【正文】 別又不大、塔內(nèi)壓力存在波動(dòng)時(shí)，以某一點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)的控制方案不能滿足精餾工藝的精度要求。以靈敏板溫度作為被控參數(shù)有利于提高控制精度。若將溫度傳感器安 裝在塔底以上的靈敏塔板上，以靈敏板的溫度作為被控參數(shù)，可以取得滿意的檢測(cè)和控制效果。 以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接被控參數(shù)，當(dāng)分離的產(chǎn)品純度較高時(shí)，塔底溫度變化很小。 3）串級(jí)控制系統(tǒng)的流量回路對(duì)回流罐液位與壓力、精餾塔內(nèi)壓力等干擾對(duì)回流量的影響有較強(qiáng)的抑制。在以塔頂采出物為主要產(chǎn)品，對(duì)塔頂產(chǎn)品成分的純度要求 高于對(duì)塔底產(chǎn)品成分的要求時(shí)，往往采用精餾段溫度控制 系統(tǒng)方案 [9]。其中，進(jìn)料量、塔壓、塔底采出量與塔頂餾出液的控制方案與提餾段溫控時(shí)相同；再沸器加熱量應(yīng)足夠大，且維持一定，可以使精餾塔在最大負(fù)荷時(shí)，仍能保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。 圖 所示串級(jí)溫度控制系統(tǒng)是常見(jiàn)的精餾段溫度控制方案，其中回路是以 精餾段塔板溫度為被控 參數(shù)，以回流量 QL作為控制變量， QL 同時(shí)也是串級(jí)控制系統(tǒng)的副參數(shù)。串級(jí)控制系統(tǒng)雖 15 較復(fù)雜，但可迅速而有效地克服進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)，并可降低對(duì)調(diào)節(jié)閥 特性的要求，有較高的精度。 2） 當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，例如在液相進(jìn)料時(shí)，由進(jìn)料產(chǎn)生的干擾首先要引起提餾段和塔底的參數(shù)變化，故用提餾段溫度控制比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程也比 較迅速。 14 圖 精餾塔提餾段溫度控制方案 提餾段溫度控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： 1） 以提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，能較迅速、直接地反映提餾段產(chǎn)品品質(zhì)。為了抑制其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，還沒(méi)有五個(gè)輔助控制系統(tǒng)：對(duì)塔頂餾出液 QD 和塔底采出量 QW，案物料平衡關(guān)系分別設(shè)有 回流量和塔底液位控制系統(tǒng)；為保持進(jìn)料量 F 穩(wěn)定， F 進(jìn)行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均勻控制以維持 F 平衡變化；為維持塔內(nèi)壓力恒定，在塔頂設(shè)置壓力控制系統(tǒng)，控制變量一般為冷凝器的冷卻劑流量；塔頂回流量 QL 采用定植控制，而且回流量應(yīng)足夠大，以便當(dāng)精餾塔的負(fù)荷最大時(shí)，仍能保持塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)在規(guī)定的范圍內(nèi) [7]。另外，液相進(jìn)料時(shí)也常采用這類(lèi)方案，這是因?yàn)樵谝合噙M(jìn)料時(shí)，進(jìn)料量 F 的變化首先影響到塔底產(chǎn)品濃度，而塔頂或精餾塔板上的溫度不能及時(shí)地反映這種變化。下面對(duì)常見(jiàn)的幾種方案進(jìn)行分析。圖 為精餾塔裝置的工藝流程。 精餾塔裝置的工藝流程 使分餾產(chǎn)品滿足質(zhì)量要求是精餾塔控制系統(tǒng)的最終目的。其中質(zhì)量指標(biāo)是必 要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，在控制過(guò)程中應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時(shí)能量消耗盡可能低一些。可是單位產(chǎn)量的能耗最低并不等于單位產(chǎn)量的成本最低，因?yàn)闆Q定成本的不僅是能耗，還有原料的成本。 以上討論說(shuō)明，在精餾操作中主要產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，剛好達(dá)到質(zhì)量規(guī)格的情況是期望的，低于要求的純度將使產(chǎn)品不合格，而超過(guò) 純度要求會(huì)降低產(chǎn)量。然而，當(dāng) V/F 增加到一定程度以后，再進(jìn)一步增加 V/F 所得到的效果就不顯著了。純度越高，這個(gè)傾向越明顯。這是對(duì)于某一精餾塔按分離 50%兩組合分混合液作出的曲線圖，縱坐標(biāo)是回收率，橫坐標(biāo)是產(chǎn)品純度（按純度的對(duì)數(shù)值刻度），圖中的曲線是表示每單位進(jìn)料所消耗能量的等值線 （用塔內(nèi)上升蒸氣量 V與進(jìn)料量 F 之比 V/F 來(lái)表示）。數(shù)學(xué)上組分 i 的回收率定義為 ： Ri=P/Fzi 式中， P 為產(chǎn)品產(chǎn)量 ； F 為進(jìn)料流量； Zi 為進(jìn)料組分 i 的濃度 。從定性的分 析可知，要使分離所得的產(chǎn)品純度越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越大，則所消耗的能量越多 產(chǎn)品的產(chǎn)量通常用該產(chǎn)品的回收率來(lái)表示。另外，分離混合液也需要消耗一定的能 10 量，這主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗。 產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗 精餾塔的其他兩個(gè)重要控制目標(biāo)是產(chǎn)品的產(chǎn)量和能量消耗。 在精餾操作中，產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該控制到剛好能滿足規(guī)定上的要求，即處于 “卡邊 ”生產(chǎn)。以石油裂解氣分離中的脫乙烷塔為例，他的目的是把來(lái)自脫甲烷塔底部分產(chǎn)品作為進(jìn)料加以分離，將乙烷和更輕的組分從底部分離出來(lái)，比乙烷重的組分從塔底分離出來(lái)，這時(shí)，顯然乙烷是輕關(guān)鍵組分，丙烯則是重關(guān)鍵組 分。所謂關(guān)鍵組分，是指對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分。 在二元組分精餾中，情況比較簡(jiǎn)單，質(zhì)量指標(biāo)就是使塔頂產(chǎn)品中輕組分純度符合技術(shù)要求或塔底產(chǎn)品中重組分純度符合技術(shù)要求。 精餾塔的控制目標(biāo) 質(zhì)量指標(biāo) 精餾操作的目的是將混合液中各組分分離為產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)必須符合規(guī)定的要求。 通過(guò)以上幾點(diǎn)分析可以看出，進(jìn)料流量和進(jìn)料成分?jǐn)_動(dòng)是精餾塔運(yùn)行中的主要干擾，一般是不可控的。內(nèi)回流是指精餾塔精餾段上一層 塔 盤(pán)向下一層塔盤(pán)流下的液體量。 環(huán)境溫度一般變化較小。 冷卻劑吸收熱量的變化主要是由冷卻劑的壓力或溫度變化引起的，吸收熱量的變化會(huì)影響到精餾塔頂回流量或回流溫度，進(jìn)而引起精餾塔輸出熱量的變化。為了保持精餾塔的進(jìn)料熱焓值恒定，必要時(shí)可通過(guò)熱焓控制來(lái)維持進(jìn)料熱能恒定。 TF 和進(jìn)料熱焓值 QF 的變化 進(jìn)料溫度和狀態(tài)對(duì)塔的操作影響很大，一般情況下進(jìn)料溫 度是比較穩(wěn)定的，如果進(jìn)料溫 TF 度變化較大，為了維持塔內(nèi)的熱量平衡和穩(wěn)定運(yùn)行，在單相進(jìn)料時(shí) 8 采用進(jìn)料溫度控制可克服這種干擾，然而在多相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料溫度恒定并不能保證其熱焓值 QF 穩(wěn)定 。現(xiàn)在精餾工藝是盡可能減少或取消中間儲(chǔ)槽，采取在上一道工序設(shè)置液位均勻控制系統(tǒng)控制出料流量，使精餾塔的進(jìn)料流量 F 比較平穩(wěn)，避免 F 的劇烈變化。 7 圖 精餾塔物料流程圖 F 的波動(dòng) 進(jìn)料量 F 的波動(dòng) 通常是難免的，如 果精餾塔位于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的起點(diǎn)，則以采用定值控制。進(jìn)料板將精餾塔分為上下兩段，進(jìn)料板以上部分稱精餾段，進(jìn)料板以下部分稱提餾段。 精餾塔的干擾因數(shù)特性 圖 表示精餾塔物料流程圖。在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是 要控制的目標(biāo)。另外，塔和附屬設(shè)備及管道 也要散失一部分能量。精餾塔本身還有最高壓力限制，當(dāng)塔內(nèi)壓力超過(guò)其耐壓極限時(shí)，容器的安全就沒(méi)有保障。 (3)滿足約束條件 為了保證精餾產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)行，必須滿足一些參數(shù) 的極限值所規(guī)定的約 束條件。為了維持塔的物料平衡，還要控制塔頂和塔底產(chǎn)品采出量，使二者之和等于進(jìn)料量，兩個(gè)采出量變化要緩慢，以保證精餾塔的平穩(wěn)運(yùn)行；精餾塔內(nèi)的儲(chǔ)液量應(yīng)保持在限定的范圍內(nèi)。 (2)保證平穩(wěn)生產(chǎn) 為了保證精餾塔的平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)設(shè)法預(yù)先克服原料進(jìn)塔之前的主要可控干擾，同時(shí)盡可能 減緩不可控的擾動(dòng)。 質(zhì)量控制需要能直接測(cè)出測(cè)出產(chǎn)品成分的分析儀表。 圖 A,B 二組分混合物溫度 濃度曲線 5 精餾塔的控制要求及主要擾動(dòng) 精餾塔的控制要求 為了保證精餾生產(chǎn)過(guò)程安全，高效地連續(xù)進(jìn)行，精餾塔自動(dòng) 控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下幾方面的要求： (1)保證產(chǎn)品質(zhì)量 對(duì)于正常工作的精餾塔，應(yīng)當(dāng)使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個(gè)產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的純度；另一端產(chǎn)品的成分 亦應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。 設(shè)原溶液中 A 占 20%， B 占 80%，把 A、 B 混合液加熱到 ℃ 時(shí)，液體沸騰。 4 第二章 精餾塔控制 的原理和工藝要求 精餾塔分餾原理 以 A、 B 兩種液體混合物的分餾為例，在壓力一定的情況下， A、 B 二種組分混合溶液汽 —液相溫度 濃度曲線如圖 所示。此外， DCS 提供了強(qiáng)大的運(yùn)算和控制功能，如 TDC3000 系統(tǒng)提供了流量累積、溫壓補(bǔ)償?shù)仁畮追N算法功能，以及 PID 控制、比率控制等十幾種控制功能。并且存在一個(gè)使用成熟技術(shù)與使用先進(jìn)技術(shù)的矛盾。主要是 DCS 仍然是一門(mén)新型的控制系統(tǒng)，使用時(shí)要考慮它的通融性、方便性、系統(tǒng)配件性等。據(jù)專(zhuān)家們估計(jì)，當(dāng)前我國(guó)企業(yè)對(duì) DCS 的應(yīng)用能力普遍不及它的 30％。近幾年來(lái)， 對(duì)塔兩端組份控制及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析綜合成為首要研究熱點(diǎn)。 10 年來(lái)，有關(guān)精留塔控制的研究文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)，其不同時(shí)期研究熱點(diǎn)大致趨勢(shì)是： (1)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用線性多變量控制技術(shù)，自適應(yīng)、自校正控制，預(yù)測(cè)推理控制和魯棒控制算法， 進(jìn)行精餾塔預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)和魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在控制算法上，在原 PID 控制的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)智能控制、過(guò)程控制等一些先進(jìn)控制方法。 90 年代以后，開(kāi)始出現(xiàn)在 DCS 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作和高級(jí)過(guò)程控制。 80 至 90 年代，大型生產(chǎn)裝置則采用集散型控制系統(tǒng) (DCS)。 精餾塔的發(fā)展大致經(jīng)歷了下述過(guò)程 [2]。 精餾塔也是一種最常見(jiàn)且消耗能量最大的操作單元。 精餾塔控制 的研究現(xiàn)狀 精餾是化工中首選的分離過(guò)程，雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是能耗特別大，為節(jié)能，國(guó)內(nèi)外已研制出一些節(jié)能型耦合精餾塔：像反應(yīng)與精餾耦合的塔。精餾過(guò)程消耗的能量絕大部分并非用于組分分離，而是被冷卻水或分離組分帶走。作為化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的分離過(guò)程，精餾也是耗能較大的一種化工單元操作。同時(shí)各塔工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又千差萬(wàn)別，這就更需要深入分析工藝特性，進(jìn)行自動(dòng) 控制方案的設(shè)計(jì)和研究。 精餾塔是一個(gè)多輸入和多輸出的對(duì)象，它由很多級(jí)塔板組成，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制作用響應(yīng)緩慢，參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而控制要求又大多較高。 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 81 謝 辭 .............................................................................................................................. 83 附錄 1 精餾塔控制的硬件部件及其名稱清單 ...................................................... 84 附錄 2 精餾塔控制的相對(duì)應(yīng)的 I/O接口 ............................................................. 85 附錄 3 精餾塔的配置和硬件清單 ......................................................................... 87 附錄 4 精餾塔控制的所需儀表 ............................................................................ 88 1 第一章 緒 論 精餾塔控制的研究 背景及意義 精餾操作是煉油、化工生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。 DCS。 puter control system IV 目錄 精餾塔自控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................................ I 摘 要 ................................................................................................................................. I Monitoring and Controlling System Design of Distillation .....................................................II Abstract ...............................................................................................................................II Keywords: automation。 batch distillation system。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，操作方便，正確調(diào)整有關(guān)參數(shù)，就能達(dá)到較好的控制效果，具有推廣價(jià)值。 精餾塔控制系統(tǒng)采用 DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，不僅能為操作人員提供可靠的數(shù)據(jù)信息，而 且還能提供主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面，它還具有可靠的多級(jí)報(bào)警系統(tǒng)，可提示故障點(diǎn)和維修措施，同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還能從宏觀的角度調(diào)節(jié)精餾塔過(guò)程控制，使整個(gè)精餾塔系統(tǒng)從整體上協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。 I 精餾塔 自控 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 自動(dòng)化技術(shù)已成為國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)力水平的一個(gè)重要標(biāo)志，本文闡述了基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，從精餾塔控制方案入手，介紹與精餾塔相關(guān)的工藝設(shè)備、工藝流程、控制過(guò)程及 DCS 控制系統(tǒng)常識(shí)，講述了精餾塔控制系統(tǒng)所涉及到的檢測(cè)儀表及 DCS 控制裝置的基礎(chǔ)知識(shí)。重點(diǎn)說(shuō)明控制系統(tǒng)的組態(tài)、功能和控制策略，并以精餾塔工業(yè)為為例分析了自動(dòng)化技術(shù)在國(guó)內(nèi)重要工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，闡明了自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)發(fā)展中的重要作用。 由于 DCS 組態(tài)控制靈活、接口功能豐富、參數(shù)設(shè)置方便，操作界面直觀，將在乙烯精餾裝置中得到廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 ： 自動(dòng)化；精餾塔系統(tǒng)； DCS 控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) II Monitoring and Controll