精馏塔回流罐液位控制系统设计

1、 杜照远杜照远 张盛峰张盛峰 付兴亚付兴亚 陈金星陈金星 吕吕 萌萌 尹凤明尹凤明小组成员：小组成员：指导老师：余老师指导老师：余老师主讲人主讲人: 张盛峰张盛峰一一 概述概述二二 精馏塔的工艺流程精馏塔的工艺流程 三三 精馏塔的控制精馏塔的控制 四四 回流罐液位控制设计回流罐液位控制设计六六 设备仪表选型设备仪表选型五五 主程序流程图主程序流程图主要内容主要内容一一 概述概述 随着现代工业生产过程向着大型，连续和强化方面发展，对控制系统随着现代工业生产过程向着大型，连续和强化方面发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。此设计关注的精馏塔就是一个多输的控制品质提出了日益增长的要求。此设

2、计关注的精馏塔就是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓，变量之间相入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓，变量之间相互关联，对其的控制提出了较高的要求，其中对回流罐液位的调节影响互关联，对其的控制提出了较高的要求，其中对回流罐液位的调节影响着精馏塔顶部的压力及温度的平衡，对精馏过程起着缓冲及保护作用，着精馏塔顶部的压力及温度的平衡，对精馏过程起着缓冲及保护作用，对精馏过程的稳定进行起着不可忽视的作用，所以确定回流罐液位的控对精馏过程的稳定进行起着不可忽视的作用，所以确定回流罐液位的控制方案是相当重要的。本次设计的总目标，就是在可能获得的条件下，制方案是相当重要

3、的。本次设计的总目标，就是在可能获得的条件下，以最经济的途径和方法监测及调节回流罐中的液位，所以需要在充分了以最经济的途径和方法监测及调节回流罐中的液位，所以需要在充分了解精馏过程的工艺流程的基础上选择合适的控制方法，从而实现目标。解精馏过程的工艺流程的基础上选择合适的控制方法，从而实现目标。二二 精馏塔的工艺流程精馏塔的工艺流程1 精馏的原理精馏的原理 利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的逆流，利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的逆流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分

4、（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质控制。为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质控制。2 精馏塔精馏塔精馏塔是一种进行精馏的塔式气液接触装置，蒸汽由塔底进入，与下降精馏塔是一种进行精馏的塔式气液接触装置，蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断的向液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断的向蒸汽中转移

5、，蒸汽中的难挥发（高沸点）组分不断的向下降液中转移，蒸汽蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发（高沸点）组分不断的向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈愈接近塔顶，其易挥发组分愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体一富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体作为残液取出。部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体作为残液取出。一般精馏装置由精馏塔，再沸器，冷凝器，回流罐等设备组成。一般精馏装置由精馏塔，再沸

6、器，冷凝器，回流罐等设备组成。板式精馏塔板式精馏塔填料精馏塔填料精馏塔三三 精馏塔的控制精馏塔的控制1 精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总效益最大，成本最小。精馏过程是在一定的率最高、能耗最低，即使总效益最大，成本最小。精馏过程是在一定的约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品质量、约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品质量、能量消耗和约束条件四方面考虑。能量消耗和约束条件四方面考虑。精馏塔的控制要求精馏塔的控制要求1.

7、质量指标质量指标2.产品质量产品质量3.能量消耗能量消耗4.约束条件约束条件2 精馏塔的扰动分析精馏塔的扰动分析（1）精馏塔的静态分析）精馏塔的静态分析影响物料平衡的因素影响物料平衡的因素进料量和进料成分的变化进料量和进料成分的变化塔顶馏出物及底部出料量的变化塔顶馏出物及底部出料量的变化 进料流量通常不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏进料流量通常不可控但可测。当进料流量变化较大时，对精馏塔的操作会造成很大的影响。这时可将进料流量作为前馈信号，塔的操作会造成很大的影响。这时可将进料流量作为前馈信号，引到控制系统中组成前馈引到控制系统中组成前馈-反馈控制系统。进料成分影响物料平衡反馈控制系

8、统。进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也是难以测量和能量平衡，但进料成分通常不可控，多数情况下也是难以测量的。的。 进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。控制策略是采用蒸汽进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡。控制策略是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成串级控制。串级控制。冷剂冷剂LDL进料进料 D,xDF,zf V热剂热剂图图93-1 简单精馏控制示意图简单精馏控制示意图釜液釜液,B,xBLBfBDBzxDFxxBDfDxxzxFB(1)物料平衡关系物料平衡关系 (2)能量平衡

9、关系能量平衡关系 )1 ()1 (lnDBBDxxxxFV（2）精馏塔的动态分析）精馏塔的动态分析影响能量平衡的因素影响能量平衡的因素再沸器加热蒸汽压力再沸器加热蒸汽压力 再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的动态平衡。控制策略是组成再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的动态平衡。控制策略是组成塔压的定值控制，或将蒸汽压力作为串级控制系统的副被控变量塔压的定值控制，或将蒸汽压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制。进行控制。冷却水压力和温度冷却水压力和温度 冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制。使用冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制。使用风冷式控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。风冷式

10、控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。环境温度环境温度 环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。11jjjjjdMLLVVdtdtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj1111Lj+1j+1Mj LjVjVj-1j-1 Lj-1精馏塔第j块板物料流动情况j四四 回流罐液位控制设计回流罐液位控制设计1 回流罐工作原理及分析回流罐工作原理及分析原理：原理： 回流指在精馏操作中，从精馏塔顶部引出的上升蒸汽经冷凝器冷凝回流指在精馏操作中，从精馏塔顶部引出的上升蒸汽经冷凝器冷凝后，一部分液体作为馏出液（塔顶产品）送出塔外，另一部

11、分液体送后，一部分液体作为馏出液（塔顶产品）送出塔外，另一部分液体送回塔内，后者称为回流。回塔内，后者称为回流。 精馏塔回流罐相当于一个缓冲罐，回流罐保持塔顶来的冷凝液和送出回精馏塔回流罐相当于一个缓冲罐，回流罐保持塔顶来的冷凝液和送出回流液的平衡就可以了，通常流量最大，也即停留时间最短的时间为刚开车流液的平衡就可以了，通常流量最大，也即停留时间最短的时间为刚开车时的全回流状态。采用立式或卧式都可以，主要是回流罐的容积足够即可，时的全回流状态。采用立式或卧式都可以，主要是回流罐的容积足够即可，由于回流罐一般设置在精馏厂房里，高度有限，所以容积较大的一般采用由于回流罐一般设置在精馏厂房里，高度有

12、限，所以容积较大的一般采用卧式以满足储罐的空间高度限制，对于小型的回流罐则可以采用立式的，卧式以满足储罐的空间高度限制，对于小型的回流罐则可以采用立式的，以节省占地面积。化工厂是普遍采用卧式回流罐，也叫塔顶冷凝受槽，以节省占地面积。化工厂是普遍采用卧式回流罐，也叫塔顶冷凝受槽，卧式回流罐的优点卧式回流罐的优点1 1 便于操作人员读取温度、液位、压力等指标便于操作人员读取温度、液位、压力等指标。2 2 卧式更利于冷凝液在其中分层，一部分回流，卧式更利于冷凝液在其中分层，一部分回流，一部分作为输出介质。一部分作为输出介质。3 3 降低重心，安装方便。降低重心，安装方便。2 回流罐液位控制方式的选择

13、回流罐液位控制方式的选择通过对精馏塔整体控制系统的分析，发现精馏塔是一个多变量被通过对精馏塔整体控制系统的分析，发现精馏塔是一个多变量被控对象，需要对主要干扰提前发现及控制，而串级控制能够很好的满控对象，需要对主要干扰提前发现及控制，而串级控制能够很好的满足回流罐液位的控制。故本次设计采用足回流罐液位的控制。故本次设计采用串级控制方法串级控制方法来控制回流罐的来控制回流罐的液位。液位。对于回流罐来说包括两个变量，温度变化和液位变化，通过这两个变量影对于回流罐来说包括两个变量，温度变化和液位变化，通过这两个变量影响控制器对液位的控制，精馏塔属于大型生产设备，变量变化慢，惯性大，具响控制器对液位的

14、控制，精馏塔属于大型生产设备，变量变化慢，惯性大，具有一定的纯滞后，又为了防止精馏塔产生较大的超调而超过回流罐上限温度，有一定的纯滞后，又为了防止精馏塔产生较大的超调而超过回流罐上限温度，需要提前对精馏塔温度进行控制，在安全温度的前提下控制液位，使用串级控需要提前对精馏塔温度进行控制，在安全温度的前提下控制液位，使用串级控制系统能取得较好的结果。制系统能取得较好的结果。回流罐液位串级控制系统回流罐液位串级控制系统4 串级控制部分设计串级控制部分设计串级控制系统的一般采用两个控制器，一个控制器称为主控制器，另一个控串级控制系统的一般采用两个控制器，一个控制器称为主控制器，另一个控制器称为副控制器

15、。主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输制器称为副控制器。主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输出去操纵调节阀。在串级控制系统中通常要有两个被控对象，即主对象（本次设出去操纵调节阀。在串级控制系统中通常要有两个被控对象，即主对象（本次设计中为回流罐）和副对象（本次设计为精馏塔），相应的有两个被控参数，主被计中为回流罐）和副对象（本次设计为精馏塔），相应的有两个被控参数，主被控参数（本次设计中为检测的回流罐液位）和副被控参数（本次设计中为检测的控参数（本次设计中为检测的回流罐液位）和副被控参数（本次设计中为检测的塔内温度）。主被控参数的信号送往主控制器控制回流阀的开度

16、，而副被控参数塔内温度）。主被控参数的信号送往主控制器控制回流阀的开度，而副被控参数的信号被送往副控制器作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）的信号被送往副控制器作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）和副回路（内环）。和副回路（内环）。串级系统控制结构图串级系统控制结构图串级控制系统应用中一般要分主、副控制器来选择控制规律。本次的液位控串级控制系统应用中一般要分主、副控制器来选择控制规律。本次的液位控制系统中的串级控制的主、副控制器控制规律选择都应按照工艺要求来进行，主制系统中的串级控制的主、副控制器控制规律选择都应按照工艺要求来进行，主控制器选用控制器选用PID控

17、制规律，副控制器选控制规律，副控制器选P控制规律；采用串级控制系统和简单控控制规律；采用串级控制系统和简单控制系统相比，制系统相比，只是多一点测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，只是多一点测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但是控制想过却有显著地提高。但是控制想过却有显著地提高。我们将温度及液位变化作为一、二次扰动，液位及温度的检测与反馈作为主、我们将温度及液位变化作为一、二次扰动，液位及温度的检测与反馈作为主、副变送器，液位作为主被控对象，可以得出回流罐液位控制的结构图。副变送器，液位作为主被控对象，可以得出回流罐液位控制的结构图。回流罐液位控制结构图回流罐液位控制结

18、构图五五 主程序流程图主程序流程图六六 控制检测元件与参数的选择控制检测元件与参数的选择1 测量技术性能指标测量技术性能指标引用误差引用误差把绝对误差折合成标尺范围的百分数表把绝对误差折合成标尺范围的百分数表精度等级精度等级 按仪表工业规定，去掉最大引用误差的按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“%”号的值，称为仪表的号的值，称为仪表的精度等级，目前以系列化，根据此次设计的生产产品的精度不是很高，精度等级，目前以系列化，根据此次设计的生产产品的精度不是很高，可以选用可以选用0.51.0精度等级精度等级（1 1）误差和精度）误差和精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来

19、衡量。检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。绝对误差绝对误差 绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，实际上通常采用多绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约定真值。次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约定真值。（2）灵敏度与灵敏限）灵敏度与灵敏限灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比。与输入增量之比。灵敏限是指引起仪表的指针发生可见变化的被测参数的最小变

20、化量。一般，灵敏限是指引起仪表的指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。（3 3）回差）回差在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）变化时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最行程）变化时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程之比的百分数称为回差。大值和仪表量程之比的百分数称为回差。2 调节阀选择调节阀选择本次设计考虑到生产过程及原料等因素，故回流

21、阀采用气关式。本次设计考虑到生产过程及原料等因素，故回流阀采用气关式。回流阀回流阀3 检测和执行元件的选择检测和执行元件的选择 本系统的回流阀液位控制设计应由温度检测原件、液位检测原价等构本系统的回流阀液位控制设计应由温度检测原件、液位检测原价等构成。通过检测这些主要参数，使其能对精馏塔温度、回流罐液位控制。成。通过检测这些主要参数，使其能对精馏塔温度、回流罐液位控制。（1）检测元件）检测元件 温度检测：在设计的过程中，我们采用平温度检测：在设计的过程中，我们采用平Pt100热电阻进行温度检测，采用三线热电阻进行温度检测，采用三线制接线法减小测量误差，以达到实验的要求，经过温度变送装置送出制接

22、线法减小测量误差，以达到实验的要求，经过温度变送装置送出4-20mA信号。信号。主要技术参数：主要技术参数：DC 输出信号输出信号：420mA 二线制二线制工作电压工作电压：24V DC ( 12V30V DC )精度等级：精度等级：0.1，0.2%，0.5%负载能力负载能力：0500温度系数温度系数：150ppm工作环境工作环境：温度范围：温度范围-25+85,无腐蚀性气体无腐蚀性气体保护性输出电流：最大输出保护性输出电流：最大输出电流电流27mA, 最小输出电流最小输出电流3.6mA外形尺寸外形尺寸：4522mm（最（最大高度大高度24mm）安装孔距安装孔距：36mm 接线图见接线图见图图1（三线制）、图（三线制）、图2（二线（二线制）制） 液面检测：对于回流罐来说，因为流量大，不能选取静压式的测量元件，液面检测：对于回流罐来说，因为流量大，不能选取静压式的测量元件，只能选择电容式液位计。只能选择电容式液位计。 工作电源