa的气源，选用一种中等刚度，又可兼顾较大输出力的弹簧60～180KPa；同理，对活塞执行机构选用150～300KPa.

５）流量特性的选择

①当参数弄不准时，选对数特性：

②当被调系统的响应速度较快时，如流量调节、液体压力调节，选对数特性；当系统的响应速度较慢时，液位系统、温度调节系统、选直线特性；③Ｓ值较小时，选对数特性；④阀可能小开度工作时，选对数特性。

• 流向的选择

对单密封类的直行程调节阀，通常选流开型；当要求切断和防冲蚀时，选流闭型（流闭型稳定性差，应考虑相应的稳定性措施）。

• 填料的选择

当带定位器时，尽量选用耐磨、耐温、寿命长、密封可靠的石墨填料。

• 定位器与转换器的选择

转换器没有定位的提高输出力、提高动