【文章內(nèi)容簡介】 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則：（ 1）當 只需要控制塔的一端產(chǎn)品時，應選用物料平衡方式控制該端產(chǎn)品的質(zhì)量。（ 2） 塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應作為操縱變量去控制塔的產(chǎn)品質(zhì)量。（ 3）當塔兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時，一般對含純產(chǎn)品較少、雜質(zhì)較多的一端采用物料平衡方式控制其質(zhì)量，對含純產(chǎn)品較多、雜質(zhì)較少的一端 采用能量平衡方式控制其質(zhì)量。 2． 精餾過程的控制方案 （ 1）按產(chǎn)品成分或物性直接控制。利用成分分析器，例如：紅外分析器、色譜儀、密度計、干點和閃點以及初餾點分析器等，分析出塔頂（或塔釜）的產(chǎn)品成分并作為被控變量，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制手段組成成分控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)按產(chǎn)品成分的直接控制。 （ 2）按照溫度間接控制。由于石油化工過程中精餾產(chǎn)品大多數(shù)是碳氫化合物的同系物，在一定塔壓下，溫度與成分之間仍有較好的對應關(guān)系，誤差較小。因此，絕大多數(shù)精餾塔在當塔壓恒定時采用溫度作為間接質(zhì)量指標。 精餾段和提餾 段的溫度控制以產(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標，根據(jù)溫度檢測點的位置不同，有塔頂（或塔釜）溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。精餾段溫度控制的操縱變量可選擇回流量或塔頂采出量。也可將塔釜采洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 出量作為操縱變量。采用塔頂溫度作為被控變量，能夠直接反映產(chǎn)品質(zhì)量，但因鄰近塔頂處塔板之間的溫度差很小，該控制方案對溫度檢測裝置提出較高要求，因此，采用塔頂溫度控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案很少采用，主要用于石油產(chǎn)品按沸點的粗級切割餾分處理。提餾段溫度控制的操縱變量可選擇再沸器加熱蒸汽量或塔釜采出量。也可將塔頂采出量作為操縱變量，但應用較少?？刂撇呗耘c精餾段溫度控制類似。 （ 3）按照溫差間接控制。采用溫差作為衡量質(zhì)量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。精密精餾時，用溫度作為被控變量就能很好地代表產(chǎn)品的成分，溫度的變化可能是成分和壓力兩個變量都變化的結(jié)果?？梢栽谒敚ɑ蛩└浇囊粔K塔板上檢測出該板溫度，再在靈敏板上也檢測出溫度，由于壓力波動對每塊塔板的溫度影響是基本相同的，只要將上述檢測到的兩個溫度相減，壓力的影響就消除了 [3]。 論文選題的目的和意義 精餾塔是化工生產(chǎn)中分離互溶液體混合物的典型分離設(shè)備。它 是依據(jù)精餾原理對液體進行分離，即在一定壓力下，利用互溶液體混合物各組分的沸點或飽和蒸汽壓不同，使輕組份（即沸點較低或飽和蒸汽壓較高的組分）汽化。經(jīng)多次部分液相汽化和部分氣相冷凝，使氣相中的輕組分和液相中的重組分濃度逐漸升高，從而實現(xiàn)分離的目的，滿足化工連續(xù)化生產(chǎn)的需要。精餾塔塔釜溫度控制的穩(wěn)定與否直接決定了精餾塔的分離質(zhì)量和分離效果，控制精餾塔的塔釜溫度是保證產(chǎn)品高效分離，進一步得到高純度產(chǎn)品的重要手段。維持正常的塔釜溫度，可以避免輕組分流失，提高物料的回收率，也可減少殘余物料的污染作用。 影響精餾塔溫度不 穩(wěn)定的因素主要是來自外界來的干擾（如進料流量，溫度及成分等的變化對溫度的影響）。一般情況下精餾塔塔釜的溫度，我們是通過控制精餾塔釜內(nèi)靈敏板的溫度來控制的。靈敏板是當外界條件或負荷改變時精餾塔內(nèi)溫度變化最靈敏的一塊塔板。以往調(diào)節(jié)只是采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器單一回路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)反應慢，時間滯后，對精餾操作而言，產(chǎn)品的純度很難保證。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它由很多級塔板組成，內(nèi)洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 在機理復雜，對控制要求又大多較高。這些都給自動控制帶來一定的困難。同時各塔工藝結(jié)構(gòu)特點有千差萬別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點， 進行自動控制方案設(shè)計和研究。精餾塔的控制最終目標是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在這個情況為了更好實現(xiàn)精餾的目標就有了提餾段溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。國外精餾系統(tǒng)發(fā)展的相當先進。國外新型板式塔的發(fā)展是將 MD塔板懸掛 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 80年代初期，國外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機器一 Higee。這種超重力離心分離機具有極為優(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。 論文的主要工作和技術(shù)線路 論文主要工作 精餾塔是一個多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機理較為復雜、動態(tài)響應遲緩、變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題。我們此次設(shè)計就是要設(shè)計一個精餾塔溫度的控制系統(tǒng)。要求當物料進入精餾塔時，塔釜的溫度可控并且溫度恒定，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。 論文的主要工作包括： 1． 進行精餾溫度控制系統(tǒng)的總體方案的制定。 2． 進行精餾溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 3． 進行精餾溫度控制系統(tǒng)的算法的研究。 4． 進行精餾溫度控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的研究。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 論文技術(shù)路線 1． PLC技術(shù) PLC技術(shù)可編程控制器（ Programmable Logical Controller）簡稱 PLC，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù) 和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展為具有邏輯判斷、定時、計數(shù)、記憶和算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及 PID回路調(diào)節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC。它具有可靠性高、模塊化組合靈活、功能強、編程方便、適應工業(yè)環(huán)境、安裝維護簡單以及運行速度快等特點。由于它具有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱（即 PLC、機器人和 CAD/CAM）之一。 2． 現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線技術(shù)根據(jù)國際電工委員會 (IEC)和美國儀表協(xié)會 (ISA)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它的關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。現(xiàn)場總線使數(shù)字通信總線一直延伸到現(xiàn)場儀表 [4]。 3． 組態(tài)軟件技術(shù) 組態(tài)軟件技術(shù)監(jiān)控軟件選取西門子 公司的 SIMATIC 件。通過 MPI方式與 PLC進行通信，實現(xiàn)不間斷的數(shù)字信息傳輸。能監(jiān)控工業(yè)流程和各個量的變化，及時作出調(diào)整以適應工業(yè)生產(chǎn)。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第 2 章 精餾 溫控系統(tǒng) 工藝流程 精餾溫控系統(tǒng)原理 混合物的分離是化工生產(chǎn)中的重要過程?；旌衔锟煞譃榉蔷辔锵岛途辔锵?。非均相物系的分離主要依靠質(zhì)點運動與流體流動原理實現(xiàn)分離。而化工中遇到的大多是均相混合物，例如，石油是由許多碳氫化合物組成的液相混合物，空氣是由氧氣、氮氣等組成的氣相混合物。 均相物系的分離條件是必須造成 一個兩相物系，然后依據(jù)物系中不同組分間某種物性的差異，使其中某個組分或某些組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移，以達到分離的目的。精餾是分離液體混合物的典型單元操作，它是通過加熱造成氣、液兩相物系，利用物系 中各組分揮發(fā)度不同的特性以實現(xiàn)分離的目的。通常，將低沸點的組分稱為易揮發(fā)組分，高的稱為難揮發(fā)組分。 根據(jù)精餾原理可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，必須同時有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時還要配原料液預熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實現(xiàn)整個操作。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔頂液相產(chǎn)品及保證有適宜的液相回流，因而使精餾能連續(xù)穩(wěn)定的進行。 精餾分離是根據(jù)溶液中各組分揮發(fā)度（或沸點）的差異，使各組分得以分離。其中較易揮發(fā)的稱為易揮發(fā)組分（或輕組分），較難揮發(fā)的稱為難揮發(fā)組分（或重組分） 。它通過汽、液兩相的直接接觸，使易揮發(fā)組分由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)組分由汽相向液相傳遞，是汽、液兩相之間的傳遞過程。 現(xiàn)取第 n 板（如下圖 ） 為例來分析精餾過程和原理。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 21 第 N 板質(zhì)量和熱量衡算圖 塔板的形式有多種，最簡單的一種是板上有許多小孔（稱篩板塔），每層板上都裝有降液管，來自下一層（ n+1 層）的蒸汽通過板上的小孔上升，而上一層（ n1 層）來的液體通過降液管流到第 n 板上，在第 n 板上汽液兩相密切接觸，進行熱量和質(zhì)量的交換。進、出第 n 板的物流有四種： 1．由第 n1 板溢流下來的液體 量為 ln1，其組成為 n1， 溫度為 tn1。 2．由第 n 板上升的蒸汽量為 Vn，組成為 yn，溫度為 tn。 3．從第 n 板溢流下去的液體量為 Ln，組成為 xn，溫度為 tn。 4．由第 n+1 板上升的蒸汽量為 Vn+1，組成為 yn+1，溫度為 tn+1。 因此，當組成為 xn1 的液體及組成為 yn+1 的蒸汽同時進入第 n 板，由于存在溫度差和濃度差，汽液兩相在第 n 板上密切接觸進行傳質(zhì)和傳熱的結(jié)果會使離開第 n 板的汽液兩相平衡（如果為理論板，則離開第 n 板的汽液兩相成平衡），若汽液兩相在板上的接觸時間長，接觸比較充 分，那么離開該板的汽液兩相相互平衡，通常稱這種板為理論板（ yn， xn 成平衡）。精餾塔中每層板上都進行著與上述相似的過程，其結(jié)果是上升蒸汽中易揮發(fā)組分濃度逐漸增高，而下降的液體中難揮發(fā)組分越來越濃，只要塔內(nèi)有足夠多的塔板數(shù)，就可使混合物達到所要求的分離純度（共沸情況除外）。 加料板把精餾塔分為二段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的難揮發(fā)組分，因而稱為精餾段。加料板以下（包括加料板）的塔，即塔的下半部完成了下降液體中難揮發(fā)組分的提濃，除去了易揮發(fā)組分，因而稱為提餾段。一個完整的精餾塔 應包括精餾段和提餾段。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 精餾段操作方程為： 1 11Dnn xRyxRR? ???? （式 21） 提餾段操作方程為： 1n n wL q F Wy x xL q F W L q F W? ???? ? ? ? （式 22） 其中， R 為操作回流比， F 為進料摩爾流率， W 為釜液摩爾流率， L為提餾段下降液體的摩爾流率， q 為進料的熱狀態(tài)參數(shù)，部分回流時，進料熱狀況參數(shù)的計算式為： mmFBPpm r rttCq ??? )( （式 23） 式中 tF——進料溫度， ℃ 。 tBP——進料的泡點溫度， ℃ 。 Cpm——進料液體在平均溫度（ tF + tBP） /2 下的比熱， J/（ mol ℃ ）。 rm——進料液體在其組成和泡點溫度下的汽化熱， J/mol。 Cpm=Cp1M1x1+Cp2M2x2 （式 24） rm=r1M1x1+r2M2x2 （式 25） 式中 Cp1， Cp2——分別為純組份 1 和組份 2 在平均溫度下的比熱容，kJ/（ kg． ℃ ）。 r1， r2——分別為純組份 1 和組份 2 在泡點溫度下的汽化熱， kJ/kg。 M1， M2——分別為純組份 1 和組份 2 的摩爾質(zhì)量， kg/kmol。 x1， x2——分別為純組份 1 和組份 2 在進料中的摩爾分率。 精餾操作涉及氣、液兩相間的傳熱和傳質(zhì)過程。塔板上兩相間的傳熱速率和傳質(zhì)速率不僅取決于物系的性質(zhì)和操作條件，而且還與塔板結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此它們很難用簡單方程加以描述。引入理論板的概念，可使問題簡化 。 所謂理論板，是指在其上氣、液兩相都充分混合 ，且傳熱和傳質(zhì)過程阻力為零的理想化塔板。因此不論進入理論板的氣、液兩相組成如何，離開該板時氣、液兩相達到平衡狀態(tài)，即兩溫度相等，組成互相平衡。 實際上，由于板上氣、液兩相接觸面積和接觸時間是有限的，因此在任洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 何形式的塔板上，氣、液兩相難以達到平衡狀態(tài)，即理論板是不存在的。理論板僅用作衡量實際板分離效率的依據(jù)和標準。通常，在精餾計算中，先求得理論板數(shù)，然后利用塔板效率予以修正，即求得實際板數(shù)。引入理論板的概念，對精餾過程的分析和計算是十分有用的 [5]。 對于二元物系，如已知其汽液平衡數(shù)據(jù)，則根據(jù)精餾塔的原料液 組成，進料熱狀況，操作回流比及塔頂餾出液組成，塔底釜液組成可由圖解法或逐板計算法求出該塔的理論板數(shù) NT。按照下式可以得到總板效率 ET，其中NP 為實際塔板數(shù)。 %1001 ??? 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