【正文】 ......................................................... 63 塔釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ...................................................................................... 65 冷卻水流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................................................................... 69 渦流流量計(jì)的工作原理 ................................................................................ 69 回流比自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................................................................... 70 比值系統(tǒng)組成原理 .............................................................................................. 70 工作原理 ..................................................................................................... 71 精餾塔的監(jiān)控測(cè)試點(diǎn)的確定 .................................................................................. 73 其他控制量的控制趨勢(shì)圖 ...................................................................................... 75 系統(tǒng)總貌圖 ................................................................................................. 75 塔釜壓力趨勢(shì)圖 .......................................................................................... 76 塔節(jié)溫度趨勢(shì)圖 .......................................................................................... 77 進(jìn)料溫度趨勢(shì)圖 .......................................................................................... 79 第七章 結(jié)論 ............................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。精餾塔的控制直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和 能量的消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制長(zhǎng)期以來(lái)一 直受到人們的高度重視 [1]。這些都給自動(dòng)控制的實(shí)施帶來(lái)一定困難。 精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，表現(xiàn)為： “過(guò)程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜 ” 。但在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品合格，精餾裝置 操作往往偏于保守，操作方法以及操作參數(shù)設(shè)置往往欠合理，過(guò)分離普遍存在 。因此，精餾過(guò)程的節(jié)能潛力很大，收效也極為明顯。 精餾與其他分離過(guò)程耦合的塔 (吸附 精餾耦合、結(jié)晶 精餾耦合等 )；精餾一精餾耦合的塔：熱耦精餾塔；內(nèi)部熱耦合精餾塔；分隔壁精餾塔 (Dividing wall column)簡(jiǎn)稱 DWC。其具有較長(zhǎng)死時(shí)延滯、 2 相互關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性分析復(fù)雜并困難，難以進(jìn)行變量配對(duì)，約束條件復(fù)雜等特點(diǎn)，使其成為過(guò)程控制界多年來(lái)理論研究和實(shí)踐的焦點(diǎn)。 80 年代以前，主要是常規(guī)儀表和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 (DDC)，控制算法以各種單一量的 PID 控制、比值、分程和前饋控制等為主。在硬件上將回路分散化，數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)督等功能集中化，硬件可靠性 大大提高，效果甚好，但在控制算法上無(wú)顯著改進(jìn)。在硬件上采用上位計(jì)算機(jī)和下位 DCS 相結(jié)合。使得化工生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量得到了很大的提高。 (2)考慮精餾塔節(jié)能 ， 應(yīng)用先進(jìn)控制策略控制精餾塔。 精餾塔控制 存在的問(wèn)題及最新發(fā)展 目前，大多數(shù)石化生產(chǎn)裝置都采用了 DCS 進(jìn)行控制，產(chǎn)生了較好的效益，但總的說(shuō)來(lái)， DCS 的應(yīng)用水平不高，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。這說(shuō)明在 DCS 的應(yīng) 3 用上還存在著很大的不足。它技術(shù)更新快，應(yīng)用時(shí)要考慮控制系統(tǒng)在技術(shù)上是否成熟 ，是否已有在多個(gè)行業(yè)、多個(gè)用戶中成功的使用先例。一般而言，新技術(shù)誕生時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用中的考驗(yàn)少，而成熟技術(shù)用起來(lái)非常放心，但技術(shù)先進(jìn)性上肯定差一些。 根據(jù)工藝要求所提供的控制方案，在保證生產(chǎn)安全的前提下，通過(guò)對(duì)乙烯精餾塔精餾段溫度控制，對(duì)比控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以達(dá)到最優(yōu)控制，使所研究的問(wèn)題符合要求，通過(guò)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì) ，完 成對(duì)乙烯裝置的系統(tǒng)主態(tài)、歷史趨勢(shì)和實(shí)時(shí)報(bào)警等功能的研究，使整個(gè)過(guò)程更加直觀。純 A 的沸點(diǎn)是 100℃ ，純 B 的 沸點(diǎn)是 135℃ .兩組分的混合比變化時(shí)，混合溶液的沸點(diǎn)也將隨之變化，如圖中液相曲線所示，圖中還標(biāo)出了溫度變化時(shí)，汽相組分的變化曲線 [3]。這時(shí)，于液相 共存的氣相成分比是 A 占 %， B 占 %，將這些氣體單獨(dú)冷凝后所形成的混合液體中， A 為 %， B 為 %；如果在使冷凝后的液體沸騰 ，其沸點(diǎn)為 ℃ .這時(shí)氣態(tài)成分比又變成 A 占 %， B 占 %，這樣反復(fù)的進(jìn)行上訴操作，不斷的蒸發(fā)和冷凝，最終就可以將 A 分離出來(lái)。為此，應(yīng)以塔頂或塔底一種產(chǎn)品的純度作為質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量 控制系統(tǒng)。由于目前還不能生產(chǎn)出測(cè)量滯后小、精度等級(jí)高、能在線檢測(cè)的分析儀表，所以在大多數(shù)情況下，精餾塔自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過(guò)溫度控制來(lái)間接實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，即用溫度控制系統(tǒng)代替質(zhì)量控制系統(tǒng)?？赏ㄟ^(guò)進(jìn)料的溫度控制、加熱劑和冷凝劑的壓力控制、進(jìn)料量的均勻控制等，使精餾塔的進(jìn)料參數(shù)保持穩(wěn)定或避免其劇烈波動(dòng)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定也是精餾塔平穩(wěn)運(yùn)行所必須的。例如對(duì)塔內(nèi)氣體流速的上下限限制，流速 6 過(guò)高易產(chǎn)生液泛，流速過(guò)低會(huì)降低塔板效率，尤其對(duì)工作范圍較窄的篩板塔和乳化塔的流速必須嚴(yán)格控制，通過(guò)測(cè)量和控制塔底于塔頂間的差壓，間接實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)氣體流速的檢測(cè)和控制。 (4)節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性 精餾過(guò)程消耗的能量主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻能量的消耗。 精餾塔的操作情況必須從整個(gè)經(jīng)濟(jì)收益來(lái)衡量。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在優(yōu)先保證質(zhì)量指標(biāo)的前提下，應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量高一些，能量消耗盡可能低一些。進(jìn)料 F 從精餾塔中段某一塔板進(jìn)入塔內(nèi)，這塊塔板就稱為進(jìn)料板。在精餾塔運(yùn)行過(guò)程中，影響其質(zhì)量指標(biāo)和平穩(wěn)生產(chǎn)的主要干擾有以下幾種 [4]。但是精餾塔進(jìn)料量 F 往往是由上一道生產(chǎn)工序所決定，如果一定要使精餾塔進(jìn)料量 F 恒定，就必須設(shè)置中間儲(chǔ)槽進(jìn)行緩沖。 ZF 的變化 進(jìn)料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情況決定的，對(duì)圖 所示的精餾塔來(lái)講，它是不可控的擾動(dòng)因數(shù)。當(dāng)進(jìn)料是氣液兩相混合狀態(tài)時(shí)，只有當(dāng)氣液兩相比例恒定時(shí)，恒溫進(jìn)料的熱焓值才能恒定。 當(dāng)加熱劑是 蒸氣 時(shí)，通過(guò)再沸器輸入精餾塔的熱量擾動(dòng) 往往是由蒸氣壓力變化所引起的，這一擾動(dòng)可通過(guò)在蒸氣總管 設(shè)置壓力控制來(lái)加以克服，或者通過(guò)溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 的副回路予以克服。冷卻劑的溫度一般變化較小，而流量的變化大多是由壓力波動(dòng)引起的，可采用與克服加熱劑壓力變化類似的方法進(jìn)行控制。冷凝器采用風(fēng)冷方式時(shí)，天氣聚變及晝夜溫差對(duì)精餾塔的運(yùn)行影響較大，會(huì)使回流量或回流溫度發(fā)生變化，對(duì)于這種干擾可采用內(nèi)回流控制的方法予以克服。內(nèi)回流控制，是指在精餾過(guò)程中，控制內(nèi)回流為恒定量或按某一規(guī)律變化。其他干擾比較小，可以采用輔助控制系統(tǒng)預(yù)先加以克 9 服和抑制，各種精餾塔的工作情況不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。也就是說(shuō)，塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證達(dá)到規(guī)定的程度，而另一產(chǎn)品也應(yīng)保證在規(guī)定的范圍 內(nèi) [5]。 在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。從踏頂分離出揮發(fā)度較大的關(guān)鍵組分稱為輕關(guān)鍵組分，從塔底分離出 揮發(fā)度較小的關(guān)鍵組分稱為重關(guān)鍵組分。因此，對(duì)多元組分的分離可簡(jiǎn)化為對(duì)二元關(guān)鍵組分的分離，這就大大的簡(jiǎn)化精餾操作。超過(guò)規(guī)定的產(chǎn)品是一種浪費(fèi)，因此它的售價(jià)不會(huì)太高，只會(huì)增加能耗 、降低產(chǎn)量而已。精餾塔的任務(wù)，不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量，還要有一定產(chǎn)量。此外，塔的附屬設(shè)備及管線也要散失一定的熱量和冷量?；厥章实亩x是進(jìn)料中每單位產(chǎn)品組分所能得到的可售產(chǎn)品的數(shù)量。 產(chǎn)品回收率、產(chǎn)品純度及能量消耗三者之間的定量關(guān)系可以用圖 中的曲線來(lái)說(shuō)明。曲線表明，在一定的能耗 V/F 情況下，隨著產(chǎn)品純度的提高，會(huì)使產(chǎn)品的回收率迅速下降。 圖 產(chǎn)品純度、產(chǎn)品回收率和能量消耗的關(guān)系 11 此外，從 圖 可知，在一定的產(chǎn)品純度要求下，隨著 V/F 從小到大逐步增加，剛開(kāi)始可以顯著提高產(chǎn)品的回收率。例如，由圖 可以看出，在 98%的純度下，當(dāng) V/F 從 2 增至 4 時(shí)，產(chǎn)品回收率從 14%增到 88%，增加了 74%；當(dāng) V/F 再?gòu)?4增加到 6 時(shí)，則產(chǎn)品回收率僅從 88%增加到 %，只增加了 %。然而，在一定的純度要求下，提高產(chǎn)品的回收率，必然要增加能量消耗。右此可見(jiàn)，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)。至于在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，使單位產(chǎn)品產(chǎn)量的能量消耗最低消耗或單位產(chǎn)品量的成本最低以及使綜合經(jīng)濟(jì)效益最大等，均是屬于不同目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)控制問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)的檢測(cè)和控制，克服擾動(dòng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，保證生產(chǎn)安全、持續(xù)地進(jìn)行 [6]。 12 圖 精餾塔工藝流程 13 第三章 精餾塔控制方案設(shè)計(jì) 精餾塔控制方案 不同精餾塔生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一樣，對(duì)控制的要求個(gè)不相同，因而精餾塔控制方案較多。 提餾段參數(shù)控制 當(dāng)塔底液為主要產(chǎn)品時(shí)，常采用提餾段溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，這時(shí)可選提餾段某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量。 圖 為提餾段溫度控制方案，其主要控制系統(tǒng)是以提餾段塔板溫度為被控 參數(shù)，以加熱蒸氣流量為控制變量。 采用提餾段溫度控制系統(tǒng)時(shí)，在回流量足夠大的情況下， 塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量也可以保持在規(guī)定的純度范圍內(nèi)，因此，即使塔頂產(chǎn)品質(zhì)量要求比塔底嚴(yán)格，仍然采用提餾段溫度控制系統(tǒng)。在以塔底采出液為主要產(chǎn)品，對(duì)塔底產(chǎn)品成分的要求高于對(duì)塔頂餾出液成分的要求時(shí)，往往采用提餾段溫度控制系統(tǒng)方案。 精餾段參數(shù)控制 當(dāng)以塔頂采出液為主要產(chǎn)品時(shí)，往往以精餾段的溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，這時(shí)可選精餾某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)（間接塔頂采出液的純度），以回流量QL 作為控制變量組成單回路控制系統(tǒng)，也可組成串級(jí)控制系統(tǒng)。精餾段溫度控制方案可保證塔頂產(chǎn)品的純度，當(dāng)干擾不很大時(shí)，塔底產(chǎn)品的純度變化范圍也不大 [8]。 為了抑制其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，除了主系統(tǒng)外，還設(shè)有五個(gè)輔助控制系統(tǒng)。 圖 精餾塔精餾段 溫度 控制方案 精餾段溫度控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)： 16 1） 用精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，能較迅速、直接地反映提餾產(chǎn)品品質(zhì)。 2）當(dāng)干擾首先進(jìn)入精餾段時(shí)，例如在汽車相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料產(chǎn)生的干擾首先引起精餾段和塔頂?shù)膮?shù)變化，故用精餾段溫度控制比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較迅速。可實(shí)現(xiàn)被控參數(shù)的高精度控制。為了及時(shí)、精確地檢測(cè)和控制產(chǎn)品質(zhì)量，要求溫度檢測(cè)儀表有很高的測(cè)量精度和靈敏度。 所謂靈敏板，是指出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)溫度變化最大的那塊塔板。 精餾塔的溫差控制及雙溫差控制 前面 討論的兩種控制系統(tǒng)方案都是以溫度作為被控參數(shù)這在一般的精餾塔中是可行的。這時(shí)常用溫差控制系統(tǒng)，采用溫差作為衡量精餾產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的間接參數(shù)，以提高控制質(zhì) 量，滿足工藝要求 [10]。在壓力波動(dòng)時(shí)，用溫度作為被控參數(shù)就不能很好地代表產(chǎn)品 17 的成分。由于壓力波動(dòng)對(duì)每塊塔板的溫度影響是基本相同的，只要將上述兩溫度相減，壓力的影響就消除了，這就是采用溫差來(lái)衡量質(zhì)量指標(biāo)的依據(jù)。這時(shí)塔頂（塔底）溫度實(shí)際上起參比作用，壓力變化對(duì)兩點(diǎn)溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動(dòng)的影響就基本抵消。隨著負(fù)荷增大，塔板間的壓降增大引起的溫差也將增大，溫差和組分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就要變化。下面分析雙溫差控制系統(tǒng)的工作原理。如果控制系統(tǒng)能夠使兩個(gè)參照板與兩個(gè)靈敏板之間的溫差相等，就能夠消除負(fù)荷擾動(dòng)的影響，達(dá)到質(zhì)量控制的目的，這就是雙溫差控制的依據(jù) [11]。由圖 可以看出，雙溫差控制就是分別在精餾段和提餾 上選擇溫差信號(hào)，然后將兩個(gè)溫差信號(hào)相減作為調(diào)節(jié)器測(cè)量信號(hào)（即控制系統(tǒng)的被控參數(shù)）。 乙烯精餾塔裝置的控制方案 乙烯精餾過(guò)程是傳質(zhì)、傳熱的復(fù)雜過(guò)程，各變量之間互相關(guān)聯(lián)、耦合，系統(tǒng)存在時(shí)滯性、非線性等特性，因此是一個(gè)工藝機(jī)理復(fù)雜，控制難度較大的過(guò)程。 乙烯精餾塔是將來(lái)自脫乙烷塔頂，并經(jīng)過(guò)乙炔加氫反應(yīng)后的原料氣 (內(nèi)含 C2 H C2