【正文】 首先，苯和甲苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。 kJ/kg，閃點(diǎn)為4 ℃，燃點(diǎn)為535 ℃。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(jī)溶劑中也有很好的溶解性。甲苯的熔點(diǎn)為95 ℃，沸點(diǎn)為111 ℃。 甲苯是最簡(jiǎn)單，最重要的芳烴化合物之一。苯比水密度低，但其分子質(zhì)量比水重。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。（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Ｃ恳粔K塔板上氣液兩相進(jìn)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(gè)較純凈的組分。（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。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(guò)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(guò)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(guò)程稱為回流[2]。 連續(xù)精餾裝置流程圖連續(xù)精餾的具體運(yùn)行流程如下：①原料從進(jìn)料板(即為精餾塔中段的某塊塔板)上進(jìn)入，進(jìn)料板將整個(gè)精餾塔分為精餾段(進(jìn)料板以上的部分)和提餾段(進(jìn)料板以下的部分)；②溶液進(jìn)入精餾塔之后，因各組分具有不同的沸點(diǎn)，從而導(dǎo)致低沸點(diǎn)低組分(即易揮發(fā)組分)汽化較易而往上升騰，而高沸點(diǎn)組分(即難揮發(fā)組分)則大多隨著液體向下流。在此過(guò)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]。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(dòng)，在互相接觸過(guò)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(jìn)入液相。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。浮閥的型式很多，國(guó)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。 （4） 壓力降小 氣流通過(guò)浮閥時(shí)，只有一次收縮、擴(kuò)大及轉(zhuǎn)彎，故干板壓力降比泡罩塔低。 （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。 （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。 （1） 處理能力大 浮閥在塔盤(pán)上可安排得比泡罩更緊湊。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過(guò)程中。這一改進(jìn)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(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。大型浮閥塔的塔徑可達(dá)10m，塔高達(dá)83m，塔板數(shù)有數(shù)百塊之多。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用的情況，主要塔型是浮閥塔、篩板塔及泡罩塔。人們對(duì)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(dòng)著苯甲苯精餾塔新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。 （5） 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 （4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動(dòng)力消耗，以降低經(jīng)常操作費(fèi)用。并且苯甲苯精餾塔應(yīng)保證能長(zhǎng)期連續(xù)操作。 （2） 操作穩(wěn)定、彈性大。 （1） 生產(chǎn)能力大。 本設(shè)計(jì)所選的板式塔的塔型及其要求與特點(diǎn)作為主要用于傳質(zhì)過(guò)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。為起吊方便，可在苯甲苯精餾塔上焊以吊耳。在板式塔和填料塔中，各有不同的設(shè)置要求。按接管的用途，分為進(jìn)液管、出液管、進(jìn)氣管、出氣管、回流管、側(cè)線抽出管和儀表接管等。使用高效的除沫器，對(duì)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(duì)環(huán)境的污染等，都是非常必要的。最常用的塔體支座是裙式支座（簡(jiǎn)稱為“裙座”）。它必須保證塔體坐落在確定的位置上進(jìn)行正常的操作。對(duì)于板式塔來(lái)說(shuō)，塔體的不垂直度和彎曲度，將直接影響塔盤(pán)的水平度（這指標(biāo)對(duì)板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸和吊裝等各個(gè)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)嚴(yán)格保證達(dá)到有關(guān)要求，不使其超差。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。 （1）塔體 塔體是苯甲苯精餾塔的外殼。裝有機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的塔，也就是有補(bǔ)充能量的塔，常被用來(lái)進(jìn)行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動(dòng)塔和轉(zhuǎn)盤(pán)塔用得較多。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。但是長(zhǎng)期以來(lái)，最常用的分類(lèi)是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)，還有幾種裝有機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的塔。為了便于研究和比較，人們從不同的角度對(duì)苯甲苯精餾塔進(jìn)行分類(lèi)。因此，精餾塔的設(shè)計(jì)和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，精餾塔的性能對(duì)于整個(gè)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(hù)等各個(gè)方面，都有重大的影響。可在精餾塔中完成的常見(jiàn)的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。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。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。在這種控制系統(tǒng)中，或是由多個(gè)測(cè)量值、多個(gè)控制器；或是有多個(gè)測(cè)量值、一個(gè)控制器、一個(gè)補(bǔ)償器或一個(gè)解耦器等組成多個(gè)回路的控制系統(tǒng)。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過(guò)程，其內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，動(dòng)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(duì)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(gè)極為重要的課題[1]。由塔頂上升的氣相進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。蒸溜的原理是蒸氣由塔底進(jìn)入。有板式塔與填料塔兩種主要類(lèi)型。石油化工等大型生產(chǎn)過(guò)程主要采用的連續(xù)精餾。精餾過(guò)程是由精餾裝置來(lái)實(shí)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。精餾過(guò)程通過(guò)反復(fù)的汽化與冷凝，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的純度。精餾塔精餾段溫度控制設(shè)計(jì)方案石油化工生產(chǎn)常需將液體混合物分離以達(dá)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(guò)程中廣泛應(yīng)用的一個(gè)傳質(zhì)過(guò)程。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(dòng)控制問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視[1]。 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。 精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸發(fā)出的氣相與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點(diǎn))組分不斷地向氣相中轉(zhuǎn)移，氣相中的難揮發(fā)(高沸點(diǎn))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(dá)到組分分離的目的。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?dú)堃喝〕觥?. 課題研究的現(xiàn)狀 隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方面發(fā)展，對(duì)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(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對(duì)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(dá)到控制要求，為此，需要在簡(jiǎn)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)。如串級(jí)控制系統(tǒng)、補(bǔ)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。首先，本文簡(jiǎn)述了精餾塔的一些基本概述以及本設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)精餾塔精餾段的控制分析，綜合控制要求和擾動(dòng)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(dòng)較大的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就很難控制，無(wú)法滿足控制系統(tǒng)的控制要求，而串級(jí)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(shì)，所以本文采用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)精餾塔精餾段的溫度進(jìn)行控制；最后，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，對(duì)精餾塔精餾段中的控制方案進(jìn)行分析，得出結(jié)論。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。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。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，精餾塔的投資費(fèi)用占整個(gè)工藝設(shè)備投資費(fèi)用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類(lèi)工藝設(shè)備中也屬較多。 苯甲苯精餾塔的分類(lèi)及一般構(gòu)造 苯甲苯精餾塔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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。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(dòng)過(guò)程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分類(lèi)的。 在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤(pán)，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過(guò)塔盤(pán)上的液層使兩相密切接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。 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(dòng)，作為連續(xù)相的氣體自下而上流動(dòng)，與液體逆流傳質(zhì)。人們又按板式塔的塔盤(pán)結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料，細(xì)分為多種塔型。 苯甲苯精餾塔的構(gòu)件，除了種類(lèi)繁多的各種內(nèi)件外，其余構(gòu)件則是大致相同的。常見(jiàn)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。塔體除滿足工藝條件（如溫度、壓力、塔徑和塔高等）下的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)考慮風(fēng)力、地震、偏心載荷所引起的強(qiáng)度、剛度問(wèn)題，以及吊裝、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、開(kāi)停工等的影響。 （2）塔體支座 塔體支座是塔體安放到基礎(chǔ)上的連接部分。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強(qiáng)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。 （3）除沫器 除沫器用于捕集夾帶在氣流中的液滴。 （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)。 （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。 （6）吊耳 苯甲苯精餾塔的運(yùn)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(xiàng)舉足輕重的任務(wù)。 （7）吊柱 在塔頂設(shè)置吊柱是為了在安裝和檢修時(shí)，方便塔內(nèi)件的運(yùn)送。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(xiàng)要求。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。當(dāng)苯甲苯精餾塔的氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。 （3） 流體流動(dòng)的阻力小，即流體通過(guò)苯甲苯精餾塔的壓力降小。對(duì)于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度。這可以減少基建過(guò)程中的投資費(fèi)用。事實(shí)上，對(duì)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(dú)到之處。板式塔是分級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類(lèi)繁多。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(guò)程。浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開(kāi)孔上設(shè)有浮動(dòng)的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。浮閥塔之所以廣泛應(yīng)用，是由于它具有下列特點(diǎn)。因此浮閥塔盤(pán)的生產(chǎn)能力可比圓形泡罩塔盤(pán)提高20％～40％。它的操作彈性為3～5，比篩板和舌形塔盤(pán)大得多。因此塔板效率較高，一般情況下比泡罩塔高15％左右。在常壓塔中每層塔盤(pán)的壓力降一般為400～。本設(shè)計(jì)所選的苯甲苯精餾塔為浮閥板式塔，浮閥塔盤(pán)操作時(shí)的氣液流程和泡罩塔相似；蒸氣自閥孔上升，頂開(kāi)閥片，穿過(guò)環(huán)形縫隙，以水平方向吹入液層，形成泡沫。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(jìn)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(guò)程。精餾過(guò)程本質(zhì)上是一種傳質(zhì)過(guò)程，也伴隨著傳熱。石油化工行業(yè)中的精餾裝置大多采用的事連續(xù)運(yùn)行的方式。并和精餾塔內(nèi)上升的蒸汽在各層塔板上進(jìn)行充分接觸，從而進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)過(guò)程：③向F流的液體到達(dá)塔釜之后，部分被連續(xù)引出從而成為塔底產(chǎn)品。 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。（3） 塔板的作用 塔板是供氣液兩相進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的場(chǎng)所。（4） 再沸器的作用 其作用是提供一定流量的上升蒸氣流?；亓髦饕a(bǔ)充塔板上易揮發(fā)組分的濃度，是精餾連續(xù)定態(tài)進(jìn)行的必要條件。 苯甲苯分離的工藝流程冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器苯的儲(chǔ)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(chǔ)罐甲苯 苯甲苯分離工藝流程示意圖℃，℃，在常溫下是一種無(wú)色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。苯難溶于水，；但苯是一種良好的有機(jī)溶劑，溶解有機(jī)分子和一些非極性的無(wú)機(jī)分子的能力很強(qiáng)。在空氣中，甲苯只能不完全燃燒，火焰呈黃色。甲苯帶有一種特殊的芳香味（與苯的氣味類(lèi)似），在常溫常壓下是一種無(wú)色透明，清澈如水的液體，密度為0．866克／厘米3，對(duì)光有很強(qiáng)的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯的粘性為0,6 mPa s，也就是說(shuō)它的粘稠性弱于水。 分離苯和甲苯，可以利用二者沸點(diǎn)的不同，采用塔式設(shè)備改變其溫度，使其分離并分別進(jìn)行回收和儲(chǔ)存。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開(kāi)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。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。最終，完成苯與甲苯的分離。確定