【正文】 精餾塔精餾段溫度控制設(shè)計方案石油化工生產(chǎn)常需將液體混合物分離以達到提純或回收有用組分的目的。分離互溶液體混合物有許多種方法，精餾是在煉油、化工等眾多生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的一個傳質(zhì)過程。精餾過程通過反復(fù)的汽化與冷凝，使混合物料中的各組分分離，分別達到規(guī)定的純度。精餾塔的控制直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量消耗，因此精餾塔的自動控制問題長期以來一直受到人們的高度重視[1]。精餾過程是由精餾裝置來實現(xiàn)的，精餾裝置一般是由精餾塔、再沸器（重沸器）、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。 實際生產(chǎn)過程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。石油化工等大型生產(chǎn)過程主要采用的連續(xù)精餾。 精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸溜的原理是蒸氣由塔底進入。蒸發(fā)出的氣相與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點)組分不斷地向氣相中轉(zhuǎn)移，氣相中的難揮發(fā)(高沸點)組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，氣相愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，從而達到組分分離的目的。由塔頂上升的氣相進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，加熱蒸發(fā)成氣相返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取出。精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量過程，其內(nèi)在機理復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題[1]。2. 課題研究的現(xiàn)狀 隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化方面發(fā)展，對操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制，采用傳統(tǒng)的單回路PID控制往往不能達到控制要求，為此，需要在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采取其他設(shè)施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，也稱多回路控制系統(tǒng)。在這種控制系統(tǒng)中，或是由多個測量值、多個控制器；或是有多個測量值、一個控制器、一個補償器或一個解耦器等組成多個回路的控制系統(tǒng)。如串級控制系統(tǒng)、補償控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)和解耦控制系統(tǒng)等。3. 課題研究的內(nèi)容 本文的研究任務(wù)是精餾塔精餾段的控制方案以及建模與仿真研究。首先，本文簡述了精餾塔的一些基本概述以及本設(shè)計所選的精餾塔的塔型；其次，熟悉板式精餾塔分離苯甲苯的工作原理及工藝流程，通過對精餾塔精餾段的控制分析，綜合控制要求和擾動等各方面因素考慮，采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)；再次，由于精餾塔屬于多輸入多輸出、大滯后和擾動較大的系統(tǒng)，簡單控制系統(tǒng)就很難控制，無法滿足控制系統(tǒng)的控制要求，而串級控制系統(tǒng)在改善復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)方面具有較大的優(yōu)勢，所以本文采用串級控制系統(tǒng)來對精餾塔精餾段的溫度進行控制；最后，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB進行仿真，對精餾塔精餾段中的控制方案進行分析，得出結(jié)論。第1章 苯甲苯精餾塔概述 苯甲苯精餾塔在化工生產(chǎn)中的作用和地位 精餾塔是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)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(zhì)及傳熱的目的?？稍诰s塔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。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，精餾塔的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報道，精餾塔的投資費用占整個工藝設(shè)備投資費用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。因此，精餾塔的設(shè)計和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。 苯甲苯精餾塔的分類及一般構(gòu)造 苯甲苯精餾塔經(jīng)過長期發(fā)展，形成了型式繁多的結(jié)構(gòu)，以滿足各方面的特殊需要。為了便于研究和比較，人們從不同的角度對苯甲苯精餾塔進行分類。例如：按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔和干燥塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動過程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分類的。但是長期以來，最常用的分類是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類，還有幾種裝有機械運動構(gòu)件的塔。 在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過塔盤上的液層使兩相密切接觸，進行傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。 在填料塔中，塔內(nèi)裝填一定段數(shù)和一定高度的填料層，液體沿填料表面呈膜狀向下流動，作為連續(xù)相的氣體自下而上流動，與液體逆流傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。人們又按板式塔的塔盤結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料，細(xì)分為多種塔型。裝有機械運動構(gòu)件的塔，也就是有補充能量的塔，常被用來進行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動塔和轉(zhuǎn)盤塔用得較多。 苯甲苯精餾塔的構(gòu)件，除了種類繁多的各種內(nèi)件外，其余構(gòu)件則是大致相同的。 （1）塔體 塔體是苯甲苯精餾塔的外殼。常見的塔體是由等直徑、等壁厚的圓筒和作為頭蓋和低蓋的橢圓形封頭所組成。隨著化工裝置的大型化，漸有采用不等直徑、不等壁厚的塔體。塔體除滿足工藝條件（如溫度、壓力、塔徑和塔高等）下的強度、剛度外，還應(yīng)考慮風(fēng)力、地震、偏心載荷所引起的強度、剛度問題，以及吊裝、運輸、檢驗、開停工等的影響。對于板式塔來說，塔體的不垂直度和彎曲度，將直接影響塔盤的水平度（這指標(biāo)對板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計、制造、檢驗、運輸和吊裝等各個環(huán)節(jié)中，都應(yīng)嚴(yán)格保證達到有關(guān)要求，不使其超差。 （2）塔體支座 塔體支座是塔體安放到基礎(chǔ)上的連接部分。它必須保證塔體坐落在確定的位置上進行正常的操作。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強度和剛度，能承受各種操作情況下的全塔重量，以及風(fēng)力、地震等引起的載荷。最常用的塔體支座是裙式支座（簡稱為“裙座”）。 （3）除沫器 除沫器用于捕集夾帶在氣流中的液滴。使用高效的除沫器，對于回收貴重物料、提高分離效率、改善塔后設(shè)備的操作狀況，以及減少對環(huán)境的污染等，都是非常必要的。 （4）接管 苯甲苯精餾塔的接管是用以連接工藝管路，把苯甲苯精餾塔與相關(guān)設(shè)備連成系統(tǒng)。按接管的用途，分為進液管、出液管、進氣管、出氣管、回流管、側(cè)線抽出管和儀表接管等。 （5）人孔和手孔 人孔和手孔一般都是為了安裝、檢修檢查和裝填填料的需要而設(shè)置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的設(shè)置要求。 （6）吊耳 苯甲苯精餾塔的運輸和安裝，特別是在設(shè)備大型化后，往往是工廠基建工地上一項舉足輕重的任務(wù)。為起吊方便，可在苯甲苯精餾塔上焊以吊耳。 （7）吊柱 在塔頂設(shè)置吊柱是為了在安裝和檢修時，方便塔內(nèi)件的運送。 本設(shè)計所選的板式塔的塔型及其要求與特點作為主要用于傳質(zhì)過程的精餾塔，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，精餾塔還得考慮下列各項要求。 （1） 生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。 （2） 操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)苯甲苯精餾塔的氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作。并且苯甲苯精餾塔應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。 （3） 流體流動的阻力小，即流體通過苯甲苯精餾塔的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以降低經(jīng)常操作費用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。 （4） 結(jié)構(gòu)簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過程中的投資費用。 （5） 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。事實上，對于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述的所有要求，僅是在某些方面具有獨到之處。人們對于高效率、生產(chǎn)能力大、穩(wěn)定操作和低壓力降的追求，推動著苯甲苯精餾塔新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。板式塔是分級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類繁多。根據(jù)目前國內(nèi)外實際使用的情況，主要塔型是浮閥塔、篩板塔及泡罩塔。20世紀(jì)50年代起，浮閥塔已大量用于工業(yè)生產(chǎn)，以完成加壓、常壓、減壓下的精餾、吸收、脫吸等傳質(zhì)過程。大型浮閥塔的塔徑可達10m，塔高達83m，塔板數(shù)有數(shù)百塊之多。浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要的改進是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。國外浮閥塔徑，大者可達10m，塔高可達80m，板數(shù)有的多達數(shù)百塊。浮閥塔之所以廣泛應(yīng)用，是由于它具有下列特點。 （1） 處理能力大 浮閥在塔盤上可安排得比泡罩更緊湊。因此浮閥塔盤的生產(chǎn)能力可比圓形泡罩塔盤提高20％～40％。 （2） 操作彈性大 浮閥可在一定范圍內(nèi)自由升降以適應(yīng)氣量的變化，而氣縫速度幾乎不變，因之能在較寬的流量范圍內(nèi)保持高效率。它的操作彈性為3～5，比篩板和舌形塔盤大得多。 （3） 塔板效率高 由于氣液接觸狀態(tài)良好，且蒸氣以水平方向吹入液層，故霧沫夾帶較少。因此塔板效率較高，一般情況下比泡罩塔高15％左右。 （4） 壓力降小 氣流通過浮閥時，只有一次收縮、擴大及轉(zhuǎn)彎，故干板壓力降比泡罩塔低。在常壓塔中每層塔盤的壓力降一般為400～。浮閥的型式很多，國內(nèi)已采用的浮閥，如V1型、V4型、V6型、十字架型和A型，其中常用的是V1型和V4型。本設(shè)計所選的苯甲苯精餾塔為浮閥板式塔，浮閥塔盤操作時的氣液流程和泡罩塔相似；蒸氣自閥孔上升，頂開閥片，穿過環(huán)形縫隙，以水平方向吹入液層，形成泡沫。浮閥能夠隨著氣速的增減在相當(dāng)寬廣的氣速范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)、升降，以保持穩(wěn)定操作。第2章 苯甲苯精餾塔的工藝生產(chǎn)流程 精餾原理 所謂精餾，就是把一定濃度的溶液送到精餾裝置中，使之不斷進行部分冷凝和部分汽化，從而得到預(yù)期的塔頂與塔底產(chǎn)品的一種操作過程。精餾操作迫使混合物的氣、液兩相在精餾塔體中作逆向流動，在互相接觸過程中，液相中的輕組分逐漸轉(zhuǎn)入氣相，而氣相中的重組分則逐漸進入液相。精餾過程本質(zhì)上是一種傳質(zhì)過程，也伴隨著傳熱。在此過程中，大致需要如下設(shè)備：①精餾塔；②冷凝器；③再沸器；④回流罐；⑤回流泵[3]。石油化工行業(yè)中的精餾裝置大多采用的事連續(xù)運行的方式。 連續(xù)精餾裝置流程圖連續(xù)精餾的具體運行流程如下：①原料從進料板(即為精餾塔中段的某塊塔板)上進入，進料板將整個精餾塔分為精餾段(進料板以上的部分)和提餾段(進料板以下的部分)；②溶液進入精餾塔之后，因各組分具有不同的沸點，從而導(dǎo)致低沸點低組分(即易揮發(fā)組分)汽化較易而往上升騰，而高沸點組分(即難揮發(fā)組分)則大多隨著液體向下流。并和精餾塔內(nèi)上升的蒸汽在各層塔板上進行充分接觸，從而進行傳熱、傳質(zhì)過程：③向F流的液體到達塔釜之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔底產(chǎn)品。部分經(jīng)加熱汽化之后又返回到精餾塔中；④精餾塔內(nèi)的上升蒸汽依次經(jīng)過全部塔板，從而使蒸汽中的易揮發(fā)組分的濃度逐漸增高，上升至塔頂?shù)恼羝诶淠髦斜焕淠蔀橐后w，經(jīng)過回流泵和回流罐之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔頂產(chǎn)品，部分則作為塔內(nèi)冷卻液而被引回至頂部塔板上，這一過程稱為回流[2]。 精餾裝置的作用（1）精餾段的作用 加料版以上的塔段為精餾段，其作用是逐板增加上升氣相中的易揮發(fā)組分的濃度。（2） 提餾段的作用 包括加料版在內(nèi)的以下塔板為提餾段，其作用是逐板提取下降的液相中易揮發(fā)組分。（3） 塔板的作用 塔板是供氣液兩相進行傳質(zhì)和傳熱的場所。每一塊塔板上氣液兩相進行雙向傳質(zhì)，只要有足夠的塔板數(shù)，就可以將混合液分離成兩個較純凈的組分。（4） 再沸器的作用 其作用是提供一定流量的上升蒸氣流。（5） 冷凝器的作用 其作用是提供塔頂液相產(chǎn)品并保證有適當(dāng)?shù)囊合嗷亓鳌；亓髦饕a充塔板上易揮發(fā)組分的濃度，是精餾連續(xù)定態(tài)進行的必要條件。精餾是一種利用回流使混合液得到高純度分離的蒸餾方法。 苯甲苯分離的工藝流程冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器苯的儲罐苯　　回流原料原料罐原料預(yù)熱器精餾塔　　回流再沸器 塔底產(chǎn)品冷卻器甲苯的儲罐甲苯 苯甲苯分離工藝流程示意圖℃，℃，在常溫下是一種無色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。苯比水密度低，但其分子質(zhì)量比水重。苯難溶于水，；但苯是一種良好的有機溶劑，溶解有機分子和一些非極性的無機分子的能力很強。 甲苯是最簡單，最重要的芳烴化合物之一。在空氣中，甲苯只能不完全燃燒，火焰呈黃色。甲苯的熔點為95 ℃，沸點為111 ℃。甲苯帶有一種特殊的芳香味（與苯的氣味類似），在常溫常壓下是一種無色透明，清澈如水的液體，密度為0．866克／厘米3，對光有很強的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯幾乎不溶于水(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，丙酮和大多數(shù)其他常用有機溶劑中也有很好的溶解性。甲苯的粘性為0,6 mPa s，也就是說它的粘稠性弱于水。 kJ/kg，閃點為4 ℃，燃點為535 ℃。 分離苯和甲苯，可以利用二者沸點的不同，采用塔式設(shè)備改變其溫度，使其分離并分別進行回收和儲存。 首先，苯和甲苯的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進入苯的儲罐，