1 精餾裝置 制系統(tǒng)設(shè)計計劃書 一 精餾裝置的工作原理 1 精餾裝置的概述 （ 1）精餾的簡介 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(dāng)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(yīng)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)在機理復(fù)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(biāo)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(biāo)就有了提餾段溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。 精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。表現(xiàn)為：過程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過程動態(tài)和機理復(fù)雜。因此，熟悉工藝過程和內(nèi)在特性 十分重要。 2 （ 2） 精餾原理以及工業(yè)流程 精餾操作分為連續(xù)精餾和間歇精餾，本設(shè)計的研究對象是連續(xù)精餾的過程。連續(xù)精餾的流程裝置如下圖所示，其操作過程是：原料液經(jīng)預(yù)熱加熱到一定溫度后，進入精餾塔中的進料板，料液在進料板上與自塔上部下降的回流液體匯合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液體在逐板下降的同時，它與上升的蒸汽在每層塔板上相互接觸，同時進行部分汽化和部分冷凝的質(zhì)量和能量的傳遞過程。操作時，連續(xù)從再沸器中取出的部分液體作為塔底產(chǎn)品，部分液體汽化產(chǎn)生上升蒸汽，從塔底回流入塔內(nèi)出塔頂蒸汽進入冷凝器中被冷凝成液體，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回 流液體，其余部分經(jīng)冷卻器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。 圖 二 控制系統(tǒng)設(shè)計 制方案類型 精餾塔的控制目標(biāo)應(yīng)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益（利潤）最大或成本最小。具體對一個精餾塔來說，需從四個方面考慮，設(shè)置必要的控制系統(tǒng)。 （ 1）產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)控制 3 塔頂或塔底產(chǎn)品之一合乎規(guī)定的分離純度，另一端產(chǎn)品成分應(yīng)維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。在某些特定的條件下也有要求塔頂和塔底產(chǎn)品均保證一定純度的要求。 （ 2）物料平衡控制 塔頂、塔底的平均采 出量應(yīng)等于平均進料量，而且這兩個采出量的變動應(yīng)該比較緩和，以維持塔的正常平穩(wěn)操作，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。為此，必須對冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位進行控制，使其介于規(guī)定的上、下限之間。 （ 3）能量平衡控制 應(yīng)使精餾塔的輸入、輸出能量維持平衡，使塔的操作壓力維持穩(wěn)定。 （ 4）約束條件控制 為保證精餾塔正常而安全地運行，必須使某些操作限制在約束條件之內(nèi)。常用的精餾塔限制條件有液泛限、漏液限、壓力限和臨界溫差限等。所謂液泛限也稱氣相速度限，即塔內(nèi)氣相上升速度過高時，霧沫夾帶十分嚴重，實際上液相將從下面塔板倒流到上 面塔板，產(chǎn)生泛液，破壞正常操作。漏液限也稱最小氣相上升速度限，當(dāng)氣相上升速度小于某一數(shù)值時，將產(chǎn)生塔板漏液，板效率會下降。防止液泛和液漏，可通過塔壓降或壓差來監(jiān)視氣相速度，一般控制氣相速度在液泛附近略小于液泛點較好。 壓力限是指塔的操作壓力限制，一般是最大操作壓力限，就是說塔的操作壓力不能過大，否則會影響塔內(nèi)的汽液平衡，嚴重超限甚至?xí)绊懙桨踩a(chǎn)。 臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)的溫差限度，當(dāng)這一溫差高于臨界溫差時，給熱系數(shù)會急劇下降，傳熱量會隨之下降，將不能保證塔的正常傳熱的需要。 回路控制系 統(tǒng)簡介 單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型 單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)。是指由一個被控對象，一個檢測元件及變送器一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。其方框圖如圖 2回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于分析設(shè)計，投資少，便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此，在生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。 設(shè)計一個控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對被控對做全面的了解。除被控對象的動態(tài)特性為，對于手工藝過程，設(shè)備等也需要比較深入的了解。在此基礎(chǔ)上，確定正確的控制方，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件 及檢測位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行器，調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律等。最后將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值 4 圖 2單回路控制系統(tǒng)的選用原則主要有： 信號最好是能夠直接測量獲得，并且測量和變送環(huán)節(jié)的滯后也要??； 選擇與之有單函數(shù)關(guān)系的見解參數(shù)作為被控變量； 須是獨立的變量。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系確定； 須考慮工藝和理性，以及目前儀表的現(xiàn)狀能否滿足要 求。 餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案 當(dāng)精餾塔頂采出液作為主要產(chǎn)品時，往往按精餾塔精餾段指標(biāo)進行控制。采用精餾段指標(biāo)控制的具體場合有：對塔頂產(chǎn)品成分的要求比對塔底產(chǎn)品成分的要求嚴格；全部為氣相進料；塔底或提餾段溫度不能很好反映組分的變化，即組分變化時，提餾段塔板溫度變化不顯著，或進料含有比塔底產(chǎn)品更重的影響溫度和成分關(guān)系的重雜質(zhì)。 通常，精餾段的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類：直接的產(chǎn)品成分信號和間接的溫度信號。采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，對于二元精餾塔，當(dāng)塔壓恒定時，溫度 與成分之間有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此，常用溫度作為被控變量。對于多元精餾塔。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(yīng)關(guān)系，誤差較小。因此，絕大多數(shù)精餾塔精餾段質(zhì)量控制仍采用溫度作為間接指標(biāo)。 餾段溫度控制系統(tǒng)溫度檢測點選擇 5 根據(jù)溫度檢測點的位置不同，有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。 塔頂溫度控制方案對溫度檢測裝置提出較高要求，產(chǎn)品中的雜質(zhì)影響產(chǎn)品的沸點，造成對溫度的擾動，因此，該控制方案很少采用，主要用于石油產(chǎn)品按沸點的粗級切割餾分處理。 采用精餾段靈敏板溫度作為被控變量，能夠快速反映產(chǎn)品成分的變化。該塔板在擾動正反向變化時具有相接近的較大的增益。但是塔板效率不易準(zhǔn)確估計，而且靈敏板位置需通過仿真計算或?qū)崪y確定。 中溫通常指加料板稍上或稍下的塔板，或加料板的溫度。采用中溫作為被控變量，可以兼顧塔頂和塔底成分，及時發(fā)現(xiàn)操作線的變化。但因不能及時反映塔頂或塔底產(chǎn)品的成分，因此，不能用于分離要求較高、進料濃度變化較大的應(yīng)用場合。 綜合比較，本系統(tǒng)采用靈敏板溫度作為被控變量比較方便和貼近實際生產(chǎn)情況。 三 精餾塔精餾段溫度單回路控制系 統(tǒng)設(shè)計 精餾塔有多個被控變量和操作變量，合理的將這些變量配對，并依此設(shè)計控制系統(tǒng)有利于精餾塔的平穩(wěn)操作和塔效率的提高。關(guān)于精餾塔控制的三條準(zhǔn)則 用物料平衡方式；塔兩端產(chǎn)品流量較小時，應(yīng)作為操作變量去控制兩端產(chǎn)品質(zhì)量；如果兩端都進行質(zhì)量控制時，雜質(zhì)較多的一端采用物料平衡控制，雜質(zhì)較少的一端采用能量平衡控制。 如下圖 2精餾塔精餾段直接物料平衡控制。該方案的被控變量是精餾段的溫度，操縱變量為塔頂出液 D，加熱氣量不變。優(yōu)點是物料和能量平衡之間的關(guān)聯(lián)較小，內(nèi)回流受環(huán)境溫度影響 小，有利于精餾塔的平穩(wěn)操作，另外，由于操縱變量是 D，所以，若產(chǎn)品不合格則可以馬上停止進料。 圖 2餾塔精餾單回路控制圖 6 四 計算機控制系統(tǒng)基本介紹 算機控制系統(tǒng)的基本組成 計算機控制系統(tǒng)的基本組成如圖所示 ： 接數(shù)字控制系統(tǒng) 7 件體系結(jié)構(gòu) 控制站卡件位于控制站機籠內(nèi)，主要由控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和 I/O 卡件組成?？匆欢ǖ囊?guī)則組合在一起，完成信號采集、信號處理、信號輸出、控制、計算、通信等功能。總體設(shè)計思路如圖所示： 8 五 統(tǒng)的配置與說明 制系統(tǒng)總控制圖 9 總圖能夠清晰直觀的知道各環(huán)節(jié)的作用目的： 10 11 （ 1）系統(tǒng)硬件：系統(tǒng)機柜尺寸為 2100 800 600 系統(tǒng)機柜容量為 4個電源模塊， 4個 I/2個網(wǎng)絡(luò)交換機。 （ 2）系統(tǒng)機籠：每個 I/O 機籠有 20個槽位， 2個主控卡槽位， 2個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡槽位， 16個 I/ （ 3）系統(tǒng)的電源：系統(tǒng)供電需要兩路交流供電，冗余配電，其中一路為通過 外一路為市電，通常 源模塊給 I/O 機籠供電，為 5V,24 (4)系統(tǒng)操作站硬件： ) 6 路電流輸入卡； ) 6 路電壓輸入卡； ) 4 路熱電偶信號輸入卡； O） 4路模擬信號輸出卡； ) 8 路觸點型開入卡； O） 8路晶體管接點開出卡。 （ 5）卡件排布規(guī)范： 卡件的配置規(guī)范 1 所有卡件的備用通道必須組上空位號，空位號的命名原則如下： 模入點采用“ *” ，描述采用“ 備用” 。 模出點采用“ *” ，描述采用“ 備用” 。 開入點采用“ *” ，描述采用“ 備用” 。 開出點采用“ *” ，描述采用“ 備用” 。 “ *” 中第一位為主控卡地址，第二位為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡地址，第三位為卡件地址，第四位為通道地址，地址為整數(shù)。 2 信號點分配到各控制站遵循如下原則： 同一工段的測點盡量分配在同一控制站。 同一控制回路需要使用到的測點必須分配在同一控制站。 同一聯(lián)鎖條件需要使用到的測點必須分配在 同一控制站。 按照標(biāo)準(zhǔn)測點清單進行信號點分配及測點統(tǒng)計。 條件允許下，在同一個控制站中留有幾個空余槽位，為設(shè)計更改留余量。 3同一控制站測點的分配遵循如下原則： 模入測點按照測點類型順序排布。按照溫度（ 流量（ 分析（ I 信號 號 號 號 的順序分配信號點，信號點按字母順序從小到大排列，不同類型信號之間（溫度、壓力等）空余 23個位置，填上空位號；配電與不配電信號不要設(shè)置到不隔離的相鄰端口上，最好放置在不同卡件上。 同一類型卡件盡量放置在同一機籠中。 熱備用卡件組在同類型卡件的最后 4 操作站配置 工程師站 30，計算機名為“ ； 普通操作站 31、 132、 133 ， 計算機名為“ 、“ 、“ 。 12 1 信號卡件端子統(tǒng)計表 信號類型 點數(shù) 備用點數(shù) 卡件型號 卡件數(shù)目 配套端子板 端子板數(shù)目 模 擬 量 信 號 電流信號 7 5 電壓信號輸入卡 53 1 電阻信號 29 3 模擬量輸出信號 8 0 開 關(guān) 量 信 號 開關(guān)量輸入信號 2 6 +2+1 2 系統(tǒng)規(guī)模配置表單 主控卡 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡 型號 量 2 2 配置 (是 )冗余 （）不冗余 （是）冗余 （）不冗余 3 I/O 卡件布置圖 1 2 3 4 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 冗余 冗余 X P 2 4 3 X P 2 4 3 X P 2 3 3 X P 2 3 3 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 2 3 4 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 冗余 冗余 冗余 冗余 X P 2 4 3 X P 2 4 3 X P 2 3 3 X P 2 3 3 X P 3 1 6 X P 3 1 3 X P 3 1 3 X P 0 0 0 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 6 3 X P 3 6 2 X P X P X P X P X P X P 13 4 點配置清單 測點 信號 屬性 卡件配置 序號 位號 描述 I/O 類型 量程 單位 地址 卡件 備注 1 2000000 冗 余 2 2000001 2000002 2000003 2000004 2000005 2000100 2000101 2000102 0 2000103 1 2000104 2 2000105 3 2000200 4 2000201 5 2000202 6 2000203 7 2000204 8 2000205 9 2000300 0 2000301 1 2000302 2 2000303 3 2000304 4 2000305 5 2000400 6 2000401 7 02000402 8 02000403 9 02000404 0 02000405 1 02000500 2 02000501 3 02000502 4 02000503 5 3/h 02000504 6 3/h 02000505 7 3/h 02000600 14 38 3/h 02000601 9 3/h 02000602 0 3/h 02000603 1 3/h 02000604 2 3/h 02000605 3 3/h 02000700 4 3/h 02000701 5 3/h 02000702 6 3/h 02000703 7 3/h 02000704 8 3/h 02000705 9 3/h 02000800 0 3/h 02000801 1 3/h 02000802 2 3/h 02000803 3 3/h 02000804 4 02000900 不 冗 余 55 02000901 6 02000902 7 02000903 8 02001000 9 02001001 0 02001002 1 02001003 2 02001100 3 02001101 4 02001102 5 02001103 6 02001200 7 02001201 8 02001202 9 02001203 0 02001300 1 02001301 2 02001302 3 02001303 4 02001400 5 02001401 6 02001402 7 02001403 8 02001500 9 02001501 0 02001502 15 81 02001503 2 02020000 3 02020100 冗 余 84 02020101 5 02020102 6 02020103 7 02020104 8 02020105 9 02020200 0 ；正輸出 02020400 冗 余 91 ；正輸出 02020401 2 ；反輸出 02020402 3 ；正輸出 02020403 4 ；反輸出 02020600 5 ；正輸出 02020601 6 ；反輸出 02020602 7 ；正輸出 02020603 8 O;觸點型 02020800 冗余 99 O;觸點型 02020801 00 O;觸點型 02020900 冗余 101 O;觸點型 02020901 16 系統(tǒng)組態(tài)是指在工程師站上為控制系統(tǒng)設(shè)定各項軟硬件參數(shù)的過程。 （ 1） 用于對 （ 2）系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)畫面組態(tài) 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)畫面組態(tài)是指對系統(tǒng)已定義格式的標(biāo)準(zhǔn)操作畫面進行組態(tài)，包括總貌畫面、趨勢曲線、控制分組、數(shù)據(jù)一覽 4種操作畫面的組態(tài)。 17 總貌畫面組態(tài) 趨勢畫面組態(tài) 分組畫面組態(tài) 一覽畫面組態(tài) 下面是總貌畫面設(shè)置截圖：（包括：索引畫面和數(shù)據(jù)總貌） 索引畫面： 數(shù)據(jù)總貌： 一覽畫面設(shè)置截圖： 18 分組畫面設(shè)置截圖： 19 （ 3） 統(tǒng)能對 精餾裝置 進行重要參數(shù)的顯示； 應(yīng)用色彩和閃爍變化及聲音表示各種報警信息；根據(jù) 精餾塔 制造商對控制的要求及各自運行規(guī)范， 也可以實現(xiàn) 對 各自的 回路進行自動調(diào)節(jié) 。 （ 4） 以班報的形式對所有重要參數(shù)進行二小時報表自動打?。ù蛴r間間隔可設(shè)定自行）。 （ 5） 以趨勢圖的形式對 ，并可按操作員要求隨時打印 。下面是自己做的組態(tài)報表圖： 20 （ 6）總流程圖 （ 7）總設(shè)計截圖 21 （ 1）根據(jù)設(shè)計的 件布置圖把相應(yīng)的卡件插入相應(yīng)的卡槽。 （ 2）設(shè)置地址 主控卡撥號開關(guān)狀態(tài)表 注：主控卡是通過撥號開關(guān) 中自左至右代表高位到低位， 即 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的跳線表 卡件地址 地址跳線狀態(tài)（ 冗余跳線 （ 3 1 00 N 01 N ：四對跳線 4， 接為 （ 3）設(shè)置跳線 件的跳線 卡件型號 卡件地址 卡件跳線及狀態(tài) 選擇端子板 20000 ( ) 單卡 ( )冗余 ( ) ) ) 其它 20009 ( ) 單卡 ( )冗余 負載能力跳線 ( ) ) ) 其它 20201 ( ) 單卡 ( ) 冗 余 配電跳線 ( ) ) ) 其它 20204 ( ) 單卡 ( )冗余 負載能力跳線 ( ) ) 件地址 撥號開關(guān)狀態(tài)（ 2 4 6 8 02 N 3 N 22 ( ) 其它 20206 ( ) 單卡 ( )冗余 負載能力跳線 ( ) ) ) 其它 20208 ( ) ) ) 其它 20209 ( ) ) ) 其它 實驗運行軟件，運行界面如圖所示： 23 如下是 統(tǒng)的實時監(jiān)控畫面的總的管道流程圖，操作人員能夠直觀的看到管道各個監(jiān)測點的變化情況仿真圖如下： 下面這個畫面能夠?qū)崟r的顯示出現(xiàn)報警的點，方便控制人員查找問題： 24 數(shù)據(jù)一覽： 25 六 精餾裝置的控制說明 餾裝置的控制 結(jié)合控制方案，得到控制系統(tǒng)方塊圖如圖 4 圖 4餾塔單回路控制系統(tǒng)方塊圖 如圖示 4控變量為精餾塔靈敏板的溫度。操縱變量為塔頂出液量。 測變送器的 傳遞函數(shù) 在過程控制系統(tǒng)中，檢測變送環(huán)節(jié)對于信息的獲取和傳送非常重要。在工程上為了提高控制精度，被控參數(shù)的測量和變送必須迅速正確地反映其實際變化情況，為系統(tǒng)設(shè)計提供準(zhǔn)確的控制依據(jù)。檢測變送環(huán)節(jié)對被控參數(shù)作正確測量，并將它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號輸出到調(diào)節(jié)器或指示記錄儀。對于檢測變送環(huán)節(jié)作線性處理后，通?？捎靡浑A加時延特性來描述其傳遞函數(shù) ,但是考慮到模擬仿真時實現(xiàn)起來的可行性和復(fù)雜性，將檢測變送器近似成比例環(huán)節(jié)，精餾塔精餾段單回路控制系統(tǒng)選用的 放大系數(shù)假定為 1。則檢測變送器的傳遞函數(shù) GA(s)=1。 行器的傳遞函數(shù) 精餾塔精餾段前饋 動執(zhí)行機構(gòu)由膜片，推桿和平衡彈簧等組成，氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的靜態(tài)特性為靜態(tài)平衡時輸入信號 之間的關(guān)系即 :L,說明氣動執(zhí)行機構(gòu)是一個比例環(huán)節(jié)，放大系數(shù) A,查得 A 和 K 的規(guī)格表，取 A 為 280K=14N/以得到放大系數(shù) A=14280=20， Go(s)=20。 26 圖 在簡化的控制系統(tǒng)方塊圖中，很容易就能得到： Go(s)= Gv(s) Gc(s)= 2013 2S =1340S , Gc(s)=34 1S . 另外，調(diào)節(jié)器由于采用 傳遞函數(shù)的確定在后面的反饋調(diào)節(jié)器參數(shù)整定進行。 七 設(shè)計時需注意的問題 （ 1） 熱電偶選擇：因為 精餾塔 溫度測量環(huán)境的特殊性：流化狀態(tài)的物料沖刷力強，燃燒產(chǎn)生的流化物氧化腐蝕性強， 因此必須要求熱電偶具有耐磨、耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕的特點。同時熱電偶露出爐強的長度也不能太長，一般為 100 150右。本工程采用帶不銹鋼護套的耐磨熱電偶。 （ 2） 電纜形式的選擇：能否良好接地和信號屏蔽是 規(guī)范要求