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(jì)的研究對(duì)象是連續(xù)精餾的過(guò)程。連續(xù)精餾的流程裝置如下圖所示，其操作過(guò)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(shí)，它與上升的蒸汽在每層塔板上相互接觸，同時(shí)進(jìn)行部分汽化和部分冷凝的質(zhì)量和能量的傳遞過(guò)程。操作時(shí)，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(dòng)態(tài)特性，以二元簡(jiǎn)單精餾過(guò)程為例，說(shuō)明精餾塔的基本關(guān)系。1.2.1精餾塔的靜態(tài)特性一個(gè)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(guò)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(shí)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(shí)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(gè)方程只能確定一個(gè)未知數(shù)。要確定與兩個(gè)因數(shù)，必須建立另一個(gè)關(guān)系式：能量平衡關(guān)系。 在建立能量平衡關(guān)系時(shí)，首先要了解一個(gè)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(jiàn)：隨著分離度的增大，而減小，說(shuō)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(duì)于一個(gè)既定的塔來(lái)說(shuō)： （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(lái)提高的，所以該式實(shí)際是表示塔的能量對(duì)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(jiàn)：的增大，塔的分離效果提高，能耗也將增加。對(duì)于一個(gè)既定的塔，包括進(jìn)料組分一定，只要和一定，這個(gè)它的分離結(jié)果，即與將被完成確定。也就是說(shuō)，由一個(gè)塔的物料平衡關(guān)系與能量平衡關(guān)系兩個(gè)方程式，可以確定塔頂和塔底組分兩個(gè)待定因數(shù)。上述結(jié)論與一般工藝書中所說(shuō)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(dòng)因素都是通過(guò)物料平衡和能量平衡的形式來(lái)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(dòng)態(tài)特性精餾塔是一個(gè)多變量、時(shí)變、非線性對(duì)象。對(duì)其動(dòng)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(dòng)態(tài)方程，首先要對(duì)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(dòng)態(tài)方程。下面以二元精餾塔第塊塔板為例說(shuō)明如何建立單板動(dòng)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(lái)自哪塊板；表示上升蒸汽量，下標(biāo)指來(lái)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(lái)自哪塊塔板。由于各部分的動(dòng)態(tài)方程。可整理得到整塔的動(dòng)態(tài)方程組

6、。對(duì)于整個(gè)精餾塔來(lái)說(shuō)是一個(gè)多容量的，相互交叉連接的復(fù)雜過(guò)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(jì)2.1單回路系統(tǒng)簡(jiǎn)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(méi)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(dòng)，所以反饋控制是接近理想要求，但永遠(yuǎn)也無(wú)法保持理想要求的控制。當(dāng)被控對(duì)象呈現(xiàn)大延遲或受干擾較多，干擾頻率較高時(shí)，要求系統(tǒng)快速反應(yīng)實(shí)現(xiàn)控制目的時(shí)，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(jì)我要完成精餾塔提留段溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單回路控制系統(tǒng)又稱簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，是

7、指由一個(gè)控制對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)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(jiǎn)單、易于分析設(shè)計(jì)，投資少、便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過(guò)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(diǎn)1、它由一個(gè)測(cè)量變送裝置、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和相應(yīng)的被控對(duì)象所組成。2、控制器是根據(jù)被控變量與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需自動(dòng)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(jì)方案提餾段溫度控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制方案，該控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是D308塔靈敏板的溫度。由于對(duì)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(huì)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(wèn)題?？紤]到經(jīng)濟(jì)等方面的問(wèn)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(jì)的核心問(wèn)題，選擇得正確與否，會(huì)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(dòng)條件的改善等。這里對(duì)于以溫度為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程，就選擇溫度作為被控變量，因?yàn)闇囟染哂凶銐虼蟮撵`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(shí)，考慮到了工藝的合理性和國(guó)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(gè)參數(shù)作為操縱變量，去克服干擾對(duì)被控變量的

9、影響。2提餾段溫度控制系統(tǒng)溫度檢測(cè)點(diǎn)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(shí)，應(yīng)把間接反映質(zhì)量的溫度檢測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)則應(yīng)放在塔底，實(shí)施提餾段溫度控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)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(shí)，實(shí)際上把溫度檢測(cè)點(diǎn)放置在塔底是極少數(shù)的。因?yàn)樵诜蛛x比較純的產(chǎn)品時(shí)，鄰近塔兩端的各板之間溫差是很小的，這時(shí)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(cè)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大的難度。所以，在實(shí)際使用中是把溫度檢測(cè)

10、點(diǎn)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(shí)，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(shí)，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(guò)逐板計(jì)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(shí)踐結(jié)果加以確定。通常，先根據(jù)測(cè)算，確定靈敏板的大致位置，然后在它附近設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中的情況，從中選擇最佳的測(cè)量點(diǎn)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(jì)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(jì)反饋控制系統(tǒng)的被控對(duì)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(guò)控制蒸汽閥開(kāi)度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，它將來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)VI與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號(hào)VS進(jìn)行比較，得到其偏差e,有e=VI-VS ,然后調(diào)節(jié)器對(duì)該偏差信號(hào)按某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量如溫度、液位、壓力和流量等的自動(dòng)控制作用。調(diào)節(jié)器的分類方法很多，按使用的能源來(lái)分，有氣動(dòng)調(diào)節(jié)器和電動(dòng)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(dòng)單元組合調(diào)節(jié)

12、器和電動(dòng)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(jì)算機(jī)聯(lián)用。因此，本設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器選擇使用PID算法的DDZ-III型調(diào)節(jié)器。+測(cè)量信號(hào) 15VDC-+外給定信號(hào)420mA-輸出420mARL地+-電源24VDC圖3.1 DDZ型電動(dòng)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(lái)自控制器的控制信號(hào)，通過(guò)其本身開(kāi)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(shí)全開(kāi)來(lái)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用來(lái)控制閥門開(kāi)度。如圖2-6所示 圖3.2 閥門定位器與氣動(dòng)調(diào)

13、節(jié)機(jī)構(gòu)配套使用原理圖圖3.3配氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的電氣閥門定位器動(dòng)作原理如圖 2-7 所示，它按力矩平衡原理動(dòng)作的，當(dāng)電流信號(hào)通入到力矩馬達(dá) 1 的線圈 兩端時(shí)，它與永久磁鋼作用后，主杠桿 2 產(chǎn)生一個(gè)向右的力，使主杠桿 2 繞支點(diǎn) 13 轉(zhuǎn)動(dòng)， 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(dòng)，并帶動(dòng)反饋桿 9 繞支點(diǎn) 4 轉(zhuǎn)動(dòng)，反饋凸輪 5 也跟著作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾輪 10 使付杠桿 7 繞支點(diǎn) 6 轉(zhuǎn)動(dòng)，并將反饋彈簧 11 拉伸，彈簧 11 對(duì)主杠桿 2 的力矩與電流信號(hào) 使力矩馬達(dá)作用在主杠桿上的力矩相平衡時(shí)儀表達(dá)到平衡狀態(tài)。

14、此時(shí)，一定的電流信號(hào)就對(duì)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(jī)構(gòu)選擇選用反作用方式氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體型號(hào)為5235LA主要技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表1）表1 5235LA技術(shù)參數(shù)型號(hào)執(zhí)行機(jī)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(dòng)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(jī)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(gè)閥芯和一個(gè)閥座。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄露量

15、?。ㄉ踔量梢酝耆袛啵┖驮试S壓差小。具體型號(hào)為ZXP型氣動(dòng)薄膜單座調(diào)節(jié)閥。主要技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)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(hào)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(jì)算得到的流量系數(shù)KV來(lái)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(jiàn)表3）表3 ZPD2111型電氣閥門定位器參數(shù)表型號(hào)輸入信號(hào)（mA.DC）氣源壓力（Mpa）輸出壓力（Mpa）執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程范圍（mm）耗氣量ZPD21114200.140.020.1氣動(dòng)薄膜式10100450L/h3.3溫度變送器的選擇根據(jù)測(cè)量精度和測(cè)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(hào)：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(hào)：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(duì)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(hào)與規(guī)格型號(hào)測(cè)溫元件規(guī)格（測(cè)溫范圍）單位 0C名稱分度號(hào)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(bǔ)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(duì)于溫度控制系統(tǒng)，由于其對(duì)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(shí)間，同時(shí)要加入微分作用，微分時(shí)間是積分時(shí)間的四分之一。（1）可以考慮將微分時(shí)間調(diào)大來(lái)觀察響應(yīng)曲線的變化。當(dāng)，,時(shí)，圖5-3當(dāng)，,時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)圖（2）可以考慮將比例度調(diào)小來(lái)觀察響應(yīng)曲線的變化，,時(shí)，圖-4，,時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)相對(duì)其他情況下的響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)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(huì)兩周的過(guò)程檢測(cè)與儀表課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能

19、力。在此期間我們熱情高漲，也曾一度失落過(guò)。從開(kāi)始時(shí)滿腹激情到最后疲憊不堪的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無(wú)不令我回味無(wú)長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，可以說(shuō)是有一定難度的，一開(kāi)始大家都很有耐心地查找資料，可到后面建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的時(shí)候，很多同學(xué)都不懂怎么進(jìn)行下去。不過(guò)我想這畢竟是第一次接觸，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。另外，在仿真過(guò)程確實(shí)也有些辛苦，事先要定參數(shù)，考慮整個(gè)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(gè)方面的更高層次進(jìn)軍。在用