基于S-200PLC的精馏温度控制系统的毕业设计(论文)

基于S-200PLC的精馏温度控制系统 洛阳理工学院毕业设计（论文）

填料塔的最大直径也有15m，塔高达100m。近年来，由于出现了世界性的能源危机，暴露出设备大型化带来的不容忽视的问题：大型设备必须保证在全负荷下长期连续运转，否则经济损失将是非常巨大的。在此期间，为了满足设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高操作弹性等特殊要求，又出现了很多新型塔盘，但按其结构特点，仍属泡罩、筛板、浮阀、舌型等几种典型塔型的改进或相互结合。

4．阶段IV (80末-至今)：

新型高性能塔板的开发及工业应用塔板设计、开发更趋于科学化的方向 这一时期，新型填料也有了较多的发展。属于颗粒型填料的有：海佐涅尔（Hydronyl）填料、阶梯环（Cascade mini ring）填料、多角螺旋填料、金属鞍环填料（Intalox metal pakcing）、比阿雷茨基环（Bialecki ring）、莱瓦填料（Levapak）以及它们的改进型式。属于规整填料的有：苏采尔填料（Sulzer packing）、重叠式丝网波纹板填料、重叠式金属波形板填料、格利希栅格填料（Glitsch grid）、格子填料、拉伸金属板网填料、塑料蜂窝填料、Z形格子填料、Perform喷射式填料和脉冲填料（Impulse packing）等。同时，还创建了使小球浮动莱强化传质的湍球塔[1]。

我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长的过程。新中国成立以后，随着国民经济的发展，陆续建立了一批现代化的石油化工装置。随着这些装置引进的新型塔设备，不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料，还带动了塔设备的科研、设计工作，加速了这方面的技术开发。

目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等，也都作了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀－筛板复合塔盘，以及喷杯塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型和金属鞍环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作，也在进行，有些已取得了一定的成果或用于生产。

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1.2自动化技术在精馏塔控制系统中的应用。

1.2.1自动化技术概况

自动化控制技术是综合运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对化学工业生产过程实现检测、控制、优化达到增加产量，提高质量、降低消耗、确保安全的一种综合性技术，现已成为衡量化学工业现代化水平的重要标志是之一。

精馏过程一个非常复杂的传质传热过程，其内在机理复杂，具有较长死时延滞、相互关联的多变量系统，动态特性分析复杂且困难,难以进行变量配对，约束条件复杂，工艺对控制质量提出的要求又较高，这些使其成为过程控制界多年来理论研究和实践的热点，所以自动化控制技术在精馏塔操作过程中的应用是极为重要的课题之一。

近20年来，有关精馏过程的自动化控制技术的研究热点大致包括：开发和应用线性多变量控制技术、自适应控制、预测控制、推理控制和鲁棒控制算法，进行精馏塔自动控制系统设计；将非线性控制技术应用于精馏塔的控制；将神经网络、模糊控制等智能控制方法应用于精馏塔；考虑精馏过程的节能设计，应用先进控制与优化策略实现精馏塔的节能优化运行。此外，人们还开发出了一些专用或通用的商业化软件，应用于精馏塔的控制。

1.2.2精馏过程的控制目标

精馏过程的控制目标是在保证产品质量合格的前提下，保证总收益最大、成本最小，也就是使塔的回收率最高、能耗最低。精馏过程是在一定约束条件下进行的，可从四个方面来衡量自动化控制技术的应用。

1．控制产品质量

精馏塔的产品质量，是指塔顶或塔釜产品的纯度要符合要求。通常，满足一端的产品质量，即塔顶（或塔釜）产品达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内即可。但是，产品组分含量并非越纯越好，原因是纯度越高，对控制系统的控制精度要求就越高，操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使用要求适应。

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为此，应当取塔顶或塔釜的产品质量作为被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统，它需要能测出产品成分的分析仪表。由于目前被测物料种类繁多，还不能相应地生产处多钟测量滞后小而又精确的分析仪表。所以，质量控制系统目前并不多见，而是通过能间接控制质量的温度控制系统来代替。

2．控制精馏塔的物料平衡

控制精馏塔的物料平衡，就是为了保证塔的平稳操作，保证进出物料平衡，即塔顶、塔釜采出量应和进料量相平衡，而且两个采出量变化要缓慢，保证上下工序之间的协调工作。为此，必须对冷凝液罐（回流罐）与塔釜液位进行控制，使其介于规定上、下限之间。控制操作符合约束条件为了保证正常操作，满足稳定和安全运行，需规定某些参数的极限值作为约束条件。常用的精馏过程的约束条件有以下几点：

（1）液泛限：是指精馏过程中上升蒸汽速度的最大限。当蒸汽上升速度过高时，造成雾沫夹带十分严重，出现液泛现象，破坏正常操作。

（2）漏液限：是指精馏过程中上升蒸汽速度的最小限。当上升蒸汽速度过低时，不能托起上层的液相，会造成漏液现象，精馏操作不能正常进行，塔板效率下降。

为了防止液泛现象和漏液现象，可以通过塔压降或者压力差来监视气相速度，一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点比较好。通常在塔顶与塔釜间装有测量压差的仪表，有的还装有报警装置。

（3）压力限：一般是指最大操作压力限。就是说塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内汽液平衡，容器的安全无法保证，严重越限时甚至会影响到安全生产。

（4）正常传热临界温度限：主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差高于临界温差时，给热系数会急剧下降，传热量也会随之下降，不能保证塔的正常传热需求。同时，为了保证精馏过程中的需要，也要有合适的回流温度。

3．控制精馏塔平稳操作

为了保证塔的平稳操作，必须将进塔之前的主要可控干扰尽可能的克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。例如：可设置进料的温度控制、

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加热剂和冷却剂的压力控制、进料量的均匀控制系统等。控制塔内压力稳定，对精馏过程的平衡操作是十分必要的。

4．控制能耗和经济效益

石油化工的能耗约占全国工业总能耗的15%，而精馏过程的能耗要占整个石油化工行业总能耗的40%，因此，必须要做好精馏过程的节能。精馏过程的能量消耗主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗，精馏塔和附属设备及管线也要散失一部分能量。

此外，精馏过程必须从经济效益来衡量，在保证产品质量的前提下，能量消耗尽可能要小，经济效益要尽可能的大[2]。

1.2.3精馏过程的基本自动控制

1．被控变量和操纵变量的配对选择

精馏过程有多个被控变量和多个操纵变量，合理选择它们的配对，能有效地减少系统的关联，并能使精馏塔的平稳操作。

被控变量和操纵变量配对选择有三条准则：（1）当只需要控制塔的一端产品时，应选用物料平衡方式控制该端产品的质量。（2）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量。（3）当塔两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少、杂质较多的一端采用物料平衡方式控制其质量，对含纯产品较多、杂质较少的一端采用能量平衡方式控制其质量。

2．精馏过程的控制方案

（1）按产品成分或物性直接控制。利用成分分析器，例如：红外分析器、色谱仪、密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等，分析出塔顶（或塔釜）的产品成分并作为被控变量，用回流量（或再沸器加热量）作为控制手段组成成分控制系统，可实现按产品成分的直接控制。

（2）按照温度间接控制。由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。因此，绝大多数精馏塔在当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。

精馏段和提馏段的温度控制以产品的质量为控制目标，根据温度检测点的位置不同，有塔顶（或塔釜）温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。精馏段温度控制的操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。也可将塔釜采

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