精馏塔提留段课程设计.docx
- 文档编号:20352451
- 上传时间:2023-04-25
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:473.67KB
精馏塔提留段课程设计.docx
《精馏塔提留段课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《精馏塔提留段课程设计.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
精馏塔提留段课程设计
第1章精馏概述
精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。
精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度,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。
轻组分的转移提供能量;,对控制系统的设计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。
因此,熟悉工艺过程和内在特性十分重要。
1.1精馏原理以及工业流程
精馏操作分为连续精馏和间歇精馏,本设计的研究对象是连续精馏的过程。
连续精馏的流程装置如下图所示,其操作过程是:
原料液经预热加热到一定温度后,进入精馏塔中的进料板,料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后,在逐板下流,最后流入塔底再沸器中,液体在逐板下降的同时,它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触,同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。
操作时,连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品,部分液体汽化产生上升蒸汽,从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体,并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体,其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。
图1.1连续精馏装置工艺流程图
第2章控制系统设计
2.1单回路控制系统简介
2.1.1.单回路控制系统的结构和类型
单回路控制系统又称简单控制系统。
是指由一个被控对象,一个检测元件及变送器一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
其方框图如图2-1所示。
单回路控制系统结构简单,易于分析设计,投资少,便于施工,并能满足一般生产过程的控制要求,因此,在生产过程中得到了广泛的应用。
设计一个控制系统,首先应对被控对做全面的了解。
除被控对象的动态特性为,对于手工艺过程,设备等也需要比较深入的了解。
在此基础上,确定正确的控制方,包括合理地选择被控变量与操纵变量,选择合适的检测变送元件及检测位置,选用恰当的执行器,调节器以及调节器的控制规律等。
最后将调节器的参数整定到最佳值
图2-1控制系统方框图
2.1.2.单回路控制系统的选用原则
单回路控制系统的选用原则主要有:
1.作为被控变量,其信号最好是能够直接测量获得,并且测量和变送环节的滞后也要小;
2.若被控变量信号无法直接获得取,可选择与之有单函数关系的见解参数作为被控变量;
3.作为被控变量,必须是独立的变量。
变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系确定;
4.作为被控变量,必须考虑工艺和理性,以及目前仪表的现状能否满足要求。
2.2精馏塔精馏段温度控制系统设计方案
当精馏塔顶采出液作为主要产品时,往往按精馏塔精馏段指标进行控制。
采用精馏段指标控制的具体场合有:
对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格;全部为气相进料;塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化,即组分变化时,提馏段塔板温度变化不显著,或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。
2.2.1.精馏塔精馏段被控变量的选择
通常,精馏段的质量指标选取有两类:
直接的产品成分信号和间接的温度信号。
采用温度作为间接质量指标,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,常用温度作为被控变量。
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,绝大多数精馏塔精馏段质量控制仍采用温度作为间接指标。
2.2.2.精馏段温度控制系统温度检测点选择
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。
塔顶温度控制方案对温度检测装置提出较高要求,产品中的杂质影响产品的沸点,造成对温度的扰动,因此,该控制方案很少采用,主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。
采用精馏段灵敏板温度作为被控变量,能够快速反映产品成分的变化。
该塔板在扰动正反向变化时具有相接近的较大的增益。
但是塔板效率不易准确估计,而且灵敏板位置需通过仿真计算或实测确定。
中温通常指加料板稍上或稍下的塔板,或加料板的温度。
采用中温作为被控变量,可以兼顾塔顶和塔底成分,及时发现操作线的变化。
但因不能及时反映塔顶或塔底产品的成分,因此,不能用于分离要求较高、进料浓度变化较大的应用场合。
综合比较,本系统采用灵敏板温度作为被控变量比较方便和贴近实际生产情况。
三.精馏塔精馏段温度单回路控制系统设计
精馏塔有多个被控变量和操作变量,合理的将这些变量配对,并依此设计控制系统有利于精馏塔的平稳操作和塔效率的提高。
根据欣斯基关于精馏塔控制的三条准则-----仅需要控制塔一端产品时,选用物料平衡方式;塔两端产品流量较小时,应作为操作变量去控制两端产品质量;如果两端都进行质量控制时,杂质较多的一端采用物料平衡控制,杂质较少的一端采用能量平衡控制。
如下图2-2,为精馏塔精馏段直接物料平衡控制。
该方案的被控变量是精馏段的温度,操纵变量为塔顶出液D,加热气量不变。
优点是物料和能量平衡之间的关联较小,内回流受环境温度影响小,有利于精馏塔的平稳操作,另外,由于操纵变量是D,所以,若产品不合格则可以马上停止进料。
图2-2精馏塔精馏单回路控制图
第3章硬件选型
3.1控制系统调节器的选型
在实际工业生产应用中,调节器是构成自动控制系统的核心仪表,它将来自变送器的测量信号VI与调节器的内给定或外给定信号VS进行比较,得到其偏差e,有e=VI-VS,然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算,输出调节信号控制执行机构的动作,以实现对被控变量如温度、液位、压力和流量等的自动控制作用。
调节器的分类方法很多,按使用的能源来分,有气动调节器和电动调节器;按结构形式分有基地式调节器、单元组合调节器和组装式调节器。
单元组合调节器有气动单元组合调节器和电动单元组合调节器。
共有I型、II型和III型调节器。
由于DDZ-III型调节器性能优越,易于与计算机联用。
因此,本设计的调节器选择使用PID算法的DDZ-
III型调节器。
3.2单回路调节器的选型
调节器选用DDZ—Ⅲ型电动调节器,具体型号为DTZ—2100
主要技术指标:
3.3执行器的选型
3.3.1.执行器执行机构选型
执行器接受来自调节器的输出信号,并转换成直线位移或角位移,以改变调节阀的流通面积,从而控制流入或流出的被控过程的物料或能量,实现过程参数的自动控制。
根据使用的能源种类,执行器可分为电动执行器,气动执行器和液动执行器。
常规情况下三种执行器的主要特性比较见表3.1。
表3.1执行器主要特性比较
主要特性
气动执行器
电动执行器
液动执行器
构造
简单
复杂
简单
体积
中
小
大
配置管线
较复杂
简单
复杂
推力
中
小
大
动作滞后
大
小
小
维护检修
简单
复杂
简单
使用场合
适用于防火防爆
不适用于防火防爆
要注意火花
价格
低
高
高
综合比较三种执行器的特性,设计采用气动执行器比较适宜。
图3-1:
阀门定位器与气动调节机构配套使用原理图
图3-2配气动薄膜调节阀的电气阀门定位器
3.3.2.调节阀的选择
调节阀是过程控制系统中,一个极其重要的环节,对它的选择正确与否直接影响到过程控制系统的控制质量。
严重时甚至系统不能正常运行,因此,必须高度重视调节阀的选型。
一般应根据被控介质的特点和生产工艺要求来合理选择,主要考虑以下几个问题:
1.调节阀的尺寸选择。
调节阀接管的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg来表示。
Dg和dg是根据计算出来的调节器的流通能力来确定的。
具体选型可参照调节阀流通能力与其尺寸之间的关系表。
例设计管道最大体积流量为40m3/h,流体密度为0.05g/cm3,阀前后压差为p=0.2Mpa,查表得Dg=40mm,dg=40mm。
2.调节阀的气开、气关选择。
在生产过程中,调节阀的气开气关形式的选择,主要从生产工艺的安全来考虑,当气源一旦中断,阀门处于全开或全关状态,应能保证生产过程的设备和人身安全。
蒸汽加热器选择气开调节阀,一旦气源中断,阀门就处于全关状态停止加热。
由于本设计中其他调节阀要对物料流量进行精度调节,也应选择气开式调节阀,气源中断,阀门就得立马全关。
3.单座阀和双座阀的选择。
通常在对泄漏量有严格要求,低静压、低压差和小口径的场合应选择单座阀;而在对泄漏量无要求,高静圧、高压差和大口径的场合,应选择双座阀。
本设计,涉及到的工业现场为精馏操作,所以选择直通单座阀。
3.4检测变送仪表的选型
在精馏塔精馏段温度单回路控制系统中
1.温度变送器的选型。
温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。
主要用于工业过程温度参数的测量和控制根据测量精度和测量范围等要求,选用K型镍铬-镍硅热电偶为温度传感器。
第4章控制系统辨识
4.1精馏塔的特性
精馏塔的特性分为静态特性和动态特性,以二元简单精馏过程为例,说明精馏塔的基本关系。
4.1.1精馏塔的静态特性
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6.1-1所示的精馏过程,其物料平衡关系为:
总物
(1.2-1)
轻组分
(1.2-2)
由式(6.2-1)和(6.2-2)联立可得:
(1.2-3)
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。
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。
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:
(1.2-4)从上式可见:
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:
(1.2-5)
式(6.2-6)的函数关系也可用一近似式表示:
(1.2-6)
式中
为塔的特性因子。
由式(2.2-6)、(2.2-7)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待定因数。
上述结论与一般工艺书中所说保持回流比
一定,就确定了分离结果是一致的。
精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。
因此,弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系,为确定合理的控制方案奠定了基础。
4.1.2精馏塔的动态特性
精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。
对其动态特性的研究,人们已经做了不少工作。
要建立整塔的动态方程,首先要对精馏塔的各部分:
精馏段、提馏段各塔板,进料板,塔顶冷凝器,回流罐,塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。
下面以二元精馏塔第
块塔板为例说明如何建立单板动态方程。
总物料平衡:
(1.2-7)
轻组分平衡:
(1.2-8)
式中:
表示回流量,下标指回流液来自哪块板;
表示上升蒸汽量,下标指来自哪一块板的上升蒸汽;
指液相的蓄存量;
分别指液相和气相中轻组分的含量,同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。
由于各部分的动态方程。
可整理得到整塔的动态方程组。
对于整个精馏塔来说是一个多容量的,相互交叉连接的复杂过程,要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。
4.2精馏塔精馏段温度控制过程的数学模型
1.对于精馏塔产品质量控制系统中,选择被控变量为y1=TR(精馏段灵敏板温度)。
而操纵变量为出液量D。
结合控制方案,得到控制系统方块图如图4-1所示。
图4-1精馏塔单回路控制系统方块图
如图示4-2中,被控变量为精馏塔灵敏板的温度。
操纵变量为塔顶出液量。
4.3.确定控制系统的传递函数
4.3.1.检测变送器的传递函数
在过程控制系统中,检测变送环节对于信息的获取和传送非常重要。
在工程上为了提高控制精度,被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况,为系统设计提供准确的控制依据。
检测变送环节对被控参数作正确测量,并将它转换成标准统一信号输出到调节器或指示记录仪。
对于检测变送环节作线性处理后,通常可用一阶加时延特性来描述其传递函数,但是考虑到模拟仿真时实现起来的可行性和复杂性,将检测变送器近似成比例环节,精馏塔精馏段单回路控制系统选用的DDZ-III型温度变送器,将放大系数假定为1。
则检测变送器的传递函数GA(s)=1。
4.3.2.执行器的传递函数
精馏塔精馏段前馈-反馈控制系统采用的是气动执行机构,气动执行机构由膜片,推杆和平衡弹簧等组成,气动薄膜执行机构的静态特性为静态平衡时输入信号P与阀杆位移L之间的关系即:
PA=KL,说明气动执行机构是一个比例环节,放大系数KP=
=
查得A和K的规格表,取A为280cm2,K=14N/cm,所以得到放大系数Kv=
=
=
=20,Go(s)=20。
图4.2精馏塔精馏段单回路控制系统简化方框图
在简化的控制系统方块图中,很容易就能得到:
Go(s)=Gv(s)Gc(s)=20
=
Gc(s)=
.
另外,调节器由于采用PID控制算法,其传递函数的确定在后面的反馈调节器参数整定进行。
第5章控制系统仿真
2.对系统的参数进行整定
K=500
K=5
6.总结体会
两周的过程检测与仪表课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在此期间我们热情高涨,也曾一度失落过。
从开始时满腹激情到最后疲惫不堪的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。
在设计过程中遇到的问题,可以说是有一定难度的,一开始大家都很有耐心地查找资料,可到后面建立被控对象数学模型的时候,很多同学都不懂怎么进行下去。
不过我想这毕竟是第一次接触,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中也发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
另外,在仿真过程确实也有些辛苦,事先要定参数,考虑整个控制系统的控制质量,而其中的参数整定很有技巧。
大家都想精益求情,整定的结果虽然已经很符合要求,但是依然不满足,朝着快、准、稳三个方面的更高层次进军。
在用SIMULINK做仿真时,在电脑前一坐就是半天,人累的有些是腰酸背痛,但苦中也有乐,在如今单一的理论学习中,很少有机会能有实践的机会。
这次设计也是一个团队的任务,一起学习可以让我们有说有笑,相互帮助,更考验了我们团队间的默契,多少人间欢乐在这里洒下,我感觉我和同学们之间的距离更加近了。
经过将近两个星期的艰辛付出,有痛苦也有快乐,有坚定也有抱怨,但是最终我们大伙还是都努力克服了重重困难。
元月12日,我的课程设计终于顺利完成了。
尽管在设计中遇到的很多专业知识问题,但是通过老师的辛勤指导和同学的耐心讲解,我们迎难而上,我们坚信胜利就在前方。
与此同时,在老师的身上我们也学到很多实用的知识,在此,对给过我帮助的同学和刘广璞、王泽兵老师表示忠心的感谢!
通过这次课程设计实习,我从中学到了很多,也真正领悟到了“态度决定一切”这句话的真正含义。
首先这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性。
只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,把理论付诸实际行动,从实践中得出结论,才能更加深刻的理解书本所学知识,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
7.参考文献
[1]王正林.过程控制与Simulink应用.北京:
电子工业出版社,2007年
[2]于海生.微型计算机控制技术.北京:
清华大学出版社,2002年
[3]向婉成.控制仪表与装置.北京:
机械工业出版社,2006年
[4]林德杰.过程控制仪表及控制系统.北京:
机械工业出版社,2009年
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 精馏塔 提留 课程设计