精馏塔提馏段的温度控制系统

南华大学

过程控制仪表课程设计

设计题目 精馏塔提馏段的温度控制系统 学生姓名 XXX 专业班级 自动化XXX 学 号 XXXXXXXXXX 指导老师 XXX

2012年6月25日

目 录

1. 系统简介与设计目的………………………………………….2 2. 控制系统工艺流程及控制要求…………………………….3 3．设计方案及仪表选型……………………………………….4 3.1控制方案的确定……………………………………………..4 3.2控制系统图、方框图……………………………………….5 4.各个环节仪表的选型，仪表的工作原理以及性能指标.......…..7 4.1检测元件…………………………………………………7 4.1.1铠装热电偶特点…………………………….……. 7

4.1.2铠装热电偶主要技术参数…………………………….……7 4.2变送器……………………………………………..…7 4.2.1变送器主要技术指标………………………………….…..7 4.3调节器……………………………………………….…8 4.4执行器………………………………………………… 8 4.4.1电／气阀门定位器作用…………..……………………..8 5. 绘制仪表盘电气接线图，端子接线图…………….……………..10 6. 仪表型号清单………………………………………….….11 7. 设计总结…………………………………………………….12 参考文献 ………………………………………………..……13

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1.系统简介与设计目的

精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直 接影响到工厂的产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以 来一直受到人们的高度重视。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔 板组成，内在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来一定的 困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的 特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是，在保证产品质 量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好 实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。

按提馏段指标的控制方案，当塔釜液为主要产品时，常常按提馏段指标控制。 如果是液相进料，也常采用这类方案。这是因为在液位相进料时，进料量的变化， 首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变 化，所以采用提馏段控制温度比较及时。另外如果对釜底出料的成分要求高于塔 顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几 倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标， 而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。

精馏塔的控制目标是：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，即使总收益最大，成本最小。

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2. 控制系统工艺流程及控制要求

(1)控制系统的简单介绍，工艺流程分析；

(2)各环节仪表的选型、仪表的工作原理及性能指标； (3)仪表间的配接说明； (4)绘制工艺流程原理框图； (5)给出仪表型号清单；

(6)绘制仪表盘电气接线图，端子接线图。

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3．设计方案及仪表选型

3.1控制方案的确定

图3-1是精馏塔底部示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度θ。保持恒定。为此在蒸汽管路上装上一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀的做到温度θ发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明加热蒸汽压力的波动对θ的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种干扰包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度θ。很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图3-1所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满足生产要求。由于存在这些扰动故考虑串级控制系统。

图3-1精馏塔提馏段单回路温度控制方案

串级控制系统（如图3-2），与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环----双闭环或称双环。

串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路外环来看是一个定值控制系统，而副回路内环则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统有如下几点的改善：

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①改善了被控过程的动态特性提高了系统的工作频率。 ②对二次扰动有很强的克服能力。

③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力 。 综上所述根据系统工艺要求决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。

x1+e1-z1主调节器x2+e2-z2副调节器执行器副对象y2主对象y1副变送器主变送器

图3-2一般闭环串级控制系统

3.2控制系统图、方框图

本系统为了较好的达到控制目标采，用如图2-3所示的提馏段温度串级控制

系统。副调节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。但副调节器QC2的给定值则受主调节器θC1的控制，后者根据温度θ改变蒸汽流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下仍能保持温度θ满足要求。用这个方法以非常有效地克服蒸汽压力波动对于温度θ的影响，因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化所引起的流量波动在2至3s以内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度θ的影响是很微小的。

进料

加热蒸汽

图2-3精馏塔提馏段温度控制串级控制系统图

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串级控制系统方块图如图2-4所示，它有俩个闭环系统：副环是流量自稳定系统，主环是温度控制系统。

θr Qr 主调节— — 流量测量 副调节调节D2 + 蒸汽管路D1 + 塔底 Q θ 温度测量

图3-4提馏段温度串级控制系统框图

主参数：塔底物料温度θ 副参数：加热蒸汽流量Q 控制量：蒸汽阀开度

一次扰动D1：加热蒸汽压力的波动对θ的扰动。

二次扰动D2：来自液相加料方面的各种干扰；包括它的流量、温度和组分等， 它们通过提馏段的传质过程以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等）。

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4.各个环节仪表的选型，仪表的工作原理以及性能指标

4.1检测元件

本系统选择铠装热电偶 4.1.1铠装热电偶特点：

1.热响应时间小，减少动态误差 2.可弯曲安装使用 3.测量范围大

4.机械强度高，耐压性能好 4.1.2铠装热电偶主要技术参数： 1.精度等级：I级或II级 2.公称直径：Φ1 3.弯曲直径：R≥5D 4.公称压力：常压

测量500℃以上的高温，它可以直接测量各种生产过程中从0℃~800℃范围内的液体、蒸汽和其气体介质以及固体表面的温度， 铠装热电偶响应时间τ0.5（秒）。

4.2变送器

本系统的变送器用于温度的变送，故选择温度变送器。其中较为常用的有模拟式温度变送器，一体化温度变送器以及智能式温度变送器三种。本系统采用典型的模拟式温度变送器中的DDZ-III型热电偶温度变送器，属安全火花型防爆仪表。还可以与检测元件热电偶相匹配。将温度信号线性转换为统一标准信号。 本系统选择KBW-1121热电偶温度变送器 4.2.1主要技术指标：

1、输入信号：最小量程≥3mV

最大量程<80mV（根据配用热电偶而定） 2、输出信号：1～5V d.c 或4～20mA d.c 3、负载电阻：0～500Ω

4、精度：±0.5%（量程范围≥5mV）±1.0%(5mV量程范围≥3mV

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5、工作条件：环境温度：5～40℃ 相对湿度：10%-75% 供电电源：24V±10% 周围空气中不含有腐蚀性气体 6、功耗：2W

4.3调节器

用DDZ-III型PID调节器TDM-400。

原理：调节器的正，反作用的选择要根据控制系统所包括的各个环节的情况 而定，这样只要根据被控参数与变送器放大倍数的符号及整个控制回路开环 放大倍数的符号为“负“的要求，就可以确定调节器的正，反作用，本系统，调节器因选反作用。

性能指标：输入信号：1-5V直流电压，外给定信号：4-20ma直流电流，负 载电阻：250欧-750欧。

4.4执行器

本系统使用电／气阀门定位器。 4.4.1电／气阀门定位器作用：

1.将4～20mA或0～10mA转换为气信号，用以控制气动调节阀 2.它还能够起到阀门定位的作用

图4.4气源压力对应阀门开度实验图

当输入IO→对主杠杆2产生向左的力F1 →主杠杆绕支点反时针偏转→挡板

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13靠近喷嘴15→Pa↑→使阀杆向下移动→并带动反馈杆9绕支点4偏转→凸轮5也跟着逆时针偏转→从而使反馈弹簧11拉伸→最终使阀门定位器达到平衡状态。

此时，一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对应于一定的阀门开度。 本系统选用M52286系列电子式电动执行器 主要技术参数：

电源：AC220±50%，50HZ。 耗电功率（额定负载时）： 规格A型执行器 50VA； 规格B型执行器 150VA； 规格C型执行器 220VA。

输入信号：DC4～20mA或DC1～5V

输出信号：DC4～20mA（负载电阻500Ω以下）。 控制精度：

基本误差：±1% 回差≤1% 死区≤1% 工作行程调整范围： “零点”±25% “行程”20%～100%

阀的选择：

本系统选择电/气阀门定位器：YT-1050 输入信号：4~20mA DC 阻抗：250 +/- 15 Ohm

供给压力：1.4~7.0kgf/cm2(20~100 psi) 行程：直行程：10~150mm, 角行程：0~900

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5.绘制仪表盘电气接线图，端子接线图

图5.1 电器接线图

6给出仪表型号清单：

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表6-1 仪表清单

编号 1 2 3 4 5 名称 温度变送器 热电偶 DDZ-III调节器 电子式电动执器 2 1 2 1 个数 型号 KBW-1121 K型镍-镍硅 TDM-400 M52286 YT-1050 电－气阀门定位1 器 6 薄膜气动调节阀 1 ZMBS-16K

7.设计总结

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在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。

在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。

参考文献

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[1].张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京： 化学工业出版社，2009

[2].方崇智译.过程控制系统[M].化学工业出版社，1982

[2].周泽魁.控制仪表与计算机控制装置[M].北京：化学工业出版社，2007 [3].金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，2010 [4].胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2009

[5]张毅,张宝芬,曹丽等.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：化学工业出版社,2001年.

[6] 胡乾斌，李光斌，李玲.MTALAB原理与应用[M].华中科技大学出版社，2002 [7] 楼然苗，李光飞.MTALAB设计实例[M].北京航空航天大学出版社，2003 [8] 彭军.过程控制技术[M].西安电子科技大学出版社，2003 [9] 陈杰，黄鸿.过程控制技术[M].北京：高等教育出版社，2003 [10]胡华.石油控制理论[D].杭州:浙江大学,2008.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8i2r.html