【正文】 ........................................... 42 外文資料翻譯 .................................................................................. 45 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前 言 自從中國加入 WTO后，中國市場包括石化市場日趨受到國外的 嚴(yán)重沖擊已是當(dāng)今不爭的事實，然而石化工業(yè)如何適應(yīng)未來這種新的生產(chǎn)局面、參與市場競爭已經(jīng)成為極為嚴(yán)重的問題，降低加工成本、提高經(jīng)濟(jì)效益、提高產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品已成為當(dāng)今中國石化工業(yè)面臨的緊要工作 。 而精餾系統(tǒng)又是石化工業(yè)的重中之重。 從精 餾設(shè)備的歷史發(fā)展來看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。精餾技術(shù)的任何進(jìn)步，都會極大刺激化學(xué)加工工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，同樣在石油、化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的每一個歷史階段都會對精餾設(shè)備技術(shù)提出更高的要求。然而精餾塔溫度控制系統(tǒng)更是精餾工藝的重要部分。 精餾塔溫度控制系統(tǒng)主要由 PLC控制程序和 WINCC人機(jī)監(jiān)控界面實現(xiàn)塔內(nèi)溫度的實時調(diào)節(jié)與監(jiān)控。在精餾塔產(chǎn)品的分餾過程中 ， 溫度是一個最為關(guān) 鍵的控制量。當(dāng)塔底溫度過高且塔頂溫度過低時 ， 過多的原料會以氣體的形式蒸發(fā)反之 ， 當(dāng)塔底的溫度過低時 ， 則會成過多的釜殘 ， 導(dǎo)致物料損耗大 。 國外精餾系統(tǒng)發(fā)展的相當(dāng)先進(jìn)。 國外新型板式塔的發(fā)展是將 MD塔板的懸掛 降液管技術(shù)移植到常規(guī)板式塔上，增加了塔板的鼓泡面積，提高了塔設(shè)備的處理能力。在 20世紀(jì) 80年代初期 ， 國外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機(jī)器一 Higee。這種超重力離心分離機(jī)具有極為優(yōu)良的傳質(zhì)效率和處理能力特性。 目前 ， 國內(nèi)精餾塔設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)一般采用溫控儀 +繼電器進(jìn)行控制 ， 雖具有價格優(yōu)勢 ， 但在控制功能上受到許多限制 ， 如精度差 ， 超調(diào)量大以及無法實施綜合控制與監(jiān)控等 ， 因此 ， 很難滿足生產(chǎn)的要求。針對以上情況 ， 開發(fā) 了一種以西門子 S7200 PLC為核心的精餾塔溫度控制系統(tǒng)。該控溫系統(tǒng)具有控溫精度高和硬件簡單的特點。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 第 1 章 緒 論 精餾塔的發(fā)展過程 精餾塔簡介 精餾 塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的的設(shè)備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的?？稍谒O(shè)備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等 。 從精餾設(shè)備的歷史發(fā)展來看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué) 加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。精餾技術(shù)的任何進(jìn)步，都會極大刺激化學(xué)加工工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，同樣在石油、化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的每一個歷史階段都會對精餾設(shè)備技術(shù)提出更高的要求 。 精餾塔的發(fā)展過程 塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用是伴隨著十九世紀(jì)初期迅猛發(fā)展的煉油工業(yè)，并且隨著煉油和石化企業(yè)的不斷發(fā)展而成為主導(dǎo)的工業(yè)單元操作過程。 1． 階段 I: 20~50年代 ： 1920年，有溢流的泡罩塔板開始應(yīng)用于煉油工業(yè)，開創(chuàng)了一個新的煉油時代。 泡罩塔板對設(shè)計水平要求不高、對各類操作的適應(yīng)能力強(qiáng)、對操作控制要 求低等特性在當(dāng)時被認(rèn)為是無可替代的板型。 泡罩塔是 1813年 Cellier提出的，它在化工生產(chǎn)中一直占有重要的地位。從 1832年開始用于釀造工業(yè)，是出現(xiàn)較早并獲得廣泛應(yīng)用的一種塔型。工業(yè)規(guī)模的填料塔始于 1881年的蒸餾操作中， 1904年才用于煉油工業(yè)，當(dāng)時的填料是碎磚瓦、小石塊和管子縮節(jié)等。 20世紀(jì)初，隨著煉油工業(yè)的發(fā)展和石油洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 化學(xué)工業(yè)的興起，塔設(shè)備開始被廣泛采用，并逐漸積累了有關(guān)設(shè)計、制造、安裝、操作等方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。當(dāng)時，煉油工業(yè)中多用泡罩塔，無機(jī)酸堿工業(yè)則以填料塔為主，則篩板塔因當(dāng)時尚無精確的設(shè)計方法 和操作經(jīng)驗，故未能廣泛使用。 2． 階段 II (50～ 70年代 )： 浮閥塔板的開發(fā) FRI的成立系統(tǒng)化的設(shè)計方法 ， 1955年 Monsanto公司的 Bolles發(fā)表了著名的 “ 泡罩塔板設(shè)計手冊 ” ，首先提出了科學(xué)的、規(guī)范化塔板設(shè)計技術(shù)，該方法到目前為止仍然廣泛流行。 大孔篩板的研究這批新型塔盤的出現(xiàn)，不僅為創(chuàng)建綜合性能更好的塔型打開了思路，而且為接著發(fā)生的設(shè)備大型化后選擇塔型指出了方向。在此期間，許多學(xué)者總結(jié)了塔設(shè)備長期操作的經(jīng)驗，并對篩板塔作了系統(tǒng)研究，認(rèn)為設(shè)計合理篩板塔，不僅保留了制造方便、用材省、處理能力大 等優(yōu)點，而且操作負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變動時，仍能保持理想的效率。近年來，隨著對篩板塔研究工作的不斷深入和設(shè)計方法的日趨完善，篩板塔已成為生產(chǎn)上最為廣泛采用的塔型之一。 3． 階段 III (70～ 90年代 )： 大型液體分布器的基礎(chǔ)研究 ， 使得填料塔的放大研究成功，在減壓塔中應(yīng)用獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。計算機(jī)應(yīng)用輔助餾塔放大效應(yīng)的 研究 ， 計算塔板效率精餾過程設(shè)計。新型高性能浮閥塔板的開發(fā)及應(yīng)用 。 從 20 世紀(jì) 60 年代起，由于化工機(jī)械制造業(yè)成功地解決了高壓離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動密封和高溫高壓廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計等技術(shù)關(guān)鍵 ，使化肥和石油化工的生產(chǎn)，在能量綜合利用方面提高到一個新水平，繼而帶動了整個化學(xué)、煉油工業(yè)向大型化方向迅速發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料報道，煉油裝置的年處理能力也達(dá) 1000 萬噸，年產(chǎn) 60～ 90 萬噸的乙烯工廠、 60 萬噸的甲醇工廠、45 萬噸的氯乙烯工廠、 34 萬噸的低密度聚乙烯工廠、 萬噸的苯乙烯工廠以及 萬噸的異丙苯工廠，也將相繼興建。在大型裝置中，塔設(shè)備的單臺規(guī)模也隨之增大。直徑在 10m 以上的板式塔時有出現(xiàn)（如某煉油廠的減壓蒸餾塔塔徑為 ，并在醞釀設(shè)計 18m 直徑的塔），塔板數(shù)多達(dá)上百塊，塔的高度達(dá) 80 余米，設(shè)備重量有幾百噸（操作時的最大塔重可達(dá) 1500 噸）；洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 填料塔的最大直徑也有 15m，塔高達(dá) 100m。近年來，由于出現(xiàn)了世界性的能源危機(jī)，暴露出設(shè)備大型化帶來的不容忽視的問題：大型設(shè)備必須保證在全負(fù)荷下長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，否則經(jīng)濟(jì)損失將是非常巨大的。在此期間，為了滿足設(shè)備大型化以及化工工藝方面提出的高壓、減壓、高操作彈性等特殊要求，又出現(xiàn)了很多新型塔盤，但按其結(jié)構(gòu)特點，仍屬泡罩、篩板、浮閥、舌型等幾種典型塔型的改進(jìn)或相互結(jié)合。 4． 階段 IV (80末 至今 )： 新型高性能塔板的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用塔板設(shè)計、開發(fā)更趨于科 學(xué)化的方向 這一時期，新型填料也有了較多的發(fā)展。屬于顆粒型填料的有：海佐涅爾（ Hydronyl）填料、階梯環(huán)（ Cascade mini ring）填料、多角螺旋填料、金屬鞍環(huán)填料（ Intalox metal pakcing）、比阿雷茨基環(huán)（ Bialecki ring）、萊瓦填料（ Levapak）以及它們的改進(jìn)型式。屬于規(guī)整填料的有：蘇采爾填料（ Sulzer packing）、重疊式絲網(wǎng)波紋板填料、重疊式金屬波形板填料、格利希柵格填料（ Glitsch grid）、格子填料、拉伸金屬板網(wǎng)填料、塑料蜂窩填料、 Z 形 格子填料、 Perform 噴射式填料和脈沖填料（ Impulse packing）等。同時，還創(chuàng)建了使小球浮動萊強(qiáng)化傳質(zhì)的湍球塔 [1]。 我國塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了一個漫長的過程。新中國成立以后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陸續(xù)建立了一批現(xiàn)代化的石油化工裝置。隨著這些裝置引進(jìn)的新型塔設(shè)備，不僅在操作、使用這些設(shè)備方面提供了大量的第一手資料，還帶動了塔設(shè)備的科研、設(shè)計工作，加速了這方面的技術(shù)開發(fā)。 目前，我國常用的板式塔型仍為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌形塔等，填料種類除拉西環(huán)、鮑爾環(huán)外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料 等規(guī)整填料也常采用。近年來，參考國外塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展動向，加強(qiáng)了對篩板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮動噴射塔等新塔型。對多降液管塔盤、導(dǎo)向篩板、網(wǎng)孔塔盤等，也都作了較多的研究，并推廣應(yīng)用于生產(chǎn)。其他如大孔徑篩板、雙孔徑篩板、穿流式可調(diào)開孔率篩板、浮閥－篩板復(fù)合塔盤，以及噴杯塔盤、角鋼塔盤、旋流塔盤、噴旋塔盤、旋葉塔盤等多種塔型和金屬鞍環(huán)填料的流體力學(xué)性能、傳質(zhì)性能和幾何結(jié)構(gòu)等方面的試驗工作，也在進(jìn)行，有些已取得了一定的成果或用于生產(chǎn)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 自動化技術(shù)在精餾塔控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 自動化技術(shù)概況 自動化控制技術(shù)是綜合運用控制理論、儀器儀表、計算機(jī)和其他信息技術(shù)，對化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化達(dá)到增加產(chǎn)量，提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全的一種綜合性技術(shù)，現(xiàn)已成為衡量化學(xué)工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志是之一。 精餾過程一個非常復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，其內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，具有較長死時延滯、相互關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)，動態(tài)特性分析復(fù)雜且困難 ,難以進(jìn)行變量配對，約束條件復(fù)雜，工藝對控制質(zhì)量提出的要求又較高，這些使其成為過程控制界多年來理論研究和實踐的熱點，所以自動化控制技術(shù)在精餾塔操作過程中的應(yīng)用是極為重要的課題之一。 近 20年來，有關(guān)精餾過程的自動化控制技術(shù)的研究熱點大致包括：開發(fā)和應(yīng)用線性多變量控制技術(shù)、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、推理控制和魯棒控制算法，進(jìn)行精餾塔自動控制系統(tǒng)設(shè)計；將非線性控制技術(shù)應(yīng)用于精餾塔的控制；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制方法應(yīng)用于精餾塔；考慮精餾過程的節(jié)能設(shè)計，應(yīng)用先進(jìn)控制與優(yōu)化策略實現(xiàn)精餾塔的節(jié)能優(yōu)化運行。此外，人們還開發(fā)出了一些專用或通用的商業(yè)化軟件，應(yīng)用于精餾塔的控制。 精餾過程的控制目標(biāo) 精餾過程的控制目標(biāo)是在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，保證總收益最大、成本最小，也就是使塔 的回收率最高、能耗最低。精餾過程是在一定約束條件下進(jìn)行的，可從四個方面來衡量自動化控制技術(shù)的應(yīng)用。 1． 控制產(chǎn)品質(zhì)量 精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量，是指塔頂或塔釜產(chǎn)品的純度要符合要求。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂（或塔釜）產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定范圍內(nèi)即可。但是，產(chǎn)品組分含量并非越純越好，原因是純度越高，對控制系統(tǒng)的控制精度要求就越高，操作成本的提高和產(chǎn)品的價格并不成比例增加，因此純度要求應(yīng)與使用要求適應(yīng)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 為此，應(yīng)當(dāng)取塔頂或塔釜的產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)，它 需要能測出產(chǎn)品成分的分析儀表。由于目前被測物料種類繁多，還不能相應(yīng)地生產(chǎn)處多鐘測量滯后小而又精確的分析儀表。所以，質(zhì)量控制系統(tǒng)目前并不多見，而是通過能間接控制質(zhì)量的溫度控制系統(tǒng)來代替。 2． 控制精餾塔的物料平衡 控制精餾塔的物料平衡，就是為了保證塔的平穩(wěn)操作，保證進(jìn)出物料平衡，即塔頂、塔釜采出量應(yīng)和進(jìn)料量相平衡，而且兩個采出量變化要緩慢，保證上下工序之間的協(xié)調(diào)工作。為此，必須對冷凝液罐（回流罐）與塔釜液位進(jìn)行控制，使其介于規(guī)定上、下限之間?？刂撇僮鞣霞s束條件為了保證正常操作，滿足穩(wěn)定和安全運行，需規(guī)定 某些參數(shù)的極限值作為約束條件。常用的精餾過程的約束條件有以下幾點： （ 1） 液泛限：是指精餾過程中上升蒸汽速度的最大限。當(dāng)蒸汽上升速度過高時 ， 造成霧沫夾帶十分嚴(yán)重，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，破壞正常操作。 （ 2） 漏液限：是指精餾過程中上升蒸汽速度的最小限。當(dāng)上升蒸汽速度過低時，不能托起上層的液相，會造成漏液現(xiàn)象，精餾操作不能正常進(jìn)行，塔板效率下降。 為了防止液泛現(xiàn)象和漏液現(xiàn)象，可以通過塔壓降或者壓力差來監(jiān)視氣相速度，一般控制氣相速度在液泛附近略小于液泛點比較好。通常在塔頂與塔釜間裝有測量壓差的儀表，有的還裝有報警裝 置。 （ 3） 壓力限：一般是指最大操作壓力限。就是說塔的操作壓力不能過大，否則會影響塔內(nèi)汽液平衡，容器的安全無法保證，嚴(yán)重越限時甚至?xí)绊懙桨踩a(chǎn)。 （ 4） 正常傳熱 臨界溫度限：主要是指再沸器兩側(cè)的溫差限度，當(dāng)這一溫差高于臨界溫差時，給熱系數(shù)會急劇下降，傳熱量也會隨之下降，不能保證塔的正常傳熱需求。同時，為了保證精餾過程中的 需要，也要有合適的回流溫度。 3． 控制精餾塔平穩(wěn)操作 為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須將進(jìn)塔之前的主要可控干擾盡可能的克服，同時盡可能緩和一些不可控的主要干擾。例如：可設(shè)置進(jìn)料的溫度控制 、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 加熱劑和冷卻劑的壓力控制、進(jìn)料量的均勻控制系統(tǒng)等?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定，對精餾過程的平衡操作是十分必要的。 4． 控制能耗和經(jīng)濟(jì)效益 石油化工的能耗約占全國工業(yè)總能耗的 15%，而精餾過程的能耗要占整個石油化工行業(yè)總能耗的 40%，因此，必須要做好精餾過程的節(jié)能。精餾過程的能量消耗主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗，精餾塔和附屬設(shè)備及管線也要散失一部分能量。 此外，精餾過程必須從經(jīng)濟(jì)效益來衡量，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，能量消耗盡可能要小，經(jīng)濟(jì)效益要盡可能的大 [2]。 精餾過程的基本自動控制 1． 被控變量和操縱變量的配對選擇 精餾過程有多個被控變量和多個操縱變量，合理選擇它們的配對，能有效地減少系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，并能使精餾塔的平穩(wěn)操作。 被控變量和操縱變量配對選擇有三條準(zhǔn)則：（ 1）當(dāng) 只需要控制塔的一端產(chǎn)品時，應(yīng)選用物料