化工过程控制课程设计报告--吸收塔和解吸塔的液位流量均匀控制系统.doc

化工过程控制课程设计报告化工过程控制课程设计报告 学学 院：院： 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 起止日期：起止日期：2011 年年 12 月月 18 日日2011 年年 12 月月 23 日日 目 录 1 1.课程设计目的.2 2.课程设计题目和要求2 3.设计内容2 4.设计总结9 参考书目9 2 1.课程设计目的课程设计目的 通过本课程设计，让学生进一步熟悉吸收塔液位控制系统方法及应用，将 学到的东西与实践相结合。培养学生综合运用本门课程及有关课程的基本知识 去解决某一实际问题，加深对该课程知识的理解。锻炼学生独立思考问题的能 力和查看资料来解决问题的能力。 2.2.课程设计题目和要求课程设计题目和要求 本次课程设计设计的吸收塔和解吸塔的液位流量均匀控制系统。整个装置 根据分程控制系统的具体被控对象和控制要求独立设计分程控制系统控制方案。 掌握分程控制系统，完成相应的流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画 出分程控制系统的原理图和工艺流程图。通过对典型工业生产过程进行分析， 并对其中一个参数设计其控制系统。 3.3.设计内容设计内容 3.1 吸收塔和解吸塔的控制 吸收是利用液体吸收剂收集或冷凝气流中的某些组分的过程。而解吸过程 刚好相反，它是将已吸收的组分从液体中除去或解吸出来。这两个过程可以相 互独立地进行，例如从烟道气中吸收二氧化硫，或从“酸水”中解吸硫化氢。 而更多的情况是这两个过程联合运行，例如大型氨厂脱碳工序普遍采用联合运 行的工艺流程，见图 今以它为例简单的介绍如下： 温度为 250左右的低变气用水淬冷到露点（178） ，然后进入低变气再沸器， 放出大量冷凝热作为再生热源，本身冷却到 127。喷水淬冷的目的是降低气 体进再沸器的温度，减少壳侧热碱液的腐蚀，同时又能提高再沸器的传热效果。 这是因为，如果不淬冷，则传热是依靠气体的降温放热。传热系数较小，而淬 冷后是冷凝放热，传热系数大。低变气再进液滴的分离器，分出冷凝水，然后 3 进入吸收塔的底部。 气体在吸收塔内自下而上通过四层填料，与从上流下的热碱逆流接触。气体中 co2被吸收，部分水蒸汽也同时冷凝，最后气体中还剩余 0.1co2。出吸收塔 0 0 的气体再经过一个液滴分离器，除去夹带的溶液，然后将气体送往甲烷加工工 序。 吸收塔有两个进液口，从塔中部进入的是半贫液。它来自解吸塔中部，用半贫 液泵打入吸收塔，流过下边两层填料。 贫液从解吸塔底部流出经锅炉给水预热器冷却后，用贫液泵送到吸收塔顶，自 上而下流过两层填料，再与半贫液汇合。 吸收塔底的富液流出，利用自身压力送到解吸塔顶。由于吸收塔压力很高，所 以富液可用来驱动一台水力透平回收能量。这台水力透平带动三台半贫液泵中 的一台，其余两台由蒸汽透平来带动。水力透平设有旁路阀，在开停车或事故 时富液不经过水力透平而直接送往解吸塔。 富液经过水力透平减压，在解吸塔顶就闪蒸出一些 co2。液体从上而下流经填料 层，与从下而上的热气体（水蒸汽和 co2混合物）逆流接触。气液间互相换热 和传质，液体温度不断上升，溶解的 co2不断放出。只经过两层填料的半贫液 从解吸塔中部抽出，用半贫液泵送往吸收塔中部。小部分溶液（约占总量） 14 继续流过最下一层填料，再进一步再生，最后流入变换气再沸器和蒸汽再沸器， 加热保持沸腾状态，使溶液中的 co2脱除到规定的要求，返回解吸塔底部。随 后贫液经锅炉给水预热器，被给水所冷却，然后用贫液泵送往吸收塔顶。 解吸出来的 co2气体从解吸塔顶出去，经冷凝器冷却，并在液滴分离器中分出 冷凝水后，送往氨加工车间。 4 工艺流程图 3.1.2 控制方案的论证与选择 在连续生产过程中，生产设备是紧密联系在一起的，前一设备的出料往 往是后一设备的进料，特别是石油化工生产过程中，前后塔器之间操作密切， 互相关联，前一精馏塔的出料就是后面塔的进料，为了保证塔器的正常运行， 要求进入塔的流量变化平缓，同时要求塔釜液位稳定。如果对前面精馏塔采 取液位控制，对后面塔采取流量控制，其调节参数都是塔底出料量，显然， 这两个控制系统工作时是有矛盾的，因为当前面塔的液位由于干扰作用而升 高时，液位调节器输出信号使调节阀开大，塔底出料量增大（即送入后面塔 的进料量增大）。为了保持后面塔进料量的稳定，流量调节器输出信号使流 量调节阀关小，这样串联在同一管道上的前后两个流量调节阀动作方向相反， 发生矛盾。因此这种不协调的控制方案是不可取的。 为了解决前后两塔供求之间的矛盾，可在两塔之间设置一个中间贮槽， 这样既满足了前面塔液位调节的要求，又缓冲了后面塔进料量的波动，但增 加了设备和投资，而且遇有化合物易于分解或聚合时，不宜在贮槽内贮存时 出塔气去甲烷化工序 液 滴 分 离 器 消泡剂 贫液 半贫液 富液 吸收塔 消泡剂 锅炉给水预热器 蒸汽再沸器 低变气 再沸器 消泡剂 冷凝器 液 滴 分 离 器 放空 去氨 加工车间 液分 滴离 器 低变气 5 间过长，于是企图设法采用自动调节来模拟中间贮槽的缓冲作用，力图使液 位和流量能均匀地变化，组成所谓均匀控制系统。由此可知均匀控制是指控 制目的，而不是指控制系统的结构。 均匀控制系统的过渡过程控制质量指标要求服从于控制目的，塔釜液位 和塔底出料量之间的动态联系密切，往往两个参数的调节质量都要照顾，只 要两个参数在某一范围内作缓慢变化，前后工序维持正常就达到了目的。 据上所述，均匀控制应具有以下特点： 1. 前后两个设备的两个参数都应该是缓慢变化的。当采取液位定值调 节时，是通过调节流量的手段达到的，因此要使液位平稳，流量变化就较大， 这样就不能满足下一工序平稳进料的要求；如果采取流量定值调节，流量稳 定，但前一设备的液位波动就比较大；如果采取均匀控制，就能兼顾液位和 流量都在允许范围内缓慢均匀地变化，因此符合均匀控制的目的。 2. 前后互相联系又互相矛盾的两个参数应保持在工艺操作所允许的范 围内波动。如塔釜液位过高会造成冲塔现象，液位过低又会使塔釜有流干的 危险，而后塔的进料量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量。 3.1.3 分程控制系统的设计 根据生产工艺的要求 ,选择吸收塔底富液液位高度作为被控变量 ,吸收 塔底富液的流量作为操纵变量，并选用分程控制系统对液位进行控制。 具体工作过程如图所示 lrc-1 工艺流程图 lrc 1 6 控制器 a 阀 b 阀 对象 差压变送器 lrc-1 分程控制控制系统方框图 3.1.4 控制系统硬件选择 (1)控制阀的选择 根据工艺的要求两个控制阀都选气开式，当最大体积流量为,流体 3 40h m 密度为，阀前后的压差 p=0.2mpa，计算得出控制阀的流通能力 c 3 0.05gcm 为 (8-1) 0.05 33 cq40h20h mm p0.2 从表中查得，dg=40mm,dg=40mm。又根据工艺生产的要求 3 c20h m 和控制要求，控制阀的流量特性选用理想流量特性中的对数流量特性。 (2) 液位控制器的选择 控制器正反作用的选择：控制系统中的副流量测量变送器在所测流量升 1 高时，变送器的输出增大，所以相当于正特性。而控制阀为气关阀，所以也是 正特性。对于副环来说当流量升高时，副测量变送器的输出增大，即副控制器 的输入增大。此时需要控制阀的开度减小液体流量，控制阀接受的控制信号减 小，即副控制器的输出减小。所以说在副控制器输入值增大而输出要增大，副 控制器应选正作用形式。 控制系统中的主液位测量变送器在所测流量升高时，变送器的输出增大， 7 所以相当于正特性。可以把副环整个看成是正特性。对于主环来说被控对象是 减小流量。要想控制系统稳定，系统开环放大倍数小于零，即主变送器、主控 制器、被控对象、副环整体的放大倍数的乘积为负值。所以主控制器应选反作 用形式才能保证系统开环放大倍数为负2。 控制器控制规律的选择：最基本的控制规律有三种，比例 p、积分 i、微分 2 d。比例 p 控制及时但是有余差，适用于控制精度不高的场合。积分 i 控制不及 时但可消除余差，使用语控制精度高、滞后小的场合。微分 d 能实现超前环节， 用于系统有滞后的情况。根据实际情况，副环要求控制及时，但温度测量又有 较大的滞后，所以副控制器选择比例微分（pd）控制规律。主控制器控制的也 是温度对象，所以选择比例积分微分(pid)控制规律。 3.1.7 测量变送器的选择 在常用的用于测量流量原件孔板流量计，节流装置结构易于复制，简单、牢固， 性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。 孔板计算采用国际标准与加工 应用范围广，全部单相流皆可测量，部分混相流亦可应用。 标准型节流装置无须实流校准，即可投用。 一体型孔板安装更简单，无须引压管，可直接接差压变送器。 采用进口单晶硅智能差压变送器 高精度，完善的自诊断功能 智能孔板流量计其量程可自编程调整。 可同时显示累计流量、瞬时流量、压力、温度。 具有在线、动态全补偿功能外，还具有自诊断、自行设定量程。 配有多种通讯接口 稳定性高 量程范围宽、大于 10：1 3.1.8 控制系统的实际工作过程 液位、流量串级控制系统方块图系统方块图所示 8 主液位控制器副流量控制器 副流量对象 主液位对象 副流量测量元件及变送器 主液位测量元件及变送器 给定值 干扰 2 干扰 1 串级控制系统方块图 主变量 控制阀 副变量 只有副环有干扰作用时，假设现在系统处于稳态，当有干扰 2 作用于副流 量对象时，使管道中流量增大。使塔内液位升高，那么副回路的副流量测量变 送器的输出信号将增大，此输出信号送入副回路的副控制器副回路控制器 tc2，因为副流量控制器 tc2 为正作用控制器，所以副流量控制器 tc2 的输出的 控制信号也将小。此控制信号作用于控制阀，因为控制阀为气关阀，所以当控 制信号曾大时，阀的开度减小，通过阀的流量将减小，塔内液位降低，直至回 到塔内液位稳定时所要求的高度。此时副温度控制器 tc2 的给定值也不变，副 温度变送器的输出信号与此给定信号做偏差数值变小。同理当干扰使副回路中 塔内液位变大，副流量测量变送器的输出增大，副流量控制器 tc2 的输出将减 小，控制阀的开度关闭，进入塔内流量随之增小，控制液位高度，直到到达稳 定时塔内液位的高度。所以当有干扰作用在副环内时能够很快的被消除，在干 扰影响到主控变量之前就会被消除，这使得控制器的反应速度大大加快。所以 应尽可能的吧干扰包围在副环内，尤其是对 主控变量有很大影响的干扰，这 样可以很大程度的提高控制系统的控制品质。 只有主环有干扰作用时，假设现在系统处于稳态，当有干扰 1 作用于主液 位对象时，塔内的液位升高，那么主液位测量变送器的输出将增大，因为主液 位控制器 tc1 为正作用阀，所以其输出控制信号将减小，即副流量控制器 tc2 的给定值减小了。而副流量控制器 tc2 的测量值没变，所以测量值与给定值的 偏差信号减小，副流量控制器 tc2 也为正作用，其输出将增大，所以阀的开度 减小，塔内的液位减小。 9 4.4.设计总结设计总结 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识， 也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。 在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。 学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处 世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会， 从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计， 我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚 踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基 础在这次设计过程中，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同 时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。体会了学 以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从