【正文】 ................................................................................ 40 附 錄 ..................................................................................................... 42 外文資料翻譯 ........................................................................................ 45 洛陽理工學院畢業(yè)設計（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 嚴重沖擊已是當今不爭的事實，然而石化工業(yè)如何適應未來這種新的生產局面、參與市場競爭已經成為極為嚴重的問題，降低加工成本、提高經濟效益、提高產品質量和開發(fā)高附加值的精細化工產品已成為當 今中國石化工業(yè)面臨的緊要工作 。 而精餾系統又是石化工業(yè)的重中之重。 從精餾設備的歷史發(fā)展來看，精餾技術與石油、化學加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進步的發(fā)展關系。精餾技術的任何進步，都會極大刺激化學加工工業(yè)的技術發(fā)展，同樣在石油、化學加工工業(yè)發(fā)展的每一個歷史階段都會對精餾設備技術提出更高的要求。然而精餾塔溫度控制系統更是精餾工藝的重要部分。 精餾塔溫度控制系統主要由 PLC控制程序和 WINCC人機監(jiān)控界面實現塔內溫度的實時調節(jié)與監(jiān)控。在精餾塔產品的分餾過程中 ， 溫度是一個最為關 鍵的控制量。當塔底溫度過高且 塔頂溫度過低時 ， 過多的原料會以氣體的形式蒸發(fā)反之 ， 當塔底的溫度過低時 ， 則會成過多的釜殘 ， 導致物料損耗大 。 國外精餾系統發(fā)展的相當先進。 國外新型板式塔的發(fā)展是將 MD塔板的懸掛 降液管技術移植到常規(guī)板式塔上，增加了塔板的鼓泡面積，提高了塔設備的處理能力。在 20世紀 80年代初期 ， 國外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質機器一 Higee。這種超重力離心分離機具有極為優(yōu)良的傳質效率和處理能力特性。 目前 ， 國內精餾塔設備的溫度控制系統一般采用溫控儀 +繼電器進行控制 ， 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。該控溫系統具有控溫精度高和硬件簡單的特點。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 2 第 1 章 緒 論 精餾塔的發(fā)展過程 精餾塔簡介 精餾 塔設備是化工、石油化工和煉油等生產中最重要的的設備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。可在塔設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 和傳熱的增濕、減濕等 。 從精餾設備的歷史發(fā)展來看，精餾技術與石油、化學加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進步的發(fā)展關系。精餾技術的任何進步，都會極大刺激化學加工工業(yè)的技術發(fā)展，同樣在石油、化學加工工業(yè)發(fā)展的每一個歷史階段都會對精餾設備技術提出更高的要求 。 精餾塔的發(fā)展過程 塔設備的廣泛應用是伴隨著十九世紀初期迅猛發(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。 泡罩塔板對設計水平要求不高、對各類操作的適應能力強、對操作控制要求低等特性在當時被認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)，是出現較早并獲得廣泛應用的一種塔型。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)，當時的填料是碎磚瓦、小石塊和管子縮節(jié)等。 20世紀初，隨著煉油工業(yè)的發(fā)展和石油洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 3 化學工業(yè)的興起，塔設備開始被廣泛采用，并逐漸積累了有關設計、制造、安裝、操作等方面的數據和經驗。當時，煉油工業(yè)中多 用泡罩塔，無機酸堿工業(yè)則以填料塔為主，則篩板塔因當時尚無精確的設計方法和操作經驗，故未能廣泛使用。 2． 階段 II (50～ 70年代 )： 浮閥塔板的開發(fā) FRI的成立系統化的設計方法 ， 1955年 Monsanto公司的 Bolles發(fā)表了著名的 “ 泡罩塔板設計手冊 ” ，首先提出了科學的、規(guī)范化塔板設計技術，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，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)生的設備大型化后選擇塔型指出了方向。在此期間，許多學者總結了塔設備長期操作的經驗，并對篩板塔作 了系統研究，認為設計合理篩板塔，不僅保留了制造方便、用材省、處理能力大等優(yōu)點，而且操作負荷在較大范圍內變動時，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計方法的日趨完善，篩板塔已成為生產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研究 ， 使得填料塔的放大研究成功，在減壓塔中應用獲得極大的經濟效益和社會效益。計算機應用輔助餾塔放大效應的 研究 ， 計算塔板效率精餾過程設計。新型高性能浮閥塔板的開發(fā)及應用 。 從 20 世紀 60 年代起，由于化工機械制造業(yè)成功地解決 了高壓離心式壓縮機的轉動密封和高溫高壓廢熱鍋爐的結構強度設計等技術關鍵，使化肥和石油化工的生產，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、煉油工業(yè)向大型化方向迅速發(fā)展。據有關資料報道，煉油裝置的年處理能力也達 1000 萬噸，年產 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（如某煉油廠的減壓蒸餾塔塔徑為 ，并在醞釀設計 18m 直徑的塔），塔板數多達上百塊，塔的高度達 80 余米，設備重量有幾百噸（操作時的最大塔重可達 1500 噸）；洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 4 填料塔的最大直徑也有 15m，塔高達 100m。近年來，由于出現了世界性的能源危機，暴露出設備大型化帶來的不容忽視的問題：大型設備必須保證在全負荷下長期連續(xù)運轉，否則經濟損失將是非常巨大的。在此期間，為了滿足設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，又出現了很多新型塔盤，但按其結構特點，仍屬泡罩、篩板、浮閥、舌型等幾種典型塔型的改進或相互結合。 4． 階段 IV (80末 至今 )： 新型高性能塔板的開發(fā)及工業(yè)應用塔板設計、開發(fā)更趨于科學化的方向 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）以及它們的改進型式。屬于規(guī)整填料的有：蘇采爾填料（ Sulzer packing）、重疊式絲網波紋板填料、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化傳質的湍球塔 [ 1]。 我國塔設備技術的發(fā)展，經歷了一個漫長的過程。新中國成立以后，隨著國民經濟的發(fā)展，陸續(xù)建立了一批現代化的石油化工裝置。隨著這些裝置引進的新型塔設備，不僅在操作、使用這些設備方面提供了大量的第一手資料，還帶動了塔設備的科研、設計工作，加速了這方面的技術開發(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、金屬絲網填料等規(guī)整填料也常采用。近年來，參考國外塔設備技術的發(fā)展動向，加強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、導向篩板、網孔塔盤等，也都作了較多的研究，并推廣應用于生產。其他如大孔徑篩板、雙孔徑篩板、穿流式可調開孔率篩板、浮閥－篩板復合塔盤，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)填料的流體力學性能、傳質性能和幾何結構等方面的試驗工作，也在進行，有些已取得了一定的成果或用于生產。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 5 自動化技術在精餾塔控制系統中的應用。 自動化技術概況 自動化控制技術是綜合運用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對化學工業(yè)生產過程實現檢測、控制、優(yōu)化達到增加產量，提高質量、降低消耗、確保安全的一種綜合性技術，現已成為衡量化學工業(yè)現代化水平的重要標志是之一。 精餾過程一個非常復雜的傳質傳熱過程，其內在機理復雜，具有較長死時延滯、相互關聯的多變量系統，動態(tài)特性分析復雜且困難 ,難以進行變量配對，約束條件復雜，工藝對控制質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在精餾塔操作過程中的應用是極為重要的課題之一。 近 20年來，有關精餾過程的自動化控制技術的研究熱點大致包括：開發(fā)和應用線性多變量控制技術、自適應控制、預測控制、推理控制和魯棒控制算法，進行精餾塔自動控制系統設計；將非線性控制技術應用于精餾塔的控制；將神經網絡、模糊控制等智能控制方法應用于精餾塔；考慮精餾過程的節(jié)能設計，應用先進控制與優(yōu)化策略實現精餾塔的節(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，應用于精餾塔的控制。 精餾過程的控制目標 精餾過程的控制 目標是在保證產品質量合格的前提下，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行的，可從四個方面來衡量自動化控制技術的應用。 1． 控制產品質量 精餾塔的產品質量，是指塔頂或塔釜產品的純度要符合要求。通常，滿足一端的產品質量，即塔頂（或塔釜）產品達到規(guī)定純度，而另一端產品的純度維持在規(guī)定范圍內即可。但是，產品組分含量并非越純越好，原因是純度越高，對控制系統的控制精度要求就越高，操作成本的提高和產品的價格并不成比例增加，因此純度要求應與使用要求適應。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 為此，應當 取塔頂或塔釜的產品質量作為被控變量，這樣的控制系統稱為質量控制系統，它需要能測出產品成分的分析儀表。由于目前被測物料種類繁多，還不能相應地生產處多鐘測量滯后小而又精確的分析儀表。所以，質量控制系統目前并不多見，而是通過能間接控制質量的溫度控制系統來代替。 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，保證進出物料平衡，即塔頂、塔釜采出量應和進料量相平衡，而且兩個采出量變化要緩慢，保證上下工序之間的協調工作。為此，必須對冷凝液罐（回流罐）與塔釜液位進行控制，使其介于規(guī)定上、下限 之間。控制操作符合約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。當蒸汽上升速度過高時 ， 造成霧沫夾帶十分嚴重，出現液泛現象，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。當上升蒸汽速度過低時，不能托起上層的液相，會造成漏液現象，精餾操作不能正常進行，塔板效率下降。 為了防止液泛現象和漏液現象，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，否則會影響塔內汽液平衡，容器的安全無法保證，嚴重越限時甚至會影響到安全生產。 （ 4） 正常傳熱 臨界溫度限：主要是指再沸器兩側的溫差限度，當這一溫差高于臨界溫差時，給熱系數會急劇下降，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：可設置進料的溫度控制、洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 加熱劑和冷卻劑的壓力控制、進料量的均勻控制系統等?？刂扑葔毫Ψ€(wěn)定，對精餾過程的平衡操作是十分必要的。 4． 控制能耗和經濟效益 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，精餾塔和附屬設備及管線也要散失一部分能量。 此外，精餾過程必須從經濟效益來衡量，在保證產品質量的前提下，能量消耗盡可能要 小，經濟效益要