【文章內(nèi)容簡介】 ............................ 27 第一節(jié) 系統(tǒng)仿真技術(shù)的概述 ................................................................................................ 27 第二節(jié) MATALAB 簡介 ........................................................................................................ 27 第三節(jié) SIMULINK 的簡介 .................................................................................................... 28 第四節(jié) 使用 MATLAB 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真 ...................................................................... 29 結(jié) 論 ............................................................................................................................................ 34 致 謝 ............................................................................................................................................ 35 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................ 36 附 錄 ............................................................................................................................................ 38 一、英文原文 ............................................................................................................................ 38 二、英文翻譯 ............................................................................................................................ 41 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 現(xiàn)代工業(yè)高速運(yùn)轉(zhuǎn) ， 塔設(shè)備的也不斷出現(xiàn)和更新?lián)Q代，過去的許多塔設(shè)備在控制方面達(dá)不到要求而被淘汰。在對(duì)塔設(shè)備控制中，溫度是一個(gè)最重要的過程變量，可以說是精餾塔生產(chǎn)的命脈所在。可是，用尋常的溫度控制的方法，受潛力所限，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的高性能需求。人們開始用串級(jí)控制對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制簡單、方便、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，且可以大幅度提高被測(cè)量溫度的要求指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的 數(shù)量和質(zhì)量，使得企業(yè)不被高速發(fā)展的工業(yè)時(shí)代所淘汰。 70 年代以來，在工業(yè)生產(chǎn)過程的推動(dòng)下 ， 隨著電子技術(shù)領(lǐng)域飛速發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法不斷成熟的背景推動(dòng)下，精餾塔對(duì)的溫度控制正在逐漸趨于成熟化發(fā)展，且在智能化方面也取得了一定的成果。在此領(lǐng)域中日 本， 美國等國家的技術(shù)處于領(lǐng)先位置，他們已經(jīng)率先生產(chǎn)出了一些高精度且產(chǎn)品質(zhì)量很好的溫度控制產(chǎn)品 ， 已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用到了人們的日常生活中了。串級(jí)溫度控制系統(tǒng)的誕生，為現(xiàn)代工業(yè)注入了新鮮的血液。 對(duì)此，選擇精餾塔溫度控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)題目，有著實(shí)在的意義。與石油 化工、食品生產(chǎn)、日常生活以及對(duì)環(huán)境保護(hù)都有著密切的關(guān)系。精餾塔溫度控制采用一種高精度的、能耗小且簡便的溫度控制系統(tǒng)將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)帶來巨大的價(jià)值。經(jīng)過這次設(shè)計(jì)能使本人對(duì)精餾塔溫度控制系統(tǒng)有初步的了解，為將來工作奠定一定的基礎(chǔ)。近幾年，國內(nèi)外都對(duì)精餾塔溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，在各國都對(duì)精餾塔溫度控制方面投入了大量研究的經(jīng)費(fèi)。精餾塔溫度控制已經(jīng)被列為未來對(duì)精餾塔控制領(lǐng)域的幾大研究方向之一 ， 具有廣闊的市場(chǎng)前景。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一章 緒 論 第一節(jié) 課題研究的背景和意義 精餾 是一種利用回流使液體混合物得到高純度分離的蒸餾方法，是工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用的最廣的液體混合物分離的方法，主要用于石油、化工、輕丁、食品、冶金等部門。精餾按照操作方法的不同進(jìn)行分類。根據(jù)操作方法，可分為連續(xù)精餾和間歇精餾這兩種 。根據(jù)混合物的組分?jǐn)?shù)，可分為二元精餾和多元精餾 ； 根據(jù)是否在混合物中加入影響汽液平衡的添加劑，可分為普通精餾和特殊精餾 （ 包括萃取精餾、恒沸精餾和加精餾 ） 根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可將塔設(shè)備分為兩大類 ： 板式塔和填料塔板式塔 ， 塔內(nèi)沿塔高裝有若干層塔板，相鄰兩板有一定的間隔距離。塔內(nèi)氣、液兩相在 塔板上互相接觸，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)，屬于逐級(jí)接觸式塔設(shè)備。填料塔 ： 塔內(nèi)裝有填料，氣液兩相在被潤濕的填料表面進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)，屬于連續(xù)接觸式塔設(shè)備。若精餾過程伴有化學(xué)反應(yīng)，則稱為反應(yīng)精餾。原理雙組分混合液的分離是最簡單的精餾操作。典型的精餾設(shè)備是連續(xù)精餾裝置，包括精餾塔、再沸器、冷凝器等。精餾塔供汽液兩相接觸進(jìn)行相際傳質(zhì)，位于塔頂?shù)睦淠魇拐魵獾玫讲糠掷淠?，部分凝液作為回流液返回塔頂，其余餾出液是塔頂產(chǎn)品。位于塔底的再沸器使液體部分汽化，蒸氣沿塔上升，余下的液體作為塔底產(chǎn)品。進(jìn)料加在塔的中部進(jìn)料中的液體和上塔段來的 液體一起沿塔下降進(jìn)料中的蒸氣和下塔段來的蒸氣一起沿塔上升，在整個(gè)精餾塔中，汽液兩相逆流接觸，進(jìn)行相際傳質(zhì)。液相中的易揮發(fā)組分進(jìn)入汽相，汽相中的難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相。對(duì)不形成恒沸物的物系，只要設(shè)計(jì)和操作得當(dāng)，餾出液將是高純度的易揮發(fā)組分，塔底產(chǎn)物將是高純度的難揮發(fā)組分。進(jìn)料口以上的塔段，把上升蒸氣中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱為精餾段；進(jìn)料口以下的塔段，從下降液體中提取易揮發(fā)組分，稱為提餾段。兩段操作的結(jié)合，使液體混合物中的兩個(gè)組分較完全地分離，生產(chǎn)出所需純度的兩種產(chǎn)品。當(dāng)使 n 組分混合液較完全地分離而取得 n 個(gè)高純度 單組分產(chǎn)品時(shí)，需要有n1 個(gè)塔。 因?yàn)閷?duì)回流技術(shù)的運(yùn)用使液體混合物精餾更加完全，得到質(zhì)量更高的產(chǎn)品。塔底高濃度且難揮發(fā)的蒸汽和塔頂高濃度易揮發(fā)的液體可以通過回流的方式返回到蒸餾塔中。這樣在塔的兩端就可以分別得到十分純凈的單組分產(chǎn)品，因?yàn)槟媪鹘佑|的氣液兩相形成了汽液回流?；亓鞅仁撬敾亓魅胨囊后w量與塔頂產(chǎn)品量的比值 [16]。精餾操作一個(gè)非常重要的重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制參數(shù)就包含的有回流比，因?yàn)榛亓鞅茸兓苯拥挠绊懥司s操作的分離效果和精餾塔的能耗。精餾操作包含了幾個(gè)重要的指標(biāo)它們分別是： ① 產(chǎn)品的純度。在板式塔中的塔板數(shù)或者是 填充塔填料層的高度，還有就是料液加入的位子和回流比等，對(duì)產(chǎn)品的純度都有一定的影響。精餾塔精餾操作中用來控制產(chǎn)品質(zhì)量最主要的方法之一就是對(duì)回流比的調(diào)節(jié)。② 組分回收率。它的定義為產(chǎn)品中組分的含有量與液料中的組分含量的比值 [15]。 ③ 操作的總費(fèi)用。它包含了冷凝器的冷卻費(fèi)用、再沸器的加熱費(fèi)用以及設(shè)備的維修費(fèi)，因?yàn)樯a(chǎn)過程中回流比是不確定的，這導(dǎo)致了前面兩相的費(fèi)用也會(huì)隨之變動(dòng)。除此之外，即使是使用相同的加熱量和冷卻量，加熱和冷卻的費(fèi)用都是不一樣的，它們的費(fèi)用隨著沸騰溫度和冷凝溫度的變化二變化，特別值得注意的是當(dāng)不使用 水蒸汽作為加熱劑或者不能使用空氣或者冷卻水為冷卻劑的時(shí)候，這兩項(xiàng)花費(fèi)的錢會(huì)變得非常的多。如果選擇操作的壓力適當(dāng)時(shí)，有可能避免使用高溫加熱劑或者低溫冷卻劑（或冷卻劑），但是增加了加壓或抽真空的操作費(fèi)用。 加熱回流裝置主要應(yīng)用在冷凝回流，在有機(jī)制備中用得較為廣泛，如有機(jī)物的提純、蒸餾、以及水與可溶雜質(zhì)的分離（制各蒸餾水）等等。其原理是利用它們的沸點(diǎn)不同可以使液態(tài)物質(zhì)分離，而且，在制備有機(jī)物的過程中，可以減少易揮發(fā)反應(yīng)物質(zhì)的損 失，從而提高產(chǎn)率。歐美對(duì)回流方面的控制技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先與我們國家 ，“ 點(diǎn)位控制 ” 和尋常的 PID控制是我國現(xiàn)階段應(yīng)用比較多的產(chǎn)品，但是 “ 點(diǎn)位控制 ” 和 尋 常 的 PID 控制只適合一些尋常性質(zhì)系統(tǒng)過程的控制，但是對(duì)于復(fù)雜 、 滯后以及時(shí)變過程系統(tǒng)的控制達(dá)到要求都很困難。然而，對(duì)于智能化、自適應(yīng)控制方面等高要求控制技術(shù)還是達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在國外對(duì)于儀表控制參數(shù)的自整定技術(shù)成熟產(chǎn)品已經(jīng)很多了，但是由于其技術(shù)的保密性，以及我國開發(fā)的滯后性，因此我國還沒有開發(fā)出性能比較穩(wěn)定的軟件。因此，智能化、人性化以及高精度的過程控制系統(tǒng)是國內(nèi)外發(fā)展的方向。 在金屬冶煉、食品等領(lǐng)域回流控制技術(shù)有著非常廣的應(yīng)用。如工作繁瑣、運(yùn)行慣性大、不 確定的參數(shù)以及控制滯后等都是回流控制特點(diǎn)。因此，這也導(dǎo)致在選擇控制調(diào)節(jié)器時(shí)要求非?？量?。如今，在我們國家石油化工企業(yè)存在著很多問題，比如控制精度不夠高、塔頂溫度控制偏差大，在工藝方面也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了設(shè)備的運(yùn)行成本費(fèi)變高、資源浪費(fèi)以及產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)不到要求，影響了企業(yè)的生產(chǎn)量，降低企業(yè)的收益。 在電力、化工、機(jī)械制造、冶金以及食品加工等領(lǐng)域中溫度是一個(gè)非常常見的一個(gè)控制指標(biāo)之一。因?yàn)槿藗冃枰獙?duì)各類反應(yīng)爐、熱處理爐、加熱爐以及鍋爐的爐溫進(jìn)行檢測(cè)以及控制。但是由于工況復(fù)雜、運(yùn)行慣性大、參數(shù)多變、控制滯后等特點(diǎn)， 導(dǎo)致對(duì)控制調(diào)節(jié)重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 器的要求也極為苛刻。如今在計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展和自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)下， PID 控制已經(jīng)成為運(yùn)用最多的調(diào)節(jié)控制規(guī)律。溫度控制系的發(fā)展已經(jīng)可以用迅猛來形容了，并且在智能化、參數(shù)自整定等方面面已經(jīng)有了很好的成績。溫度控制系統(tǒng)擁有很多特點(diǎn) ： ① 適應(yīng)受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的控制系統(tǒng)； ② 自適應(yīng)、智能化、參數(shù)自整定等力一面取得了卓越的成績； ③ 適應(yīng)大滯后、大慣性等復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)； ④ 計(jì)算機(jī) 軟件技術(shù)方面的應(yīng)用，對(duì)，對(duì)控制參數(shù)和特性進(jìn)行自動(dòng)整定。它能夠根據(jù)歷史記錄和控制對(duì)象的變化，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，達(dá)到了控制效果的最優(yōu)化； ⑤ 控制系統(tǒng)多數(shù)采用自校正控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工智能等技術(shù)； ⑥ 控制系統(tǒng)既有控制精度高、魯棒性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)?，F(xiàn)如今控制系統(tǒng)正向著小型化、智能化以及高精度等領(lǐng)域飛速的發(fā)展。 如今，國際上許多企業(yè)對(duì)溫度控制器進(jìn)行了更加深入、廣泛的研究，尤其是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)得到飛速發(fā)展的前提下，而且對(duì)溫度控制器的研究已經(jīng)取 得了十分滿意的成果，如智能化 PID、自適應(yīng)控制、模糊控制，使其達(dá)到了性能優(yōu)越、控制效果好，已經(jīng)在各種溫度控制系統(tǒng)和石油化工部門等相關(guān)設(shè)備的拉術(shù)改造中推廣了。 第二節(jié) 精餾塔控制的現(xiàn)狀 一、 精餾塔國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 一個(gè)國家在工業(yè)發(fā)面的水平和國防方面的實(shí)力與這個(gè)國家的化工生產(chǎn)方面水平是積極相關(guān)的。在化工產(chǎn)業(yè)里面精餾塔有著舉足輕重的作用，而我國精餾塔等設(shè)備的改造技術(shù)有很多性能和質(zhì)量很好的新型板式塔已經(jīng)成功的運(yùn)用，比如由錦西煉油化工總廠分別與石油大學(xué)和華東理工大學(xué)一起研發(fā)的 SUPERRRV1浮閥塔板裝備與浮閥 塔 板裝備的精餾塔 ， 都是在原來已經(jīng)成熟技術(shù)上進(jìn)行了更加深入的研究成果。但是根據(jù)中國的實(shí)際情況，與歐美的發(fā)達(dá)國家相比我國的塔設(shè)備的建造發(fā)展起步比較晚、質(zhì)量也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)也比較落后，因此我們要加快發(fā)展步伐，盡快趕上歐美等發(fā)達(dá)國家。 二、 國外精餾塔及其技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 因?yàn)閲獾木s塔及其技術(shù)起步早于我國，所以在技術(shù)方面領(lǐng)先與我國，國外的技術(shù)成熟。近些年在國外出現(xiàn)了一批新型的板式塔，比如美國聯(lián)合碳化物公司林德子公司主打的林德篩板和日本三井造船公司的垂直篩板， STONEWEBSTER改善研發(fā)的波紋篩板，和重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 瑞士 KUHN1公司的 SLIT篩板以及 NUTTER工程公司的專利產(chǎn)品 V型柵板等。板設(shè)備作為重要的傳熱和傳質(zhì)設(shè)備之一，板設(shè)備在各種分離過程中利用的比較多，對(duì)分離過程有著舉足輕重的作用。板式塔技術(shù)的發(fā)展方向是研發(fā)新型的塔內(nèi)件，所以研發(fā)新型的傳質(zhì)設(shè)備勢(shì)在必行。新型的傳質(zhì)設(shè)備必須具備傳質(zhì)效率高、壓降小以及通量大等特點(diǎn)。國外出現(xiàn)的分隔壁精餾塔（簡稱 DWC）是一種全熱耦合的蒸餾塔，它具有能耗低，投資少的優(yōu)點(diǎn)。早在 1933年， Luster因裂解氣分離提出了 DWC的概念，并且申請(qǐng)了專利。最簡單的隔板是在普通的精餾塔中放入一塊隔板， 這就相當(dāng)于擁有了兩個(gè)精餾塔，所以這樣在最大的程度上利用了能量，減少了能量。研究員提出當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展除了依靠傳統(tǒng)化的工業(yè)技術(shù)外，還需要依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)尋找一個(gè)給予理論的工業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)創(chuàng)新的