精餾塔提留段溫度單回路控制

1、第1章 精餾概述1.1精餾原理以及工業(yè)流程精餾操作分為連續(xù)精餾和間歇精餾，本設(shè)計的研究對象是連續(xù)精餾的過程。連續(xù)精餾的流程裝置如下圖所示，其操作過程是：原料液經(jīng)預(yù)熱加熱到一定溫度后，進(jìn)入精餾塔中的進(jìn)料板，料液在進(jìn)料板上與自塔上部下降的回流液體匯合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液體在逐板下降的同時，它與上升的蒸汽在每層塔板上相互接觸，同時進(jìn)行部分汽化和部分冷凝的質(zhì)量和能量的傳遞過程。操作時，連續(xù)從再沸器中取出的部分液體作為塔底產(chǎn)品，部分液體汽化產(chǎn)生上升蒸汽，從塔底回流入塔內(nèi)出塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中被冷凝成液體，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)冷卻器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。

2、圖1.1連續(xù)精餾裝置工藝流程圖1.2精餾塔的特性精餾塔的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性，以二元簡單精餾過程為例，說明精餾塔的基本關(guān)系。1.2.1精餾塔的靜態(tài)特性一個精餾塔，進(jìn)料與出料應(yīng)保持物料平衡，即總物料量以及任一組分都符合物料平衡關(guān)系。圖1.1所示的精餾過程，其物料平衡關(guān)系為：總物料平衡 （1.2-1）輕組分平衡 （1.2-2）由式（6.2-1）和（6.2-2）聯(lián)立可得： （1.2-3）式中 、分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液流量； 、分別為進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量。從上述關(guān)系可看出：當(dāng)增加時將引起頂、底餾出液中輕組分含量減少，即、下降。而當(dāng)增加時將引起頂、底餾出液中輕組分含量增加。

3、即、上升。然而，在（或）一定，且一定的條件下并不能完全確定、的數(shù)值，只能確定與之間的比例關(guān)系，也就是一個方程只能確定一個未知數(shù)。要確定與兩個因數(shù)，必須建立另一個關(guān)系式：能量平衡關(guān)系。 在建立能量平衡關(guān)系時，首先要了解一個分離度的概念。所謂分離度可用下式表示： （1.2-4） 從上式可見：隨著分離度的增大，而減小，說明塔系統(tǒng)的分離效果增大。影響分離度的因素很多，諸如平均揮發(fā)度、理論塔板數(shù)、塔板效率、進(jìn)料組分、進(jìn)料板位置以及塔內(nèi)上升蒸汽量和進(jìn)料量的比值等。對于一個既定的塔來說： （1.2-5）式（6.2-6）的函數(shù)關(guān)系也可用一近似式表示： （1.2-6）式中為塔的特性因子。 由式（2.2-6）、（

4、2.2-7）可以看出，隨著增加，值提高。也就是增加，下降，分離效果提高了。由于是由再沸器施加熱量來提高的，所以該式實際是表示塔的能量對產(chǎn)品成分的影響，故稱為能量平衡關(guān)系式。而且由上述分析可見：的增大，塔的分離效果提高，能耗也將增加。對于一個既定的塔，包括進(jìn)料組分一定，只要和一定，這個它的分離結(jié)果，即與將被完成確定。也就是說，由一個塔的物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個方程式，可以確定塔頂和塔底組分兩個待定因數(shù)。上述結(jié)論與一般工藝書中所說保持回流比一定，就確定了分離結(jié)果是一致的。精餾塔的各種擾動因素都是通過物料平衡和能量平衡的形式來影響塔的操作。因此，弄清精餾塔中的物料平衡和能量平衡關(guān)系，為確定合理

5、的控制方案奠定了基礎(chǔ)。1.2.2 精餾塔的動態(tài)特性精餾塔是一個多變量、時變、非線性對象。對其動態(tài)特性的研究，人們已經(jīng)做了不少工作。要建立整塔的動態(tài)方程，首先要對精餾塔的各部分：精餾段、提留段各塔板，進(jìn)料板，塔頂冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分別建立各自得動態(tài)方程。下面以二元精餾塔第塊塔板為例說明如何建立單板動態(tài)方程?？偽锪掀胶猓?（1.2-7）輕組分平衡： （1.2-8） 式中:表示回流量，下標(biāo)指回流液來自哪塊板；表示上升蒸汽量，下標(biāo)指來自哪一塊板的上升蒸汽；指液相的蓄存量；分別指液相和氣相中輕組分的含量，同樣下標(biāo)指回流液及上升蒸汽來自哪塊塔板。由于各部分的動態(tài)方程?？烧淼玫秸膭討B(tài)方程組

6、。對于整個精餾塔來說是一個多容量的，相互交叉連接的復(fù)雜過程，要整理出整塔的傳遞函數(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的。第2章 控制系統(tǒng)設(shè)計2.1單回路系統(tǒng)簡介1.單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型反饋控制是基于被控量的偏差進(jìn)行的，沒有偏差也就不存在反饋控制。當(dāng)然只要存在偏差，控制系統(tǒng)就不可能保持在理想控制要求上，而是在理想控制要求的附近擺動，所以反饋控制是接近理想要求，但永遠(yuǎn)也無法保持理想要求的控制。當(dāng)被控對象呈現(xiàn)大延遲或受干擾較多，干擾頻率較高時，要求系統(tǒng)快速反應(yīng)實現(xiàn)控制目的時，反饋控制的效果往往不明顯。圖2.1單回路控制系統(tǒng)方框圖本次課程設(shè)計我要完成精餾塔提留段溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計，單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是

7、指由一個控制對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計，投資少、便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用2.單回路控制系統(tǒng)的特點1、它由一個測量變送裝置、一個控制器、一個控制閥和相應(yīng)的被控對象所組成。2、控制器是根據(jù)被控變量與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所需自動化技術(shù)工具少（儀表少），投資比較低，操作維護(hù)也比較方便，3.前饋-反饋控制系統(tǒng)2.2精餾塔提留段溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案提餾段溫度控制系統(tǒng)采用串級控制方案，該控制系統(tǒng)的被控對象是D308塔靈敏板的溫度。由于對靈敏板的溫度指標(biāo)要求嚴(yán)格，而其

8、影響干擾又很多，而干擾的存在會直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，這里的主要干擾是進(jìn)料流量，它存在容量滯后較大、負(fù)荷變化較劇烈、干擾比較頻繁的問題?？紤]到經(jīng)濟等方面的問題，采用單回路控制。1.精餾塔提餾段被控變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心問題，選擇得正確與否，會直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定操作，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動條件的改善等。這里對于以溫度為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過程，就選擇溫度作為被控變量，因為溫度具有足夠大的靈敏度反映產(chǎn)品質(zhì)量的變化。此外，選擇溫度作為被控變量時，考慮到了工藝的合理性和國內(nèi)外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。當(dāng)被控變量選定之后，下一步就要考慮選擇哪個參數(shù)作為操縱變量，去克服干擾對被控變量的

9、影響。2提餾段溫度控制系統(tǒng)溫度檢測點選擇通常，若希望保持塔頂產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，也就是頂部餾出物為主要產(chǎn)品時，應(yīng)把間接反映質(zhì)量的溫度檢測點放在塔頂，構(gòu)成所謂精餾段溫度控制系統(tǒng)。同樣，為了保證塔底產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，溫度檢測點則應(yīng)放在塔底，實施提餾段溫度控制系統(tǒng)。本設(shè)計中采用的就是后者。采用塔底溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)時，實際上把溫度檢測點放置在塔底是極少數(shù)的。因為在分離比較純的產(chǎn)品時，鄰近塔兩端的各板之間溫差是很小的，這時塔底的溫度出現(xiàn)稍許變化，產(chǎn)品質(zhì)量就可能超出允許的范圍，因而必須要求溫度檢測裝置有很高的精度與靈敏度，才能滿足控制系統(tǒng)的要求。這一點實現(xiàn)起來有較大的難度。所以，在實際使用中是把溫度檢測

10、點放在進(jìn)料板與塔底之間的靈敏板上。所謂靈敏板，是當(dāng)塔受到干擾或控制作用時，塔內(nèi)各板的組分都將發(fā)生變化，隨之各塔板的溫度也將發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，溫度變化最大的那塊塔板即稱為靈敏板。靈敏板的位置可以通過逐板計算，經(jīng)比較后得出，但是，由于塔板的效率不易估準(zhǔn)，所以還需結(jié)合實踐結(jié)果加以確定。通常，先根據(jù)測算，確定靈敏板的大致位置，然后在它附近設(shè)置多個檢測點，根據(jù)實際運行中的情況，從中選擇最佳的測量點作為靈敏板。3精餾塔提餾段溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計加熱蒸汽C1進(jìn)料再沸器塔底部圖2.2精餾塔提餾段單回路溫度控制方案4精餾塔提餾段溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的被控對象選擇精餾塔提餾段溫度靈敏板，

11、控制變量選擇精餾塔精餾段靈敏板溫度，操作變量選擇塔頂回流的流量，通過控制蒸汽閥開度，最終實現(xiàn)對精餾塔提餾段溫度的控制。第3章 硬件選型3.1控制器選擇在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，它將來自變送器的測量信號VI與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號VS進(jìn)行比較，得到其偏差e,有e=VI-VS ,然后調(diào)節(jié)器對該偏差信號按某一規(guī)律進(jìn)行運算，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對被控變量如溫度、液位、壓力和流量等的自動控制作用。調(diào)節(jié)器的分類方法很多，按使用的能源來分，有氣動調(diào)節(jié)器和電動調(diào)節(jié)器；按結(jié)構(gòu)形式分有基地式調(diào)節(jié)器、單元組合調(diào)節(jié)器和組裝式調(diào)節(jié)器。單元組合調(diào)節(jié)器有氣動單元組合調(diào)節(jié)

12、器和電動單元組合調(diào)節(jié)器。共有I型、II型和III型調(diào)節(jié)器。由于DDZ-III型調(diào)節(jié)器性能優(yōu)越，易于與計算機聯(lián)用。因此，本設(shè)計的調(diào)節(jié)器選擇使用PID算法的DDZ-III型調(diào)節(jié)器。+測量信號 15VDC-+外給定信號420mA-輸出420mARL地+-電源24VDC圖3.1 DDZ型電動調(diào)節(jié)器DTZ2100接線端子圖3.2執(zhí)行器的選型執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中的作用是接受來自控制器的控制信號，通過其本身開度的變化，從而達(dá)到控制流量的目的。精餾塔的回流控制閥應(yīng)在故障時全開來保證全回流，所以選擇氣關(guān)閥。本系統(tǒng)采用電/氣閥門定位器與氣動執(zhí)行機構(gòu)配套使用來控制閥門開度。如圖2-6所示 圖3.2 閥門定位器與氣動調(diào)

13、節(jié)機構(gòu)配套使用原理圖圖3.3配氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的電氣閥門定位器動作原理如圖 2-7 所示，它按力矩平衡原理動作的，當(dāng)電流信號通入到力矩馬達(dá) 1 的線圈 兩端時，它與永久磁鋼作用后，主杠桿 2 產(chǎn)生一個向右的力，使主杠桿 2 繞支點 13 轉(zhuǎn)動， 擋板 14 靠近噴嘴 15，噴嘴背壓經(jīng)放大器 16 放大后，送入到薄膜室 8 的壓力增加，使閥桿 向下移動，并帶動反饋桿 9 繞支點 4 轉(zhuǎn)動，反饋凸輪 5 也跟著作順時針方向轉(zhuǎn)動，通過滾輪 10 使付杠桿 7 繞支點 6 轉(zhuǎn)動，并將反饋彈簧 11 拉伸，彈簧 11 對主杠桿 2 的力矩與電流信號 使力矩馬達(dá)作用在主杠桿上的力矩相平衡時儀表達(dá)到平衡狀態(tài)。

14、此時，一定的電流信號就對應(yīng)于一定的閥門位置。彈簧 12 是作調(diào)整零位用的。 2. 執(zhí)行機構(gòu)選擇選用反作用方式氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)，具體型號為5235LA主要技術(shù)參數(shù)（見表1）表1 5235LA技術(shù)參數(shù)型號執(zhí)行機構(gòu)尺寸最大輸出力供氣壓力彈簧范圍最大行程/回轉(zhuǎn)角度(直行程式)動作允許環(huán)境誤差5235LA3504315140300 ，20-100，80-200，120-30040/80mm反(RA)作用標(biāo)準(zhǔn)：-10+70度接線端子圖： + I0 -420mA氣源PO圖3.4 閥門定位器5235LA接線端子圖調(diào)節(jié)機構(gòu)選擇 調(diào)節(jié)閥選用直通單座調(diào)節(jié)閥，器閥體內(nèi)只有一個閥芯和一個閥座。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、泄露量

15、?。ㄉ踔量梢酝耆袛啵┖驮试S壓差小。具體型號為ZXP型氣動薄膜單座調(diào)節(jié)閥。主要技術(shù)參數(shù)（見表2） 表2 ZXP型調(diào)節(jié)閥參數(shù)公稱直徑（mm）202532405065閥芯直徑(mm)101215202532405065額定流量系數(shù)（Kv）直線1.82.84.46.91117.627.54469公稱壓力Pa(Mpa)1.0、1.6、4.0、6.4信號范圍Pr（Kpa）20100、40200泄露量C值的0.01%固有可調(diào)比 50 50 5050有效面積(cm2)2804006301000調(diào)節(jié)閥口徑的選擇應(yīng)依據(jù)計算得到的流量系數(shù)KV來選取。電氣閥門定位器選擇 選用ZPD2000系列電氣閥門定位器主要技術(shù)

16、參數(shù)（見表3）表3 ZPD2111型電氣閥門定位器參數(shù)表型號輸入信號（mA.DC）氣源壓力（Mpa）輸出壓力（Mpa）執(zhí)行機構(gòu)行程范圍（mm）耗氣量ZPD21114200.140.020.1氣動薄膜式10100450L/h3.3溫度變送器的選擇根據(jù)測量精度和測量范圍等要求，選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶為溫度傳感器，選擇KBW-1121為溫度變送器。主要技術(shù)指標(biāo)：1、輸入信號：最小量程3mV 最大量程80mV（根據(jù)配用熱電偶而定）2、輸出信號：15V d.c 或420mA d.c3、負(fù)載電阻：05004、精度：0.5%（量程范圍5mV） 1.0%(5mV量程范圍3mV5、工作條件：環(huán)境溫度：540

17、相對濕度：10%-75% 供電電源：24V10% 周圍空氣中不含有腐蝕性氣體6、功耗：2w表4 KBW型熱電偶變送器型號與規(guī)格型號測溫元件規(guī)格（測溫范圍）單位 0C名稱分度號KBW-1121鎳鉻鎳硅K 0800，0120001300，400700200500，600900500800，5001300接線圖（如圖2-7）圖3.5 KBW-1121接線端子圖端子1、2為輸入，3、4接補償電阻，5、6為輸出，7、8接24V直流電源。第4章 控制系統(tǒng)仿真 先設(shè)定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)為，,控制系統(tǒng)的Simulink仿真框圖如下： 圖5.1 控制系統(tǒng)仿真框圖 圖5.2系統(tǒng)響應(yīng)圖調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，比較在

18、不同參數(shù)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。其中對于溫度控制系統(tǒng)，由于其對象容量滯后較大，被控變量受干擾作用后變化遲緩，一般選用較小的比例度，較大的積分時間，同時要加入微分作用，微分時間是積分時間的四分之一。（1）可以考慮將微分時間調(diào)大來觀察響應(yīng)曲線的變化。當(dāng)，,時，圖5-3當(dāng)，,時的系統(tǒng)響應(yīng)圖（2）可以考慮將比例度調(diào)小來觀察響應(yīng)曲線的變化，,時，圖-4，,時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線結(jié)合響應(yīng)曲線的變化，可以看出當(dāng)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)為，,時，系統(tǒng)相對其他情況下的響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定所需時間段，且能在達(dá)到穩(wěn)定后保持在穩(wěn)定值附近變化，超調(diào)量相比較而言也較小。5.總結(jié)體會兩周的過程檢測與儀表課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能

19、力。在此期間我們熱情高漲，也曾一度失落過。從開始時滿腹激情到最后疲憊不堪的復(fù)雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。在設(shè)計過程中遇到的問題，可以說是有一定難度的，一開始大家都很有耐心地查找資料，可到后面建立被控對象數(shù)學(xué)模型的時候，很多同學(xué)都不懂怎么進(jìn)行下去。不過我想這畢竟是第一次接觸，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。另外，在仿真過程確實也有些辛苦，事先要定參數(shù)，考慮整個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，而其中的參數(shù)整定很有技巧。大家都想精益求情，整定的結(jié)果雖然已經(jīng)很符合要求，但是依然不滿足，朝著快、準(zhǔn)、穩(wěn)三個方面的更高層次進(jìn)軍。在用