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精馏塔自动控制系统设计毕业论文 精馏塔自动控制系统设计毕业论文 目录 第一章精馏塔概述 (2) 1.1精馏塔控制的研究背景及意义 (2) 1.2精馏塔控制系统的目的 (2) 第二章生产工艺 (5) 2.1工艺流程的说明 (5) 2.2精馏塔的控制要求及主要干扰 (8) 2.3精馏塔的装置的工艺流程 (11) 第三章自动装置的确定 (12) 3.1PLC、DCS、FCS的发展 (12) 3.2PLC、DCS、FCS的特点 (13) 3.3PLC、DCS、FCS的差异 (14) 第四章精馏塔控制方案设计 (17) 4.1控制方案和回路的设计 (17) 4.2精馏塔控制要求 (21) 4.3精馏塔工艺因数影响及系统维护 (22) 第五章检测仪表、执行机构和辅助仪表的选型 (24) 5.1如何选择检测仪表和调节阀 (24) 5.2变送器和流量仪表的选型 (24) 5.3物位测量仪表的选择 (27) 附录 (30) 参考文献 (31) 致谢 (32) 第一章精馏塔概述 1.1 精馏塔控制的研究背景及意义 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产品质量、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和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高。这些都给自动控制的实施带来一定困难。同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入分析工艺特性，进行自动控制方案的设计和研究。 精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：“过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂” 。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普遍存在。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。 1.2 精馏塔控制系统的目的 聚氯乙烯材料工业以及羰基合成工业技术的发展而迅速发展起来的。近年，随着下游市场需求的快速增长及羰基醇新建装置的增多，我国异丁醇的生产能力不断增加。在国际丁/辛醇市场火爆的情况下，国内羰基醇生产装置通过优化，或调节装置正异构比的方法，均力争多产正丁醛，而异丁醇生产原料异丁醛的产量较少，同时国内新戊二醇的生产又占用了一定比例的异丁醛原料，因此异丁醇原料处于严重供不应求状态。随着我国化工行业的快速发展，国内原料供应难以自给自足的矛盾日益明显。可见，丁醇塔控制系统的处理能力和安全稳定性对石油化工的有着重大而深远的意义。随着现代化工的飞速发展，生产规模的不断扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求，精馏 塔在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广泛应用于各种行业的生产过程中。生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程控制中得到了广泛的应用。对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度的因素很多：被加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回路控制系统并不能把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统来实现。 石油化工生产常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。分离互溶液体混合物有许多种方法精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏过程通过反复的汽化与冷凝 使混合物料中的各组分分离分别达到规定的纯度。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量消耗因此精馏塔的自动控制问题长期以来一直受到人们的高度重视 1. 精馏过程是由精馏装置来实现的精馏装置一般是由精馏塔、再沸器、重沸器 、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成实际生产过程中精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。石油化工等大型生产过程主要采用的连续精馏精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸溜的原理是蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触两相接触中下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移气相愈接近塔顶其易挥发组分浓度愈高而下降液愈接近塔底其难挥发组分则愈富集从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器 冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体其中的一部分送入再沸器加热蒸发成气相返回塔中另一部分液体作为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同的特性实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为 简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 2。精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程其内在机理复杂 动态响应迟缓变量之间相互关联不同的塔工艺结构差别很大而工艺对控制提出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。苯的沸点为80.1熔点为5.5在常温下是一种无色、味甜、有芳香气味的透明液体易挥发。苯比水密度低密度为0.88g/ml但其分子质量比水重。苯难溶于水1升水中最多溶解1.7g苯但苯是一种良好的有机溶剂溶解有机分子和一些非极性的无机分 子的能力很强。甲苯是最简单 最重要的芳烃化合物之一。在空气中 甲苯只能不完全燃烧 火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 沸点为111 。甲苯带有一种特殊的芳香味与苯的气味类似在常温常压下是一种无色透明清澈如水的液体密度为0.866克每立方厘米对光有很强的折射作用折射率1,4961。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)但可以和二硫化碳酒精乙醚以任意比例混溶在氯仿丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0,6 mPa s也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg闪点为4 燃点为535 。分离苯和甲苯可以利用二者沸点的不同采用塔式设备改变其温度使其分离并分别进行回收和储存。板式精馏塔、浮阀塔都是常用的塔类型可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔。 第二章生产工艺 2.1 工艺流程的说明 PVC生产工艺流程包括乙炔站工序、合成、转化、精馏、聚合、气提、干燥、包装一系列工序，其PVC生产工艺流程方框图如下。本项目为精馏装置的过程自动化工程设计，该装置进料为粗氯乙烯，经低沸塔和高沸塔提纯处理，出料为99.99%的纯度精制氯乙烯，让后送到聚合工序进行聚合反应。 图2-1 PVC生产工艺流程方框图 一.馏组分分离的原理 液体混合物的精馏过程是基于不同组分混合物的不同物质具有不同的挥发度，也就是具有不同的蒸汽压和不同的沸点，借恒压下降低温度和升高温度时，各物质在气相里的组成和液相里的组成差异，来获得分离的。 精馏过程必须依靠以下两个条件： 1.塔底加热釜（或称再沸器）使物料产生上升的蒸汽； 2.塔顶冷凝器使部分蒸汽冷凝为向下流的液体（又称回流）。在连续精馏塔的每一块理论塔板上，均发生部分汽化和部分冷凝，也即传热和传质过程。塔顶部的蒸汽所含易挥发组分（低沸点组分）较多，温度也低些；塔底部的液体所含难挥发组发（高沸点组分）较多，温度也高些，以底沸塔某一层塔板为例，当上层塔板下流的液体（含有较多的易挥发组分乙炔），在该塔板上.下层上升的蒸汽（含有较少的易挥发组分乙炔）接触时，俩者应未达到平衡而发生了气液相之间的热量和质量传递，使易挥发组分乙炔以扩散方式逸入上升蒸汽中，而难挥发组分氯乙烯则同时以相反方向的扩散方式进入向下流的液体中。也就是说，气液通过一次接触，上升蒸汽中易挥发组分乙炔的含量，则将因蒸汽的部分冷凝而增多。理论上，气液相之间传热和传质得的结果，使这块塔板上的蒸汽和液体组成趋向于平衡。通过许多块塔板上气液相间的热量和质量传递的平衡过 程，使上升蒸汽到达塔顶部时，含有很浓的易挥发组分乙炔，而向下流的液体到达塔底时，则含有很浓的难挥发组分氯乙烯（几乎不含乙炔），从而实现完全的分离。 二.影响精馏的主要因素 1.压力 PVC在常压下沸点为-13.9，压力升高沸点相应上升，其对应关系如表所示。 表2-1 氯乙烯压力与沸点关系 进行精馏的粗氯乙烯含有一定数量的低沸物（约30%）在常压下将粗氯乙烯液化时为保证较高的液化率，必须大大降低冷凝的温度（因VC-C2H2混合物沸点在-13.9-83.6之间）特别在分馏尾气冷凝中，实践证明，必须控制低至-5，过低冷凝温度则增加冷冻能量消耗，另外在低温低温精馏中粗氯乙烯中水分必须彻底除尽，否则易在设备中结冰堵塞，因此常压法精馏氯乙烯在工业上已经被淘汰。因此，当提高低沸塔操作压力时，由于VC-C2H2混合物沸点升高，使制冷温度也相应提高，减少了制冷的动力消耗，当然压力太高，由于达到同样的分离纯度的理论塔板数量增加，而对VC-C2H2分离反而不利，一般低沸塔压力控制在5-6个大气压，此时粗氯乙烯液化可采用工业水及0冷冻水，在此压力下，对VC-C2H2分离的理论塔板数也在10块以下，对分离VC-EDC的高沸塔，其混合物沸点在-13.9-57.9之间，为减少分离的理论塔板数，压力适当放低点，其在不同的压力下的分流理论塔板数比较如表所示。 表2-2 不同压力下的分离理论塔板数比较 对于高沸塔所处理的氯乙烯-高沸点混合液的沸点，则因高沸点物的存在，是混合物沸点相应的比低沸塔混合物来的高（主要高沸点物的沸点范围在21-113.5），适当降低压力可以减少高沸塔所需的理论塔板数（如当回流比R=0.1时），如表所示 故选择操作压在0.250.35Mpa（表压），塔顶排出的高纯度氯乙烯气体，可用工业水或0盐水做冷媒，于2530下冷凝成液体的成品单体；塔釜也可用转化器热水加热，使含 较多高沸点物的氯乙烯混合液在3040下沸腾汽化（当间歇排放时，此混合液浓度和沸点也是一时间而变化的）。 2.温度 在一定的压力下，混合物的组成是依温度而变化的。因此低沸塔或高沸塔的塔顶和塔釜温度是影响精馏质量的主要参数，现分述如下。 （1）、沸塔底 若塔顶温度或塔底温度过低，易使塔顶馏分中的乙炔冷凝下来或塔底底液的乙炔蒸出不完全，使塔底馏分（作为高沸塔进料液）中乙炔含量增加，影响低沸塔的精馏效果。但若塔顶温度或塔底温度过高，则使塔顶馏分中氯乙烯浓度上升，势必增加尾气冷凝器的负荷，以致降低分馏收率。 （2）、高沸塔 若塔釜温度过高，不但易使塔底馏分中的高沸物蒸出，使塔顶馏分（作为高纯度单体）的高沸物含量增加，还会使蒸出釜列管中液面下降，液体蒸完后导致多氯烃的分解、炭化个结焦，影响传热效果，甚至影响塔的稳定操作和连续正常运钻。若塔釜温度太低，则影响上升蒸汽两，使残夜中氯乙烯含量增加，甚至液面升高。若塔顶冷凝器或成品冷凝器温度太高，易使回流量不足，或高沸塔压力上升。若此温度过低，又使回流量过大而浪费冷量，或是高沸塔压力下降（这一关系与低沸塔的尾气冷凝器不影响到系统压力是不同的，因为低沸塔有较多的惰性气体的存在，高沸塔则全部为可冷凝的氯乙烯气体）。 3.回流比 回流比是指精馏段内液体回流量与塔顶流出液量之比，也是表征精馏塔效率的主要参数之一。在氯乙烯精馏过程中，由于大部分采用塔顶冷凝器的内回流式，不能直接按最佳回流量和回流比来操作控制，但实际操作中，当发现质量差而增加塔顶冷凝量时，实质上就是提高回流比和降低塔顶温度，增加理论塔板数的过程。但若使冷凝量和回流比增加太多，势必使塔釜温度下降而影响塔底混合物组成，因此又必须相应的增加塔釜加热蒸发量，使塔顶和塔底温度维持原有水平，所以不同的是向下流的液体和上升蒸汽量增加了，能量消耗也相应增加。因此在一般情况下，不宜采用过大的回流比。对于内回流式系统，也可通过冷盐水的通入量和温差测定，获得总换热量，再由气体冷凝热估算冷凝回流量。一般低沸塔的回流比在510范围，高沸塔在0.20.6范围。 三.精馏工序流程 由压缩机出来的粗氯乙烯选择进入全凝器，使大部分气体冷凝液化，经低沸加料槽后，送入低沸塔，未凝气体进入尾气冷凝器，其冷凝液全部进入低沸塔，经低沸塔塔釜加热器加 热将冷凝液中低沸物蒸出，经塔顶冷凝器用5水控制回流比后，由塔顶汇入尾气冷凝器处理，塔釜氯乙烯进入高沸塔，尾气冷凝器中的气体经尾排吸附器回收一部分氯乙烯后，惰性气体 排空，自低沸塔流入高沸加料槽的氯乙烯经调节阀控制流量，解压加入高沸塔，高沸塔加热器将大部分氯乙烯蒸出，分解成粗氯乙烯，经塔顶控制部分回流，大部分粗聚乙烯进入成品冷凝器，被冷凝的聚乙烯在固碱干燥器脱水进入单体储槽，按需要送聚合工序，在高沸塔塔釜分离收集到二氯乙烯(EDC)为主的高沸物进入高沸物接受槽，定期压送入塔，将残液蒸馏，将蒸出的二聚乙烯（EDC）又冷凝成液体，进行包装外销，为冷凝下来的聚乙烯回到气柜。其工艺流程框图如图所示。10万吨|年树脂精馏装置管道及仪表流程图参考附录一。 图2-2 工艺流程框图 2.2 精馏塔的控制要求及主要干扰 为了保证精馏生产过程安全，高效地连续进行，精馏塔自动控制系统应当满足以下几方面的要求： 1.保证产品质量 对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度；另一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或塔底一种产品的纯度作为质量参数进行控制，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制需要能直接测出测出产品成分的分析仪表。由于目前还不能生产出测量滞后小、精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大多数情况下，精馏塔自动控制系统是通过温度控制来间接实现生产过程的产品质量检测，即用温度控制系统代替质量控制系统。 2.保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行，应设法预先克服原料进塔之前的主要可控干扰，同时尽可能减缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷凝剂的压力控制、进料量的均匀 控制等，使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。为了维持塔的物料平衡，还要控制塔顶和塔底产品采出量，使二者之和等于进料量，两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔的平稳运行；精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳运行所必须的。 3.满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行，必须满足一些参数的极限值所规定的约束条件。例如对塔内气体流速的上下限限制，流速过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控制，通过测量和控制塔底于塔顶间的差压，间接实现塔内气体流速的检测和控制。精馏塔本身还有最高压力限制，当塔内压力超过其耐压极限时，容器的安全就没有保障。 4.节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗。另外，塔和附属设备及管道也要散失一部分能量。 精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量高一些，能量消耗尽可能低一些。 图2-3 精馏塔物料流程图 图2-3表示精馏塔物料流程图。进料F从精馏塔中段某一塔板进入塔内，这块塔板就称为进料板。进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称精馏段，进料板以下部分称提馏段。在精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种。 （1）进料流量F的波动 进料量F的波动通常是难免的，如果精馏塔位于整个生产过程的起点，则以采用定值控制。但是精馏塔进料量F往往是由上一道生产工序所决定，如果一定要使精馏塔进料量F恒定，就必须设置中间储槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减少或取消中间储槽，采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量F比较平稳，避免F的剧烈变化。 （2）进料成分ZF的变化 进料成分ZF是由上一道工序出料或原料情况决定的，对图1.2所示的精馏塔来讲，它是不可控的扰动因数。 （3）进料温度TF和进料热焓值QF的变化 进料温度和状态对塔的操作影响很大，一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料温TF度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保证其热焓值QF稳定。当进料是气液两相混合状态时，只有当气液两相比例恒定时，恒温进料的热焓值才能恒定。为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过热焓控制来维持进料热能恒定。 （4）再沸器加热剂输入热量变化 当加热剂是蒸气时，通过再沸器输入精馏塔的热量扰动往往是由蒸气压力变化所引起的，这一扰动可通过在蒸气总管设置压力控制来加以克服，或者通过温度串级控制系统的副回路予以克服。 （5）冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化 冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或温度变化引起的，吸收热量的变化会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。冷却剂的温度一般变化较小，而流量的变化大多是由压力波动引起的，可采用与克服加热剂压力变化类似的方法进行控制。 （6）环境温度的变化 环境温度一般变化较小。冷凝器采用风冷方式时，天气聚变及昼夜温差对精馏塔的运行影响较大，会使回流量或回流温度发生变化，对于这种干扰可采用内回流控制的方法予以克服。内回流是指精馏塔精馏段上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量。内回流控制，是指在精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律变化。通过以上几点分析可以看出，进料流量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主要干扰，一般是不可控的。其他干扰比较小，可以采用辅助控制系统预先加以克服和抑制，各种精馏塔的工作情况不尽相同，需要根据实际情况具体分析。 2.3精馏塔的装置的工艺流程 使分馏产品满足质量要求是精馏塔控制系统的最终目的。控制系统通过对生产过程工艺参数的检测和控制，克服扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续地进行。图2.3为精馏塔装置的工艺流程。 图2-4精馏塔工艺流程