精馏塔控制系统设计.docx
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精馏塔控制系统设计.docx
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精馏塔控制系统设计
摘要
精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法,是工业上应用最广的液体混合物分离操作广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。
精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同的挥发度,将各组分分离并达到规定的纯度要求。
精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度,即同一温度下各组分的蒸汽分压不同,使液相中轻组分转移到气相,气相中的重组分转移到液相,实现组分的分离。
精馏操作的应用越来越广,分流物料的组分越来越多,分离的产品纯度越来越高。
本文主要围绕选丁醇塔为研究对象,在分析其工艺流程和系统构成的基础上,结合实际系统,进行了温度、流量、液位、和压力等影响因素方面的控制系统设计,详细设计了精馏过程的控制方案,包括串级控制、分程控制等。
使精馏塔控制系统达到工业生产的要求。
关键词:
精馏,控制系统,串级控制,分程控制
Abstract
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Distillationisauseofliquidmixturebackflowgethighpurityofdistillationseparationmethod,isthemostwidelyusedinindustryofliquidmixtureseparationoperationwidelyusedinpetroleum,chemicalindustry,lightindustry,food,metallurgicalandotherdepartments.Thegoalwastousethemixtureofdistillationofcomponentswithdifferentvolatiledegree,separationandthevariouscomponentsofthepurityofthespecifiedrequirements.Theessenceofthedistillationprocessistousethemixtureofcomponentswithdifferentvolatilityfor,namelythesametemperatureofvariouscomponentsofthesteampartialpressureofdifferent,makethelightcomponentinliquidphasetransfertothegasphase,restructuringofthegasphasetransfertoliquid,realizetheseparationofcomponents.Distillationoperationusedmoreandmorewidely,tapthecomponentsofthematerialismoreandmore,theseparationofmoreandmorehighpurity
Thispaper,focusingonchoosebutanoltowerastheresearchobject,theanalysisoftheprocessflowandsystemcomponentsonthebasisofthepracticalsystem,thetemperature,flow,liquidlevel,andstressfactorsasthecontrolsystemdesign,detaileddesignthedistillationprocesscontrolplan,includingcascadecontrol,processcontrolpoints.Makethecolumntoindustrialcontrolsystemofproductionrequirements.
Keywords:
Distillation.Controlsystem.Cascadecontrol.Processcontrolpoints
目录
摘要
Abstract
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2本课题的主要研究内容1
第2章精馏过程的控制分析3
2.1基本原理3
2.2精馏塔的工艺要求4
2.3精馏塔的特性4
2.3.1精馏塔的静态特性4
2.3.2精馏塔的动态特性6
2.4精馏过程的工艺流程简介7
2.5精馏过程的控制需求分析8
2.5.1压力控制9
2.5.2液位控制9
2.5.3流量控制9
2.5.4温度控制10
第3章精馏过程的控制方案设计11
3.1精馏塔塔顶压力控制方案设计11
3.2精馏塔塔釜和回流罐液位控制方案设计12
3.3精馏塔塔釜温度控制方案设计13
3.4精馏塔流量控制方案设计15
3.5精馏过程总体控制方案设计15
第4章设备仪表选型18
4.1测控仪表选型18
4.1.1压力变送器19
4.1.2流量传感器19
4.1.3液位测量仪表21
4.1.4温度测量仪表21
4.2执行机构选型23
第5章控制功能的实现25
5.1串级控制25
5.2串级温度控制系统仿真29
结束语33
谢辞34
参考文献35
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第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
丁辛醇是随着石油化工、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。
1.2本课题的主要研究内容
本课题的主要内容是熟悉二元精馏的工艺流程,了解二元精馏塔的特性和结构及其工艺计算,结合以前所学的知识,认真学习测控仪表教材,了解二元精馏系统流程仪表的位号和特点,仔细研究二元精馏的工艺流程图,熟悉二元精馏的工艺流程,依此设计相应的一套相对完整的控制方案,使系统能对二元精馏的工艺过程进行有效的控制。
设计的二元精馏系统应稳定改善产品质量,提高产量,优化操作,降低能耗,使系统更加平稳有效的运行。
本系统应操作简单,便于工作人员操作,功能齐全,使上述功能完整的应用于现场,使之能对二元精馏系统各变量进行有效实时监控。
设计的二元精馏系统应稳定改善产品质量,提高产量,优化操作,降低能耗,使系统更加平稳有效的运行。
第2章精馏过程的控制分析
2.1基本原理
一般的精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐及回流泵等设备组成,如图所示。
再沸器为混合物液相中的轻组分转移提供能量;冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相并提供精馏所需的回流;精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备,其一般形式为圆柱形体,内部装有提供汽液分离的塔板,塔身设有混合物进料口和产品出料口。
图2-1
精馏塔的特点
精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程,内在机理较复杂,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。
而且从能耗的角度,精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。
2.2精馏塔的工艺要求
要对精馏塔实施有效的自动控制,必须首先了解精馏塔的控制目标。
一般说来,精馏塔的控制目标,应该在保证产品质量合格的前提下,使塔的回收率最高、能耗最低,即使塔的总收益(利润)最大或总成本最小。
因此,精馏塔的工艺要求应该从质量指标、能量消产品产量、耗和约束条件四方面考虑。
任何精馏塔的操作情况也同时受约束条件的制约,因此,在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因素考虑进去。
2.3精馏塔的特性
2.3.1精馏塔的静态特性
精馏塔的精态特性可以通过分析塔的基本关系来表述,即物料平衡和能量平关系。
以图2-1所示的二元简单精馏过程为例,说明精馏塔的基本关系。
1.物料平衡关系
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所示的精馏过程,其物料平衡关系为:
总物料平衡(2-1)
轻组分平衡(2-2)
由式(2-1)和(2-2)联立可得:
(2-3)
或(2-4)
式中、、——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量;
、、——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。
同样也可写成:
(2-5)
从上述关系可看出:
当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少,即、下降。
而当增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。
即、上升。
然而,在(或)一定,且一定的条件下并不能完全确定、的数值,只能确定与之间的比例关系,也就是一个方程只能确定一个未知数。
要确定与两个因数,必须建立另一个关系式:
能量平衡关系。
2.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。
所谓分离度可用下式表示:
(2-6)从式(2-6)可见:
随着分离度的增大,而减小,说明塔系统的分离效果增大。
影响分离度的因素很多,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和进料量的比值等。
对于一个既定的塔来说:
(2-7)
式(2-7)的函数关系也可用一近似式表示:
(2-8)
或可表示为:
(2-9)
式中为塔的特性因子。
由式(2-8)、(2-9)可以看出,随着增加,值提高。
也就是增加,下降,分离效果提高了。
由于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,故称为能量平衡关系式。
而且由上述分析可见:
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,只要和一定,这个它的分离结果,即与将被完成确定。
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
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