精馏塔控制系统课程设计..doc

目 录 第1章 绪 论 1 第2章 控制方案 2 2.1 基本原理 2 2.1.1物料平衡关系 2 2.2设计方案 3 2.2.1控制方案类型 3 2.2.2控制方案的选择 4 第3章 系统各仪表选择 9 3.1 检测变送器的原理 9 3.1.1 温度变送器的选择 10 3.1.2 流量变送器的选择 10 3.1.3 液位变送器的选择 11 3.2 执行器的选择 12 3.3 调节器的选择 12 3.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 13 第4章 系统仿真 14 4.1串级控制系统matlab仿真分析 14 4.2液位控制系统仿真分析 16 第5章课程设计总结 17 参考文献 18 第1章 绪 论 精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可减少残余物料的污染作用。 影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保证。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。 第2章 控制方案 2.1 基本原理 影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而提馏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，因此，分析精馏塔的物料和能量平衡对制定提馏段控制策略至关重要。 2.1.1物料平衡关系 对提留段内任一塔板j作物料平衡计算，其组分的物料平衡关系为： 式中，表示各层塔板的上升蒸汽量， 为塔板上气相的轻组分浓度，为提留段内各层踏板的下流液体流量，是从快塔板留下的液相中轻组分浓度，B为塔釜采出量，X为塔釜采出物轻组分的浓度。 2.1.2 能量平衡关系 在稳态时，进入精馏塔的所有能量必然与离开塔的能量相平衡，表示为： 式中，、、分别表示进料量、塔顶采集量和塔釜采出量，为再沸器加热量，为冷凝器冷却量，、、分别为进料、塔顶和塔釜产品的热焓。从平衡方程并结合精馏塔工艺特点，不难看出影响能量平衡的因素为：进料量、进料浓度、进料温度和进料状态、再沸器的加热量、冷凝器冷却量、回流量。 2.2.2控制方案的选择 由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。 图2.1精馏塔提馏段单回路温度控制方案 方案一： 图2-1是精馏塔提馏段示意图，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2-1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。而且精馏塔温度过高或过低会引起精馏塔控制质量变差，由于存在这些扰动故考虑串级温度控制系统。 方案二：如下图所示在蒸汽输入端引入串级控制系统，在塔釜出料端引入选择性控制系统。其PID图如下图所示 图2.2 精馏塔提馏段复杂控制系统 蒸汽输入端串级控制系统 串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副