精馏塔的比值控制系统设计.docx

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精馏塔的比值控制系统设计

摘要

在石化工业中，许多原料、中间产品或粗成品往往是由若干组分形成的混合物，需要通过精馏过程进行分离。

精馏是利用混合液中不同组分挥发温度的差异将各组分分离的过程。

精馏塔是精馏过程的关键设备。

统计资料表明，在石化工业中，40%~50%的能量消耗在精馏设备中，精馏塔是过程控制的重要控制对象，一直受到控制领域的关注。

精馏塔由多级塔盘组成，内在工作机理复杂。

在精馏过程中，工作参数对控制作用的响应缓慢，不同变量之间存在相互关联，因此，精馏塔是一个多参数的被控过程；不同工艺要求的精馏塔结构不同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制方案繁多；另外，精馏工艺控制要求较高，控制相对困难。

只有对生产工艺进行深入分析，才可能控制出合理的控制系统。

本次设计中，通过对合成甲醇精馏过程的模拟，我们具体了解和掌握比值控制系统的工作原理。

关键词：

精馏精馏塔多参数控制比值控制合成甲醇精馏

摘要1.

1精馏塔控制系统介绍1.

1.1精馏塔原理1.

1.2精馏塔的控制要求及主要干扰因素1

1.2.1精馏塔的控制要求1

1.2.2精馏塔的干扰因素特性2

2精馏塔控制方式的选择与论证.3

3比值控制系统.5..

3.1比值控制系统简介5.

3.2比值控制系统的设计5.

4甲醇精馏的比值控制系统6.

5系统各器件选型8.

5.1检测转换元件的选择8.

5.2调节阀气开气关式选择9

6小结与体会1.1

参考文献12

精馏塔的比值控制系统设计

1精馏塔控制系统介绍

1.1精馏塔原理

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。

蒸汽由塔底进入，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）组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作塔中，其余的部分则作为馏出液取出。

塔底流入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部

可分为：

简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等

1.2精馏塔的控制要求及主要干扰因素

1.2.1精馏塔的控制要求

为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行，精馏塔自动控制系统应满足如下要求：

（1）保证产品质量。

精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。

通常，

满足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯

度维持在规定范围内。

（2）保证平稳生产。

首先要使精馏塔的进料参数保持稳定；其次为了维持塔的物料平衡，要控制塔顶和塔底产品采出量，使其和等于进料量；再次塔内的储液量应保持在限定的范围内；最后要控制塔内压力稳定。

（3）满足约束条件。

系统必须满足一些参数的极限值所限定的约束条件，如

塔内气体流速的上下限、塔内压力极限值等。

（4）节能要求及经济性。

主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。

122精馏塔的干扰因素特性

图1表示精馏塔物料流程图。

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。

如果精馏塔位于整个生产过程的起点，则可采用定值控制系统。

（2）进料成分ZF的变化。

进料成分是由上一道工序出料或原料情况决定，对图1所示精馏塔来讲，它是不可控的扰动因素。

（3）进料温度Tf和进料热焓值Qf的变化。

一般情况下进料温度是比较恒定的，如果进料温度变化较大，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稳定。

当进料是气液两相的比例恒定时，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的变化。

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。

其变化主要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。

（6）环境温度的变化。

环境温度一般变化较小，当变化大时可通过内回流控制加以克服。

2精馏塔控制方式的选择与论证

不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制要求各不相同，因而控制方案较多。

由于本设计是针对比值控制系统，所以我们假定具体工艺为双效三塔低压法对合成甲醇的精馏控制。

其总体工艺流程图如图2。

图2双效三塔精馏工艺流程

在此系统中，三个塔分别是预塔、加压塔和常压塔。

粗甲醇进入预塔之前，先在粗甲醇预热器中，用蒸汽冷凝液将其预热到338K，粗甲醇在预塔除去其中

残余的溶解气体及低沸物。

塔顶设置两个冷凝器。

在塔内上升汽中的甲醇大部分冷凝下来进入预塔回流槽，精预塔回流泵进入塔顶作回流。

不凝气、轻组分及少量甲醇蒸汽通过压力调节后至加热炉作燃料。

预塔塔底由低压蒸汽加热的热虹式再沸器向塔内提供供热量。

为了防止粗甲醇对设备的腐蚀，在预塔下部高温区加入一定量的稀碱液，使预后甲醇的PH值控制在8左右。

由预塔塔底出来的预后甲醇，经加压塔进料泵加压后，进入第一主精馏塔加压塔，塔顶甲醇蒸汽进入冷凝再沸器，即第一精馏加压塔的气相甲醇又利用冷凝潜热加热第二精馏常压塔的塔釜，被冷凝的甲醇进入回流槽中，在回流槽稍加冷却，一部分由加压塔回流泵升压至0.8MPa送到加压塔作回流液，其余部分经加压塔精甲醇冷却至到313K后作成品送往精甲醇计量槽。

加压塔用低压蒸汽加热的热虹式再沸器向塔内提供热量，通过低压蒸汽的加入量来控制塔的操作温度。

加压塔的操作压力大约为0.57MPa塔顶操作温度大约为394K，塔底操作温度大约为400K。

由加压塔塔底排出的甲醇溶液送往第二精馏常压塔下部，从常压塔塔顶出来

的甲醇蒸气经常压塔冷凝器冷却到313K后，进入常压塔回流槽，再经常压塔回流泵加压后，一部分送到常压塔塔顶作回流，其余部分送到精甲醇计量槽。

常压塔顶操作压力大约为0.006MPa,塔顶操作温度大约为339K，塔底操作温度大约为368K0

常压塔的塔底残液另外由汽提塔进料泵加压后进入废水汽提塔，塔顶蒸汽经汽提塔冷凝器冷凝后，进入汽提塔回流槽，由汽提塔回流泵加压，一部分送废水汽提塔塔顶作回流，另一部分经汽提塔甲醇冷凝器冷凝至313K，与常压塔采出的精甲醇一起送往产品计量槽。

如果采出的精甲醇不合格，可将其送至常压塔进行回收，以提高甲醇精馏的回收率。

汽提塔塔底用低压蒸汽加热的热虹式再沸器向塔内提供热量，塔底下部设有侧线，采出部分杂醇油，并与塔底排出的含醇废水一起进入废水冷却到313K，由废水泵送往污水生化处理装置。

本工艺对于预精馏塔（稳定塔）进料PH、第一主精馏塔（加压塔）温度、压力、回流比以及第二主精馏塔（常压塔）负荷的控制尤为重要。

其中，预精馏塔进料PH的控制涉及到两种物料（粗甲醇和碱液）的配比，即控制PH=8得控

制此两种物料保持一定的比值。

此时可以使用比值控制系统予以实现。

3比值控制系统

3.1比值控制系统简介

实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

例如要实现两物料的比例关系，则表示为：

Q2=KQ10

比值控制系统分为开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。

3.2比值控制系统的设计

（1）主、副流量的确定

1生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。

2工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。

3成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。

4当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。

（2）控制方案的选择

控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。

1如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。

2如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。

3当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。

（3）调节器控制规律的确定

比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。

在单闭环比值控制系统中，比值器F1C起比值计算作用，若用调节器实现，则选P调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。

双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量均要

实现定值控制，所以两个调节器均应选PI调节；比值器选P调节。

（4）正确选择流量计及其量程

各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），

必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。

（5）比值系数的计算

工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K后才能进行比值设定。

变送器的转换特性不同，比值系数K的计算公式不同。

①流量与测量信号之间成线性关系

如果Qi的流量计测量范围为0〜Qimax、Q2的流量计测量范围为0〜Q2max,则变送器输出电流信号和流量之间的关系为：

K'=KQl皿玄x

Q2max

②流量与测量信号之间成非线性关系

如果Qi的流量计测量范围为0〜Qimax、Q2的流量计测量范围为0〜

Q2max,贝U变送器输出电流信号和流量之间的关系为:

4甲醇精馏的比值控制系统

由于粗甲醇为不可控变量，受上一工序影响比较大，而碱液比较稳定，本方案使用单闭环比值控制方案，它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰（储罐中液位降低时流量可能会减小）对比值的影

响，因此主副流量的比值较为准确；另外，该方案结构形式简单，实施起来也很容易，其具体示意图和方块图如图3和图4。

图4调节PH的单闭环控制系统框图

在稳定情况下，主流量满足工艺要求的比值，即Q2/Q仁K;当主流量发生改变时，经变送器送至主控制器FiC、F2C按预先设置好的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变副流量控制F2C的给定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从而Q2跟随Qi变化，使得在新工况下，流量比值K保持不变;当主流量没有变化而Q2由于自身干扰发生变化时，此副流量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过控制克服干扰，使工艺要求的流量比值仍保持不变。

5系统各器件选型

5.1检测转换元件的选择

本系统需要使用的检测转换元件为PH计。

工业PH计由发送器和测量器两大部分组成。

发送器由玻璃电极和甘汞电极组成，它的作用是根据PH值转换成直流信号，工业PH计的测量仪器一般用电子电位差计。

（1）检测原理

电位测定的基本原理是在被测溶液中插入两个不同的电极，其中一个电极的电位随溶液H1的改变而变化，称为工作电极；另一个电极具有固定的电位，称为参比电极。

这两个电极形成一个原电池，测定两电极之间的电势就可以知道被

测溶液的PH值。

如图5所示为工业PH计测量线路

（2）

参比电极

溶液PH测定普遍采用甘汞电极作为参比电极。

它由一个闪电极装入一个玻

璃外壳组成。

内电极的引线下端浸入汞中，汞下面装有糊状的甘汞，并用浸在

KCI溶液中纤维丝堵塞，下部为溶液通道（一般为多孔陶瓷制线），KCI溶液作

为盐桥。

其电极电势为:

式中，E。

为电极的标准电位；R为气体常数；T为溶液的绝对温度；F为法拉第常数；Cl一】为氯离子的浓度

从上式可知：

电位的高低直接取决于Ci「I的大小。

甘汞电极的种类有好多，常用的为饱和甘汞电极，即KCI为饱和的，所以Ci-I保持不变，电位只取决于环境的温度。

（3）工作电极

工作电极主要有玻璃电极、氢醌电极和锑电极三种，其中玻璃电极为工业常用的工作电极。

下面简述各种电极：

a.玻璃电极

如图6为常用普通PH玻璃电极，当玻璃电极插入被测试样时，在PH计玻璃

内部溶液（参比溶液）和被测溶液之间建立起H•的平衡状态，此时电极电势为：

2.303RTH+]

E=Ea-^^丁]

式中，Ea为不对称电位；H■J为参比溶液的H丄

对于给定的玻璃电极，H为一个常数，则电位只与被测液氢离子的浓度有函数关系。

同样玻璃电极受温度影响比较大，所以必须根据温度补偿电阻接入测量电路，以补偿温度对ph值测量的影响。

玻璃电极的工作温度在2-55r之间。

b.氢醌电极

将铂极片浸于饱和醌--氢醌溶液中，即形成氢醌电极，其电极电势为：

2.303RT

E丰PH

F

由上式可知氢醌电极的电势E正比于溶液的PH值。

氢醌电极的优点是结构简单，反应速度快，但受温度影响大，在高温下电极电位不稳定等。

c.锑电极

这是一种金属-金属氧化物电极。

其电极电势产生与金属与覆盖其表面的氧化物的界面上。

锑电极的结构也比较简单，可用于半固体等混合物中的PH测量,但精度不咼。

5.2调节阀气开气关式选择

气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。

无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。

反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大,阀门逐渐开大称的为气开式。

阀门气开气关式的选择原则：

当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。

根据此原则，本设计我们应该选用气开式调节阀。

6小结与体会

《过程控制系统与仪表》这门课是自动控制原理和传感检测这两个学科的延续。

我这次课程设计任务就要要运用这些知识设计一个精馏塔的比值控制系统。

本次设计，我分成两个阶段。

第一阶段，通过图书馆和网络查阅相关资料，先弄明白精馏塔的工作原理，结构组成以及比值控制系统的理论知识，从而整理出大致的设计思路；第二阶段，根据之前明确的主要方向，确定合适的设计方案，选择适合的检测元件，确定调节阀的工作方式、调节器的控制规律等。

我在这次课程设计中遇到很多困难，其中，最大的难题就是对精馏塔进行比值控制的设计。

因为根据我查询的各种资料，在精馏过程中，被控参数不管是精馏段还是提馏段，所选择的控制系统包括串级控制、前馈-反馈控制、均匀控制甚至一些高级控制，就是没有比值控制。

所以，最终，我自己模拟了一个具体的工艺过程，也就是文中的合成甲烷的精馏过程，并且将第一阶段的PH值控制过

程设计成了比值控制系统。

另外，本来我准备对自己设计的系统进行建模和仿真，但是，由于时间原因和对实际的系统参数不确定，所以只能作罢。

这次课程设计内容看似简单，但是对于我本身而言意义重大，我从中收获很多。

首先，过程控制理论知识相对比较琐碎和繁杂，在课程学习时因为直观觉得简单，所以没有形成系统的观念。

在本次设计中，对于一个控制系统，从原理分析到方案论证再到具体器件的选择，做完后我们不仅掌握了系统的设计方法，更重要的是我们对于系统设计有了宏观的认识。

其次，本次的课程设计让我具体了解了精馏塔的工作过程以及多种控制方式，还了解了一种之前没有接触过的检测仪器一一PH计。

在大学期间，我们已经做过多次课程设计，每次都有很大收获。

而作为大四上学期最后一个任务，此次课程设计也意味着大学课程设计的终结，对此，我表示很遗憾。

所以，将来不管是工作还是继续深造，在接下来的大学时间里，我们都应该自主地学习一些专业知识或者技能，多结合理论与实践，运用我们大学所学的所有知识，系统地进行能力提升。

参考文献

[1]王再英等编•过程控制系统与仪表•北京：

机械工业出版社，2006

[2]侯志林.过程控制与自动化仪表.北京：

机械工业出版社，1999

[3]施仁主•自动化仪表与过程控制•北京：

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[4]金以慧.过程控制.北京：

清华大学出版社，1993

2006

⑸曹润生等编•过程控制仪表•杭州：

浙江大学出版社,1987

⑹王正林等编.过程控制与Simulink应用.北京：

电子工业出版社,