Hefei University
无机非班：《测量仪表及自动化》
过程考核之三——设计
题 目： 系 别： 班 级： 姓 名： 学 号： 教 师： 日 期：
题目自拟：包括1、体系，如燃烧炉、精馏塔等；2、控制点，单点如温度、压力等，多点可以用综合控制等词；3、控制方案，如PID控制，简单控制，串级控制等
化学材料与工程系 11无机非（1）
陶焱 1103031007 胡 科 研 2013-10-26
精馏塔釜温度串级控制系统设计
摘要：在石油、轻工、化工等生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产品中的组成部分进行分离，而精馏是最常用的方法。精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较为复杂、动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔结构差别很大，而工艺对控制的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。我们此次设计就是要设计一个精馏塔
温度的控制系统。要求当物料进入精馏塔时，塔釜的温度可控并且温度恒定，保 证生产的连续性。
关键词：精馏、多输入多输出、动态响应。
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，也就是说在提馏段上升的轻组分的易挥发组分逐渐增多，难挥发组分逐渐减少，而下降液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增多，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，可以避免轻约分流失，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。从上述干扰分析来看，有些干扰是可控的，有些干扰是不可控的。从而选择一种可靠并且稳定的控制系统是非常重要的。
一、总体设计方案
单回路控制系统框图
串级控制系统框图
二、系统器件选择（包括器件参数）
温度传感器选择：
热点偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（MV）信号，配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500度以上的高温，可以在1600度高温下长期使用。 铂铑10-铂热点偶传感器测温范围在0—1600度，WRP型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0-1600度环境下。 调节器与执行器、传感器的选型
调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4—20MA直流电流和1—5伏直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250欧。 调节器 温度传感器 调节阀 818型PID调节器 WRP系列热电偶传感器 ML7420A 流量传感器 变频器 水泵
MLF-1 西门子MM440 0.37kw
三、硬件设计方案
副参数：蒸汽流量 主参数：塔釜温度
当仅有作用流量对象的二次干扰D2加入时，Y2上升，由于Y2变化需要经过一段时间才会引起Y1的变化，故认为Y1暂时不变，则Z1也暂时不变，因R1是给定值，所以E1，R1也不变，从而有：D2上升，Y2上升，Z2上升，E2=R2-Z2下降，阀门开度下降，Y2下降，可见一旦有二次干扰，副回路即对副参数变量
进行调节，使其回到受干扰前的数值上，但初始时Y2的上升经一段时间后会影响Y1 的上升，则有：
D?Y??Y??Z??E(?R?Z)??R??22111112 E2??Y2??Y1?主、副调节器正反作用方式确定：
由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，保证系统出现故障时调节
阀处于全关状态，防止燃料进入精馏塔，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。主调节器作用方式确定：蒸汽流量增加，塔釜温度升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积须为正，则副调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器Kc>0，副调节器作用方式为反作用方式。
~380v QF1 QF2 变频器 KM1 FR1
M
控制系统硬件接线图
四、控制算法选择
在精馏塔温度串级控制系统中，我们以塔釜温度为主要被控参数，塔釜温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。
控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以副调节器调节规律选择P控制。
调节器1：P=2;I=0.454;D=0;SN=33;CF=0;ADDR=1;SV=8; DIH=50; DIL=0;
副调节器：P=1； 五、控制参数整定
在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图所示：
在系统稳定运行大约900s后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，仿真曲线如图所示：
由仿真曲线图可观察知：因塔釜温度最大偏差为3.5℃，单回路控制系统不
精馏塔釜温度串级控制系统设计
