过程控制课程设计

目录

一、 设计任务书………………………………………………… X 二、 设计说明书………………………………………………… X

1、摘要

2、基本控制方案的设计与分析 3、节流装置的计算

4、蒸汽流量控制阀口径的计算

三、 参考文献…………………………………………………… X 四、 附图………………………………………………………… X

2008级电气08-3 过程控制工程课程设计任务书

一、 设计题目：

《脱丙烷塔控制系统设计》

二、 设计目的：

1、 掌握控制系统的基本构成、原理及设计的方法和步骤。

2、 掌握控制方案的设计、仪表选型的方法及管道流程图、仪表接线图、仪表安装等图的绘制方法。 3、 掌握节流装置和调节阀的计算。

4、 了解信号报警及联锁系统的设计和顺序控制系统的设计。

5、 通过理论联系实际，掌握必须的工程知识，加强对学生实践动手能力

和独立完成工程设计任务能力的培养。

三、 设计所需数据：

1、 主要工艺流程和环境特征概况

脱丙烷塔的主要任务是切割C3和C4混合馏分，塔顶轻关键组分是丙烷，塔釜重关键是组分丁二烯。主要工艺流程如图1所示：第一脱乙烷塔塔釜来的釜液和第二蒸出塔的釜液混合后进入脱丙烷塔，进料为气液混合状态，液化率为0.28。进料温度为32℃，塔顶温度为8.9℃，塔釜温度为72℃。塔内操作压力为0.75MPa(绝压)。采用的回流比约为1.13。冷凝器由0℃丙烯蒸发制冷,再沸器加热用的0.15 MPa(绝压)减压蒸汽由来自裂解炉的0.6 MPa(绝压)低压蒸汽与冷凝水混合制得的。和其他精馏塔一样，脱丙烷塔也是一个高阶对象，具有对象通道多、内在机理复杂、变量间相互关联、动态响应慢、控制要求高等特点。脱丙烷塔的自动控制应满足质量指标、物料指标、能量平衡及约束条件等要求。

脱丙烷塔所处的环境为甲级防爆区域,工艺介质为多种烃类混合物,沸点低、易挥发、易燃、易爆，生产装置处于露天，低压、低温。主导风向由西向东。 2、仪表选型说明

所选仪表应具有本质安全防爆性能等特点，电动Ⅲ型仪表在安全性、可靠性等方面已能满足要求。电动仪表信号传送快且距离远，易与计算机配合使用，除控制阀外，最好全部选用电动Ⅲ型仪表。采用安全栅，可构成本质安全防爆系统。 3、再沸器加热蒸汽流量检测系统环室式标准孔板计算数据： （1）被测流体：饱和水蒸汽

（2）流量：Mmax=1350kg/h; Mcom=900kg/h; Mmin=450kg/h （3）工作压力：p1=0.15MPa（绝压）; 工作温度：t1=110℃

来

图1 脱丙烷塔工艺流程图

（4）密度：ρs=0.8528kg/m3;粘度η=25×10-6Pa·s （5）允许的压力损失：应尽量小 （6）管道内径：D20=200mm （7）管道材质：20#钢，新无缝管 4、蒸汽流量控制阀口径计算数据： （1）流体：饱和水蒸汽 （2）正常流量条件下： 阀前绝压：P1=140kPa 阀后绝压：P2=105kPa 阀前温度：t1=110℃ 管道内径：D1= D2=200mm 正常流量：MS=900kg/h 密度：ρS=0.8528kg/m3

（3）稳态最大流量：Mmax=1350kg/h

（4）选型：气动单座调节阀，等百分比固有流量特性，流开向型。 型号：ZMAP-1.6K 四、

主要设计任务

1、 确定基本控制方案，要带有信号报警系统（设置3个液位报警上、下限：

塔釜液位：30%-90%，冷凝器液位：20%-80%，回流罐液位：30%-80%），并按规范绘制带控制点的工艺流程图。

2、 对至少一个回路（再沸器加热蒸汽流量控制系统）进行仪表选型。 3、 对至少一个回路（再沸器加热蒸汽流量控制系统）的节流装置和调节阀

进行计算。

4、 分析所用到的复杂控制系统并绘制复杂控制系统的接线图。

5、 设计布置控制室并绘制控制室平面布置图。

6、 绘制再沸器加热蒸汽流量检测系统标准孔板制造图。 五、

需提交的设计文件

1、 设计说明书 2、 控制流程图 3、 自控设备表

4、 复杂系统仪表接线图

5、 节流装置及调节阀计算数据表 6、 标准孔板制造图 7、 控制室平面布置图

其中第1项应包括目录、摘要、正文及参考文献等项；2-7项均应按制图或制表规范来制作，图纸采用3号纸（297×420mm），也可以使用电脑制图，作为附录附在设计说明书后。 参考资料

1、《过程控制系统工程设计》.孙洪程,翁唯勤合编.化学工业出版社 2、《实用自动控制指南》.[美]M.G安德鲁，H.B威廉斯.化学工业出版社 3、《炼油化工自控设计手册》

4、《过程控制工程》.王树清等编.化学工业出版社

设计说明书

一、摘要

应用自动控制原理，控制仪表、检测技术以及工艺过程控制技术进行脱丙烷塔控制系统设计。为了满足脱丙烷塔的质量指标、物料指标、能量平衡及约束等要求。设计包括提馏段的温度与蒸汽流量的串级控制；塔顶压力为被控变量，气态丙烯与去尾气过线组分程控制控制；进料流量的简单均匀控制；回流罐的液位与回流管的回流量组成串级均匀控制；回流量的定值控制；塔釜的液位与塔釜流出流量的串级控制；以及进料、回流、塔顶、塔釜的温度检测，塔压检测，进料、塔顶采出，不凝气体排除、回流量的流量检测等。

关键字：脱丙烷塔 指标 控制 检测

二、基本控制方案的设计与分析

1.提馏段的温度与蒸汽质量组成串级控制

维持提馏段的温度恒定对此反应装置的是否能顺利进行以及产品的质量是否达标是很重要的。设计此系统的控制目的主要就是为了维持提馏段内温度得恒定，以保证反应的稳定顺利进行。由于影响提馏段的一个重要因素是来自减压蒸汽总管的蒸汽流量，而提馏段的温度恒定才是主要控制的目的。因为加热用的减压蒸汽由来减压蒸汽总管的蒸汽与冷凝水混合制得，所以来自减压总管蒸汽流量的变化作用于提馏段的温度有一定的滞后时间。因此，设计一串级控制系统，以提馏段的温度为主变量，以来自减压总管的蒸汽量作为副变量，它能快速地消除因蒸汽汽源压力或冷凝压力变化引起的扰动，从而达到较好地控制提馏段的温度恒定的目的。

2.塔顶压力为被控变量，气体丙烯与去尾气管线组成分程控制

要保证反应的顺利进行，塔顶的压力恒定也是一个重要的的参数。影响此压力的是再沸器的气态丙烯流量以及回流灌的压力（由去尾气管线的流量控制）。为了扩大控制阀的可调范围，改善控制系统的品质，以满足工艺上的要求。因此设计一分程控制，以塔顶压力恒定为主要控制目的，当投操纵变量气态丙烯流量的改变不足于控制断控制压力时，调解去尾气管线上的流量，以达到控制塔顶的压力的目的。

3.回流罐的液位与回流管的回流量串级均匀

为保证回流量的稳定，以及使回流罐不流空，设计此液位一流量串级控制系

统。

4.塔釜的液位与塔釜流出的流量的串级均匀控制

同上一控制系统相似，由于变量间的相互关联、为保证塔内的液位恒定，去脱丁烷塔管线的流量稳定，设计此串级控制系统，以达到控制塔内液位与流出量的稳定。

5.为保证反应的稳定进行，设计一进料流量的均匀控制 6.报警系统

为保证塔釜、回流罐、冷凝器的液位不超过可控范围，可分别设计一液位报警系统——当塔釜液位偏离30%-90%时，冷凝器液位偏离20%-80% 时，回流罐液位偏离30%-80%时，报警提示。

为了保证塔压的变化不超过允许值，分别在塔顶与塔底安装了一个具有温度上限报警的温度检测仪表。为了保证塔压的变化不超过允许值，在位于塔上部的地方装一带压力上限报警系统的压力检测仪表

7.除了上述控制装置外，还设计有对进料、塔底采出、不凝气体排出、回流物温度检测。

具体见附图：脱丙烷塔工艺流程图。 8.控制室平面布置图绘制说明

由于生产装置处于露天，工艺介质易燃、易爆，且主导风向由西向东，因此设计此控制室位子生产装置的西边，且门跟窗都向着生产装置。控制盘背向生产装置，以利于电缆进入与之连接。具体见控制室平面布置图。

三、节流装置计算:

1、己知条件:

(1)被测流体:饱和水蒸汽 (2)流量:

Mmax=1350 kg/h Mcom=900 kg/h Mmin=450 kg/h

(3)工作压力: = 0.15Mpa (绝压) (4)工作温度:t1= 110.0 (5)允许的压力损失:应尽是小 (6)管道内径:D20=200mm

(7)仍管道材质:20#钢，新无缝管

(8)管道和局部阻力件敷设简图如下所示。图中LI、L2, LO按设计要求要求设。

(9)要求采用角接取压（环室）标准孔板，配电动差压变送器。 2.辅助计算

（本例中的公式右侧标注的页号和图、表号与《国家标准流量测量节流装置》）

(1)工作状态下，质量流量标尺上限：Ｍ＝1600kg/h (2)管道材质的线膨胀系数：∧D=12.12×10 6 mm/mm·c (3)工作状态下，管道内径：

D=D20[1+∧D(t1-20)]=200×[1+12.12×10 6×(110-20)]=200.22mm (4)工作状态下,饱和水蒸气的粘度:

η=25×10 6Pa·s (5)工作状态下,饱和水蒸气的密度:

s=0.8528kg/m3 (6) 工作状态下,饱和水蒸气的等熵指数: χ=1.29 (7)管道粗糙度:

K=0.10 (8)管径与粗糙度之比:

D/K=200.218/0.10=2002.2>100 (9)求ReDmin的值:

ReDmin=354×10 3×

MminD

=354×10 3×

450

200.218 25 10

6

=3.183×104

(10)求ReDcom的值:

ReDcom=354×10 3×

McomD

=354×10 3×

900

200.218 25 10

6

=6.365×104

(11)根据ReDmin=3.1825×104和角接取压标准孔板的要求,角接取压标准孔板适用的最小雷诺数ReDmin推荐值可知,在β<0.50的范围内β取任意值时,因流量变化引起的流量系数α0的改变,其附加误差小于0.5%。

(12)由于要求压力损失尽量小，故取β=0.48为确定差压上限的依据。 (13)确定差压上限： a：令γ

Re

=1,ReD=105,β=0.48

2

取 α0βb:hmax=

M

2

2

2

2

=0.1432 =

1600

2

2

2

(0.003999 0 D) 1

(0.003999 0.14324 200.218) 0.8528

=5693.1 Pa=5.69 kPa 取：h20=6.0KPa C:验算P2/P1值

P2/P1=（140-6）/140=0.96≥0.75 上述h20值可用

d：选用1151DP-4E22M1B3D2Fa型电容式差压变送器 (14)求h20com值： h20com=（

McomM

9001600

）2 h20=(

) 6.0

2

=1.898 kPa

e：计算： (1)令γ（α0β

Re

=1, ε=1,根据Mcom、 1、D、h20com，求（α0β）1=

Mcom

0.003999D

2

2

）1值：

2

1h20com

=

900

0.003999 200.218

2

0.8528 1898

=0.139 （2）根据（α0β取接近（α0β

2

2

）1、ReDcom，求 1值：

）1=0.1395，ReDcom=6.3651×104的β值，查表可得

1=0.474

（3）根据D/K、 1、ReDcom，求 Re值： Re=（ 0 1）(式中 0 1 得 Re=1

（4）根据P2/P1，χ、 1，求ε值： P2/P1=0.96，χ=1.29， 1=0.474

ε=1-（0.3707+0.3184β

2

lgRe6

D

) 1

）[1-(

P2P1

1

)z

]0.935

1

=1-(0.3707+3.84×0.474)[1 (0.96)1.29]0.935

2

=0.985 (5)求（α0β（α0β

2

2

）2的值:

2

）2=

( 0 )1

Re

2

=

0.13951 0.9849

=0.142

(6)根据（α0β

）2、ReDcom，求β和α的值：

Re

D

=5×104时：

0.1416 0.14103

(0.477 0.476) 0.477

2'=0.476+

0.14166 0.141030.1416 0.14141

(0.6226 06224) 0.623 0'=0.6224

0.14166 0.14103

Re

D

=8 104时：

2''=0.477

0.1416 0.141410.14205 0.141410.1416 0.141410.14205 0.14141

(0.6217 0.6215) 0.477

0''=0.6215

Re

4

=时： 6.4386 10D

(0.6217 0.6215) 0.622

2 0.4769

(6.4386 5) 10(8 5) 10

4

4

(0.4773 0.4769)=0.477

0 0.6226 （7）求d值：

(6.4386 5) 10(8 5) 10

4

4

(0.6216 0.6226)=0.623

d= 2 D=0.4771×200.218=95.525mm （8）验算： M

'com

0.003999 0 d

2

1h20com

2

=0.003999 0.6221 0.9849 95.524 =899.594kg/h

M

M

'com

0.8528 1898.4

M

com

com

M

×100%=

899.5932 900

900

×100%=-0.05%

上述计算合格。 （9）求d20的值：

孔板采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。 ∧d=17.00×10 6mm/mm·C d20=d/[1+∧d(t1-20)]

=95.524/[1+17.00×10 6×(110-20)]=95.379±0.05mm/mm·C (10)求实际的最大压力损失 p的值: p=

1 0 1 0

22

h20

=

1 0.6221 0.47711 0.6221 0.4771

22

6.0 =4.512kPa

(11)确定最小长度: L1=20D=4000mm L2=6D=1200mm L0=10D=2000mm

四、蒸汽流量控制阀口径计算： 仪表位号：FV-102 1.已知条件

（1）流体：饱和蒸汽 （2）正常流量条件下：

阀前绝压：P1=140kPa 阀后绝压：P2=105kPa 阀前温度：t1=110℃ 管道内径：D1= D2=200mm 正常流量：MS=900kg/h 密度：ρS=0.8528kg/m

3

（3）稳态最大流量：Mmax=1350kg/h

（4）选型：气动单座调节阀，等百分比固有流量特性，流开向型。 2.计算：

（1）判断是否阻塞流

查《石油化工自动控制设计手册》得

临界差压变比系数Xr=0.72以及气体绝热指数K=1.29 则 比热系数 FK=K/1.4=1.29/1.4=0.92 FKXr=0.92×0.72=0.66

差压比 X=△P/ P1 =（P1- P2）/ P1 =0.035/0.140=0.25 可见，X〈FKXr，故为非阻塞流。 （2）Cn值计算： 膨胀系数Y=1-X3FKXr

=1-

0.253 0.66 0.72

=0.82

1

0.25 140 0.8528

Cn=

Wc3.16Y

1XP1

=

9003.16 0.82

=63.57

（3）Cmax值的计算：

Wmax=1.2Wcmax=1.2×1350=1620kg/h

Cmax=

WmaxCn

Wc

=1620×63.57÷900=114.43

（4）口径的选定：

选阀的公称流量系数和公称通径： C100=120， DN=d=100mm （5）相对行程计算： 控制阀在正常流量条件下：

ι=（1+0.68lg(Cn/C100)）×100%=（1+0.68lg(63.57/120)）×100%=81.4%

基本符合等百分比特性控制阀正常流量时相对形成为80%左右的要求。（直线流量特性控制阀正常流量时，要求ι=60%）

参考文献：

1.孙洪程，翁唯勤编.过程控制工程设计.北京：化学工业出版社，2000 2.王树青等编著.工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2002 3.苏彦勋等编著.流量计量与测试.中国计量出版社，1991

4.纪纲编著.流量测量仪表应用技巧.北京：化学工业出版社，2003 5.何衍生等编著.控制阀工程设计与应用.北京：化学工业出版社，2005 6.谢小球编著.石油化工测量及仪表.中国石化出版社，1994 7.梁朝林编著.化工原理.广州：广东高等教育出版社，2000

8.张建宏，蒙建波编著.自动检测技术与装置.北京：化学工业出版社，2004 9.陆德明编著.石油化工自动控制设计手册.北京：化学工业出版社，2000

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