精馏塔控制系统
第6章精馏塔控制系统
6.1 概述
精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。
轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。
精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。
6.1.1 精馏塔的控制要求
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，即使总收益最大，成本最小。
精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控
制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面
考虑。
1．质量指标
精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满
足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而
另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，就二
元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产
品中重组分含量。对于多元精馏而言，则以关键组分的含量来
表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的
关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分
是不易挥发的，称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好，
原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求就越高，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图6.1-1 精馏塔示意图
用要求适应。
2．物料平衡控制
进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。
3．能量平衡和经济平衡性指标
要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。
4．约束条件
精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件。
气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。
最小气相速度限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。
精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄
清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。
6.2.2 精馏塔的动态特性
1．动态方程的建立
精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工
作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，
塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。以图6.2-1所示二元精馏
塔第j 块塔板为例说明如何建立单板动态方程。
总物料平衡： dt dM V V L L j j j j j =
-+--+11 （6.2-9）
轻组分平衡：
dt x M d y V y V x L x L j j j j j j j j j j ]
[1111=-+---++（6.2-10）
式中:L 表示回流量，下标指回流液来自哪块板；V 表示上升蒸汽量，下标指来自哪一
块板的上升蒸汽；M 指液相的蓄存量；y x 、分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下
标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。
由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多
容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。
2. 动态影响分析
通过上面的讨论，可知精馏塔动态方程的建立是复杂的，尤其建立一个精确而又实用的
动态方程更是具有一定的难度。因此从定性的角度来分析精馏塔的动态影响，对合理设计控
制方案有积极的指导意义。
1） 上升蒸汽和回流的影响
在精馏塔内，由于上升蒸汽只需克服塔板上极薄覆盖的液相阻力，因此上升蒸汽量的变
化几秒钟内就可影响到塔顶，也就是说上升蒸汽流量变化的影响是相当快的。
然而由塔板下流的液相有相当大的滞后。当回流量增加时，必须先使积存在塔板上的液
相蓄存量增加，然后在这增加的液体静压柱的作用下，才使离开塔板的液相速度增加，所以
对回流量变化的响应存在着滞后。
由此可得出这样的结论：要使塔上的任何一处（除塔顶塔板外）的气液比发生变化，用
再沸器的加热量作为控制手段，要比回流量的响应快。
2） 组分滞后的影响
V 和L 的变化，引起D x 和B x 的变化，都是通过每块塔板上组分之间的平衡施加影响
的结果。由于组分要达到静态平衡需要一定的时间，所以尽管V 的变化可较快影响到塔顶，
但要使塔顶组分浓度D x 变化达到一个新的平衡仍要经过不少的时间。同样D 的变化也是一
样。且需花费更多的时间。
组分滞后的影响是由于塔板上的组分要等到影响组分的液相或气相流量稳定较长时间
后才能建立平衡。随着塔板上液相蓄存量的增加，组分滞后增加。因此塔板数的增加及回流
比的增加，均会造成塔板上液相蓄存量的增加，从而导致组分的滞后也增加。当再沸器加热
量Q 的增加而引起V 的增加，通过改善气、液接触，可以减少组分的滞后。
3） 回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响 由物料平衡关系可知：在F 一定的情况下，改变D 和B 均能引起D x 和B x 的变化。实
际上D 的变化是通过L 的变化（在回流罐液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而
控制产品的质量D x 和B x 。然而，回流罐有一定的蓄液量，从D 变化到L 的变化会产生滞
后。同样B 的变化也是通过V 的变化（在塔釜液位不变时）才能影响到塔内的气液平衡，从而控制产品的质量D x 和B x 。塔釜的蓄液量也会使B 的变化到V 的变化产生滞后，通常
塔釜截面积要比回流罐小得多，所以，由于塔釜蓄液量引起的滞后要比回流罐的蓄液量引起
的滞后小。
6.3 精馏塔被控变量的选择
精馏塔被控变量的选择，主要是讨论质量控制中的被控变量的确定，以及检测点的位置
等问题。通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。
6.3.1 采用温度作为间接质量指标
对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温
度作为被控变量。对于多元精馏塔。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
馏塔仍采用温度作为间接质量指标。
采用温度作为间接质量指标的前提是塔压恒定。因此，下述控制方案都认为塔压已经
采用了定值控制系统。
1． 精馏段的温度控制
精馏段温度控制以精馏段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
温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选择回流量L 或塔顶采出量D 。
也可将塔釜采出量B 作为操纵变量，但应用较少。
采用塔顶温度作为被控变量，能够直接反映产品质
量，但因邻近塔顶处塔板之间的温度差很小，该控制方
案对温度检测装置提出较高要求，例如高精确度、高灵
敏度等。此外，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对
温度的扰动，因此，采用塔顶温度控制塔顶产品质量的
控制方案很少采用，主要用于石油产品按沸点的粗级切
割馏分处理。
采用精馏段灵敏板温度作为被控变量，能够快速反
映产品成分的变化。灵敏板是在扰动影响下塔板温度变
化最大的塔板。因此，该塔板与上下塔板之间有最大的
浓度梯度，具有快速的过程动态响应。图6.3-1显示第
11塔板是灵敏板，该塔板在扰动正反向变化时具有相接
近的较大的增益。灵敏板位置可仿真计算或实测确定，
因塔板效率不易准确估计，因此，实际应用时，可在计算的灵敏板上下设置若干温度检测点，
根据实际运行情况选择。
中温通常指加料板稍上或稍下的塔板，或加料板的温度。采用中温作为被控变量，可以
兼顾塔顶和塔底成分，及时发现操作线的变化。但因不能及时反映塔顶或塔底产品的成分，因此，不能用于分离要求较高、进料浓度变化较大的应用场合。
采用精馏段温度控制的场合是：
①对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格；
②全部为气相进料；
③塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不显著，或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。
2．提馏段的温度控制
提馏段温度控制以提馏段产品的质量为控制目标，根据温度检测点位置可分为塔底温
V或塔底采出量B。也度、灵敏板温度和中温控制等。操纵变量可选择再沸器加热蒸汽量
s
可将塔顶采出量D作为操纵变量，但应用较少。控制策略与精馏段温度控制类似。
采用提馏段温度控制的场合是：
①对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分的要求严格；
②全部为液相进料；
③塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，精馏段塔板温度变化不显著，或进料含有比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质；
④采用回流控制时，回流量较大，它的微小变化对产品成分影响不显著，而较大变化又会影响精馏塔平稳操作的场合。
3．采用压力补偿的温度作为间接质量指标
塔压恒定是采用精馏塔温度控制的前提。当塔压变化或精密精馏等控制要求较高时，微小的压力变化将影响温度和成分之间的关系，因此，需对温度进行压力补偿。常用的补偿方法有温差控制、双温差控制和补偿计算控制。
1）温差控制
精馏塔中，成分是温度和塔压的函数，当塔压恒定或有较小变化时，温度与成分有一一对应关系。但精密精馏时，产品纯度要求较高，微小塔压变化将引起成分波动。例如，苯-甲苯分离时，压力变化6.67kPa，苯的沸点变化为2℃。
温差控制的原理是以保持塔顶（或塔底）产品纯度不变为前提的，塔压变化对两个塔板上的温度都有影响，且影响有几乎相同的变化，因此，温度差可保持不变。通常选择一个塔板的温度和成分保持基本不变的作为基准温度，例如，选择塔顶（或稍下）或塔底（或稍上）温度。另一点温度选择灵敏板温度。
温差控制常应用于分离要求较高的精密精馏。例如，苯-甲苯-二甲苯、乙烯-乙烷、丙烯-丙烷等精密精馏。应用时要注意选择合适的温度检测点位置，合理设置温差设定值，操作工况要平稳。
2）双温差控制
精馏塔温差控制的缺点是进料流量变化时，会引起塔内成分变化和塔压压降变化。他们都使温差变化。前者使温差减小，后者使温差增大，使温差与成分呈现非单值函数关系。双温差控制的设计思想是进料对精馏段温差的影响和对提馏段温差的影响相同，因此，可用双温差控制来补偿因进料流量变化造成的对温差的影响。应用时除了要合适选择温度检测点位置外，对双温差的设定值也要合理设置。
3）根据压力补偿计算温度设定值的控制
采用计算机控制装置或DCS进行精馏塔控制时，由于计算机具有强大的计算功能，因此，对塔压变化的影响也可用塔压补偿的计算方法进行。补偿公式如下:
为消除进料量的扰动，可对进料量进行定值控制。当进料量来自上一工序，变化很大时，可将进料量作为前馈信号，与回流量和蒸汽量组成前馈-反馈控制系统。
2.固定塔顶馏出量D和蒸汽量V
当回流比很大时，控制馏出量D比控制回流量L更有利。例如，L =50，D =1，则控制回流量L变化1%，D将变化50%，因此，采用控制D可使操作更平稳。控制系统的变量配对见表1-3，控制方案如图6.4-2所示。
表1-3 固定塔顶馏出量和蒸汽变量配对
响应较灵敏。
(a) (b) (c)
图6.4-10(a)(b)(c)气相采出时塔压控制方案
（4）气相采出。以气相采出量作为操纵变量组成单回路控制系统（如图 6.4-11所示）。
图6.4-11气相采出时塔压控制方案
当气相采出是下一工序进料时，可采用塔压为主被控变量、气相出料流量为副被控变量的串级均匀控制系统。
2．减压精馏塔的压力控制
当减压塔的压力控制采用蒸汽喷射泵抽真空时，
可采用如图6.4-12所示的控制方案。由于蒸汽喷射压
力与真空度有一一对应关系，因此，可采用蒸汽喷射
压力恒定的控制系统，同时，采用吸入支管的控制阀
进行微调。当减压塔的压力采用电动真空泵时，常采
用调节不凝气体的抽出量来保证塔顶的真空度，控制
阀安装在真空泵回流管。图6.4-12 减压塔压力控制3．常压精馏塔的压力控制
对塔顶压力的恒定要求不高时，可采用常压精馏。它不需要压力控制系统。仅需在精馏设备（冷凝罐或回流罐）上设置一个通大气的管道，用于平衡压力。如果空气进入塔内会影响产品质量或引起事故时、或对塔顶压力的稳定要求较高时，应采用类似加压塔的压力控制，防止空气吸入塔内并稳定塔压。
有时亦采用常压塔的塔压力控制，塔釜的压力恒定等效于控制塔压力降恒定。被控变量是塔釜气相压力，操纵变量是加热蒸汽量。分离要求不太严格的常压塔常采用该方案。
6.5 精馏塔的新型控制方案
随着控制技术的不断发展，新型控制方案、控制算法不断出现，自动化控制技术工具也有了飞速的发展，尤其是计算机在工业过程中的应用日益广泛，使得精馏过程控制中新的控制方案层出不穷，控制系统的品质指标越来越高，保证了塔的平稳操作，以及满足了工艺提出的各种新的要求。本节将对精馏塔控制中新型方案的使用作一个基本介绍。
6.5.1解耦控制
这里对在精馏控制中解耦控制的应用作必要的分析。当
对精馏塔的塔顶和塔底产品的质量都有要求时，有时可设立
两个产品质量控制系统，图6.5-1就是一个两端产品质量均
加控制的方案。但是这类方案常常是失败的，关键是两个质
量控制系统之间存在着相互关联影响。这样，当两套系统同
时运行时，互相影响，产生所谓“打架”现象，导致两套系
统均无法正常运行。
解决上述矛盾的方法是：对精馏操作的被控变量与控制
变量之间进行不同的配对，选取关联影响小的配对方案；或
在控制器参数整定上寻找出路；或是把两套质量控制系统砍
掉一套，而以上的这些方法有解决不了严重关联的影响时，则可以采用解耦控制。图6.5-1 精馏塔两端产品质量控制
图6.5-2给出了精馏塔解耦控制的方块图在两个控制回路中引入一个解耦控制装置并按照解耦控制理论的方法，就能实现解耦控制。
由于精馏塔是一个非线性、多变量过程，准确求取解耦装置的动态特性是很困难的，而静态特性的求取较为容易。因此目前精馏塔的解耦主要采取静态解耦。如果尚不能满足需要，可在静态解耦的基础上作适当的动态补偿。
对于有多个侧线采出的精馏塔，将有多个质量指标需要加以控制。此时，为克服它们之间的相互关联，需要采用多变量解耦控制系统。
图6.5-2精馏塔解耦控制方框图
6.5.2精馏塔的节能控制
石油化工行业是工业生产能耗大户，而精馏过程往往又占典型石油化工生产过程能耗的40%左右。因此精馏塔的节能控制成为人们研究的重要课题。
在以往工艺生产中，为了保证产品的合格，对精馏操作习惯采用超高质量的过分离操作，使用加大回流比，增加再沸器上升蒸汽量等消耗过多能量的手段，换取一个在较宽的操作范围内均能获得合格产品质量的保障。这意味着精馏塔的节能是大有潜力的。
精馏塔的节能控制，首要的是把过于保守的过分离操作，转变为严格控制产品质量的“卡边”生产。但这必须有合适的自控方案来保证塔的抗干扰能力，稳定塔的正常操作。同时，也可以对工艺惊醒必要的改进，配置相应的控制系统，充分利用精馏操作中的能量，降低能耗。
1）浮动塔压控制方案
精馏塔通常都在恒定的塔压条件下操作，其原因：一是在稳定压力条件下操作，有利于保证塔的平稳；其次当温度为间接质量指标时，能较正确反映成分的变化。然而，从节能或经济的观点来考虑，塔压恒定未必是合理的，尤其当冷凝器采用风冷或水冷情况时，更是如此。因而，有人提出把恒定塔压控制改为浮动塔压控制的设想。
（1）塔压浮动的目得
所谓塔压浮动，即在可能的条件下，把塔压尽量降低，有利于能量节省。具体来说，它压下降，可以从两方面降低能耗。
①降低操作压力，将增加组分间的相对挥发度，这样组分分离容易，使再沸器的加热量下降，节省能量。当然此时冷凝器的负荷增大，冷剂量消耗增多，但冷剂量一般比热剂成本低，尤其在采用风冷或水冷时，节能效益更大。
②降低操作压力，使整个精馏系统的气液平衡温度下降，提高了再沸器两侧传热温差，再沸器在消耗同样热剂的情况下，加热能力增大了。与此同时，由于平衡温度的下降，减少了在再沸器传热壁上的结垢现象，也有利于维持再沸器传热能力。
综上所述：尽可能地降低塔的操作压力，能节省大量的能量，的确是精馏塔操作节能的一个举措。然而，塔压的降低必须满足下列条件，才能在获得节能的同时，使精馏塔操作符合工艺的要求，正常而平稳地进行。
（2）塔压浮动的条件
①质量指标的选取必须适应塔压浮动的需要。一般情况下，以成分信号作为直接的质量指标是最合适的，其丝毫不受塔压浮动的影响。如果采用温度作为间接质量指标，则应根据工艺的要求，采取必要的压力补偿措施。
②塔压降低的限度受冷凝器最大冷却能力的制约。塔压的降低，增大冷凝器的负荷，允许的最低操作压力应视冷凝器是否有能力把塔顶气相物料冷凝下来而定。
③塔压浮动但不能出现突变。允许塔压浮动，但在外干扰作用下，不能出现突变。因为
塔压的突变有可能破坏气液平衡，而且压力的突然下降，会引起塔板上液体的闪蒸，从而出现液泛。这些都将影响精馏塔操作的正常进行。
（3）塔压浮动控制的实施
为了节能，采取精馏塔的塔压浮动操作，必须
满足上述三个条件。其中1、2两条在方案确定时
都已作了考虑，在具体方案实施时，主要侧重在
防止压力的突然变动上。图6.5-3所示为一个精
馏塔的浮动塔压控制方案。这个方案是在原塔压
控制系统的基础上，增加了一个具有纯积分作用
的阀位控制VPC，从而起到浮动塔压操作所要求的
两个作用。
①不管冷凝器的冷却情况如何变化（如遇暴风
雨降温），VPC的作用可使塔压不会突变，而是缓
慢地变化，一直浮动到冷剂可能提供的最低压力
点。
②为保证冷凝器总在最大负荷下操作，控制阀
应开启到最大开度。考虑到需有一定的控制余量，
阀位极限值可设定在90%开度或更大一些数值。图6.5-3 浮动塔压控制方案图6.5-3中的PC为一般的PI控制器，VPC则是纯积分或大比例带的PI控制器。PC控制系统应整定成操作周期短，过程反应快，一般积分时间取得较小，例如为2 min左右。而VPC的操作周期长，过程反应慢，一般积分时间取得较大，如积分时间为60 min。因此在分析中可假定忽略PC系统和VPC系统之间的动态联系。即分析PC动作时，可以认为VPC系统是不动作的；而分析VPC系统时，又可认为PC系统是瞬时跟踪的。
2）从化学热力学观点选取节能方案
在用热油作为再沸器热剂的精馏系统中，可以采用图6.5-4所示的提馏段温度控制系统。在这个温度控制系统中，提馏段温度控制器通过控制再沸器热油阀来保持塔内的温度。热油循环系统是通过调整加热炉的燃料油量来维持塔内温度。该系统与一般塔内温度控制系统不
同的地方是：另外设置了一个阀位控制系统VPC和热油温度控制系统T2C。由于VPC和T2C 的工作，使此塔内温度控制系统能尽量减少能量的消耗。
本系统依靠VPC和T2C可以使
热油控制阀V2总是处于尽量打开
的工作状态，如开度处于90%开
度，有一定的余量。V2的开度大，
燃油量大，由一定加热量的要求可
知，热油温度将会尽可能降低。从
化学热力学观点来看，阀节流损失
减少，加热燃料量下降；燃油温度
低，烟道气能量损失也可减少。图6.5-4 节能的提馏段温度控制系统
这样能节省不少无谓的能量损失。
系统的动作过程可简单分析如下：当塔内温度升高时，T1C的动作使热油阀V2先关小。
与此同时，VPC动作，其输出变化使T2C的给定值降低。T2C动作，把燃料油阀V1关小，减少燃料油量，使加热炉出口温度也随之下降，于是热油阀V2又打开，压降减少。循环往复，
成本函数表达式（6.5-5）中的Q 可表示成：
v H V Q ?= （6.5-6）
x的优化计算按式（6.5-11）来图6.5-5为精馏塔静态最优控制的实施原理图。其中
B
x就是根据静态最优的计算结果来设定的。
进行的，塔釜产品的质量控制系统给定值
B
图6.5-5 精馏塔静态最优控制实施原理图
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精馏塔提馏段的温度控制系统
南华大学 过程控制仪表课程设计 设计题目精馏塔提馏段的温度控制系统学生XXX 专业班级自动化X X X 学号XXXXXXXXXX 指导老师XXX 2012年6月25日
目录 1.系统简介与设计目的 (2) 2.控制系统工艺流程及控制要求 (3) 3．设计方案及仪表选型 (4) 3.1控制方案的确定 (4) 3.2控制系统图、方框图 (5) 4.各个环节仪表的选型，仪表的工作原理以及性能指标 (7) 4.1检测元件 (7) 4.1.1铠装热电偶特点 (7) 4.1.2铠装热电偶主要技术参数 (7) 4.2变送器 (7) 4.2.1变送器主要技术指标 (7) 4.3调节器 (8) 4.4执行器 (8) 4.4.1电／气阀门定位器作用 (8) 5.绘制仪表盘电气接线图，端子接线图 (10)
6.仪表型号清单 (11) 7.设计总结 (12) 参考文献 (13) 1.系统简介与设计目的 精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接影响到工厂的产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以 来一直受到人们的高度重视。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔 板组成，在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的 特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是，在保证产品质 量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好 实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。
按提馏段指标的控制方案，当塔釜液为主要产品时，常常按提馏段指标控制。 如果是液相进料，也常采用这类方案。这是因为在液位相进料时，进料量的变化， 首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变 化，所以采用提馏段控制温度比较及时。另外如果对釜底出料的成分要求高于塔 顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几 倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。 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，即使总收益最大，成本最小。
精馏塔设计流程
在一常压操作的连续精馏塔内分离水—乙醇混合物。已知原料的处理量为2000吨、组成为36%（乙醇的质量分率，下同），要求塔顶馏出液的组成为82%，塔底釜液的组成为6%。设计条件如下： 操作压力 5kPa(塔顶表压)； 进料热状况自选； 回流比自选； 单板压降≤0.7kPa； 根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。 【设计计算】 （一）设计方案的确定 本设计任务为分离水—乙醇混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。 设计中采用泡点进料，将原料液通过预料器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 （二）精馏塔的物料衡算 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 M=46.07kg/kmol 乙醇的摩尔质量 A M=18.02kg/kmol 水的摩尔质量 B
F x =18.002 .1864.007.4636.007.4636.0=+= D x =64.002 .1818.007.4682.007.4682.0=+= W x =024.002.1894.007.4606.007.4606.0=+= 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 F M =0.18×46.07+(1-0.18)×18.02=23.07kg/kmol D M =0.64×46.07+(1-0.64)×18.02=35.97kg/kmol W M =0.024×46.07+(1-0.024)×18.02=18.69kg/kmol 3.物料衡算 以每年工作250天，每天工作12小时计算 原料处理量 F = 90.2812 25007.2310002000=???kmol/h 总物料衡算 28.90=W D + 水物料衡算 28.90×0.18=0.64D+0.024W 联立解得 D =7.32kmol/h W =21.58kmol/h （三）塔板数的确定 1. 理论板层数T N 的求取水—乙醇属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 ①由手册查得水—乙醇物系的气液平衡数据，绘出x —y 图，如图。 ②求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.18 , 0.18)作垂线ef 即为进料线（q 线），该线与平衡线的交点坐标为 q y =0.52 q x =0.18 故最小回流比为 min R =q q q D x y y x --=35.018 .0-52.052.0-64.0=3 取操作回流比为 R =min R =1.5×0.353=0.53 ③求精馏塔的气、液相负荷 L =RD =17.532.753.0=?=kmol/h V =D R )1(+=（0.53+1）20.1132.7=?kmol/h
精馏塔温度控制系统设计.doc
辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化093 学号： 090302074 学生姓名：杨昌宝 指导教师：（签字） 起止时间：
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要 随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。 精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，还有用于克服进料扰动影响的控制方法前馈—反馈控制。 前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。 前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度 关键词：提馏段温度前馈-反馈串级控制
精馏塔的设计计算方法
各位尊敬的评委老师、领导、各位同学： 上午好！ 这节课我们一起学习一下精馏塔的设计计算方法。 二元连续精馏的工程计算主要涉及两种类型：第一种是设计型，主要是根据分离任务确定设备的主要工艺尺寸；第二种是操作型，主要是根据已知设备条件，确定操作时的工况。对于板式精馏塔具体而言，前者是根据规定的分离要求，选择适宜的操作条件，计算所需理论塔板数，进而求出实际塔板数；而后者是根据已有的设备情况，由已知的操作条件预计分离结果。 设计型命题是本节的重点，连续精馏塔设计型计算的基本步骤是：在规定分离要求后（包括产品流量D、产品组成x D及回收率η等），确定操作条件（包括选定操作压力、进料热状况q及回流比R等），再利用相平衡方程和操作线方程计算所需的理论塔板数。计算理论塔板数有三种方法：逐板计算法、图解法及简捷法。本节就介绍前两种方法。 首先，我们看一下逐板计算法的原理。 该方法假设：塔顶为全凝器，泡点液体回流；塔底为再沸器，间接蒸汽加热；回流比R、进料热状况q和相对挥发度α已知，泡点进料。 从塔顶最上一层塔板（序号为1）上升的蒸汽经全凝器全部冷凝成饱和温度下的液体，因此馏出液和回流液的组成均为y1，且y1=x D。 根据理论塔板的概念，自第一层板下降的液相组成x1与上升的蒸汽组成y1符合平衡关系，所以可根据相平衡方程由y1 求得x1。 从第二层塔板上升的蒸汽组成y2与第一层塔板下降的液体组成x1符合操作关系，故可用根据精馏段操作线方程由 x1求得y2。 按以上方法交替进行计算。 因为在计算过程中，每使用一次相平衡关系，就表示需要一块理论塔板，所以经上述计算得到全塔总理论板数为m块。其中，塔底再沸器部分汽化釜残夜，气液两相达平衡状态，起到一定的分离作用，相当于一块理论板。这样得到的结果是：精馏段的理论塔板数为n-1块，提馏段为m－n块，进料板位于第n板上。 逐板计算法计算准确，但手算过程繁琐重复，当理论塔板数较多时可用计算机完成。 接下来，让我们看一下计算理论塔板数的第二种方法——图解法的原理。 图解法与逐板计算法原理相同，只是用图线代替方程，以图形的形式求取
精馏塔温度控制系统设计
精馏塔温度控制系统设计 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化093 学号： 0 学生姓名：杨昌宝 指导教师：（签字） 起止时间：
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：自动化
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘要 随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。 精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，还有用于克服进料扰动影响的控制方法前馈—反馈控制。 前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而
精馏塔的控制
精馏塔的控制 12.1 概述? 精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。 ?分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。 ?精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。 精馏塔的特点精馏塔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、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。 一、精馏塔的基本关系 （1）物料平衡关系总物料平衡： F=D+B (12-1) 轻组分平衡：F z f =D x D +B x B (12-2) 联立（12-1）、（12-2）可得： （2）能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分离度的概念。所谓分离度s 可用下式表示： 回流泵 冷凝器 气液分离器 精馏塔 进料 再沸器 釜液 馏出液 冷剂 热剂 B,x B D,x D F,z F L L B L D V B D f D B B f D x x x z F D x x z D F x --= +-=)((12-3) ) 1()1(D B B D x x x x s --=(12-5)
可见，随着s 的增大，x D 也增大，x B 而减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s 的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量V 和进料F 的比值等。对于一个既定的塔来说： 式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示： 或可表示为： 式中β为塔的特性因子由上式可以看到，随着V /F 的增加，s 值提高，也就是x D 增加， x B 下降，分离效果提高了。由于V 是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。由上分析可见， V /F 的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。 对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D /F 和V /F 一定，这个塔的分离结果，即 x D 和x B 将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式， 可以确定塔顶与塔底组分待定因素。 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比一定，就确定了分离结果是一致的。二、精馏塔的控制要求精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。 （1）产品质量控制； （2）物料平衡控制； （3）能量平衡控制； （4）约束条件控制（液泛限、漏液限、压力限、临界温差限等）。 防止液泛和漏液，可以塔压降或压差来监视气相速度。三、精馏塔的主要干扰因素精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F 、进料组分z f 、进料温度T f 或热焓F E 。 此外，冷剂与热剂的压力和温度及环境温度等因素，也会影响精馏塔的平衡操作。 所以，在精馏塔的整体方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，对精馏塔的操作平稳是极为有利的。 12.3 精馏塔被控变量的选择 通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。 一、采用产品成分作为直接质量指标 成分分析仪表的制约因素： ①分析仪表的可靠性差； ②分析测量过程滞后大，反应缓慢； ③成分分析针对不同的产品组分，品种上较难一一满足。 二、采用温度作为间接质量指标 )(F V f s =(12-6) s F V ln β=) 1()1(ln D B B D x x x x F V --=β(12-7) (12-8)
精馏塔工艺工艺设计方案计算
第三章 精馏塔工艺设计计算 塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形势穿过板上的液层，进行传质与传热，在正常操作下，气象为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。 本次设计的萃取剂回收塔为精馏塔，综合考虑生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性、结构造价等因素将该精馏塔设计为筛板塔。 3.1 设计依据[6] 3.1.1 板式塔的塔体工艺尺寸计算公式 （1） 塔的有效高度 T T T H E N Z )1( -= （3-1） 式中 Z –––––板式塔的有效高度，m ； N T –––––塔内所需要的理论板层数； E T –––––总板效率； H T –––––塔板间距，m 。 （2） 塔径的计算 u V D S π4= （3-2） 式中 D –––––塔径，m ； V S –––––气体体积流量，m 3/s u –––––空塔气速，m/s u =（0.6~0.8）u max （3-3） V V L C u ρρρ-=max （3-4） 式中 L ρ–––––液相密度，kg/m 3
V ρ–––––气相密度，kg/m 3 C –––––负荷因子，m/s 2 .02020?? ? ??=L C C σ （3-5） 式中 C –––––操作物系的负荷因子，m/s L σ–––––操作物系的液体表面张力，mN/m 3.1.2 板式塔的塔板工艺尺寸计算公式 (1) 溢流装置设计 W OW L h h h += (3-6) 式中 L h –––––板上清液层高度，m ； OW h –––––堰上液层高度，m 。 3 2100084.2??? ? ??=W h OW l L E h （3-7） 式中 h L –––––塔内液体流量，m ； E –––––液流收缩系数，取E=1。 h T f L H A 3600= θ≥3~5 (3-8) 006.00-=W h h (3-9) ' 360000u l L h W h = (3-10) 式中 u 0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，m/s 。 (2) 踏板设计 开孔区面积a A ： ??? ? ??+-=-r x r x r x A a 1222sin 1802π （3-11）
精馏塔控制系统设计
Hefei University 《化工仪表及自动化》过程考核之三——设计 题目：精馏塔控制系统设计， 系别： 班级： 姓名： 学号： 教师： 日期：
目录 Hef e i Un iv ers ity (1) 化工班：《化工仪表及自动化》 (1) 过程考核之三——设计 (1) 一、概述 (3) 二、内容 (3) 三、说明 (3) 1、工作要求 (3) 2、物料 (3) 3、精馏过程的控制方案设计 (4) 四、设备选型 (5) 1、测控仪表选型 (5) 2、执行机构选型 (5) 五、总结 (5) 六、参考文献 (5)
精馏塔控制系统设计 一、概述 精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可减少残余物料的污染作用。影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰。 二、内容 蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 本文主要内容是结合课本所学仪表自动化知识，掌握测控仪表，了解二元精馏系统流程仪表的位号和特点，仔细研究二元精馏的工艺流程图，熟悉工艺流程依次设计一套完整的控制方案，使系统能对二元精馏的工艺过程进行有效地控制。 三、说明 1、工作要求 精馏塔控制系统主要分为三部分控制：塔釜温度控制精馏塔塔釜温度是产品成分的间接质量指标,要求温度检测点在系统受到干扰时温度变化灵敏,因此塔内测温点设置在灵敏板上,通过控制再沸器蒸汽流量来实现温度的稳定。 2、物料
过程控制课程设计-精馏塔的均匀控制系统设计
目录 1 精馏塔控制系统介绍 (1) 1.1精馏塔原理 (1) 1.2控制要求及干扰因素 (1) 2 设计任务及要求 (2) 3 均匀控制系统 (2) 3.1均匀控制概念 (2) 3.2均匀控制系统特点 (4) 4设计方案选择 (5) 4.1方案一简单均匀控制 (5) 4.2方案二串级均匀控制 (5) 5 系统各器件选型 (7) 5.1检测转换元件的选择、性能参数 (7) 5.2调节阀气开气关式选择 (9) 6.系统仿真与分析 (11) 7.小结与体会 (12) 参考文献 (13)
精馏塔的均匀控制系统设计 1 精馏塔控制系统介绍 1.1 精馏塔原理 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。 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)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，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，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。 蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 1.2 控制要求及干扰因素 为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求: (1) 保证产品质量。以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控制系统。 (2) 保证平稳生产。首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液量
精馏塔控制系统
第6章精馏塔控制系统 6.1 概述 精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。 轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。 精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。 6.1.1 精馏塔的控制要求 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，即使总收益最大，成本最小。 精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控 制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面 考虑。 1．质量指标 精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满 足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而 另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，就二 元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产 品中重组分含量。对于多元精馏而言，则以关键组分的含量来 表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的 关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分 是不易挥发的，称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好， 原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求就越高，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图6.1-1 精馏塔示意图 用要求适应。 2．物料平衡控制 进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。 3．能量平衡和经济平衡性指标 要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。 4．约束条件 精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件。 气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。 最小气相速度限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。
苯氯苯板式精馏塔的工艺设计工艺计算书
苯氯苯板式精馏塔的工艺设计工艺计 算书 1
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苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计工艺计算书(精馏段部分) 化学与环境工程学院 化工与材料系 5月27日
课程设计题目一——苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计 一、设计题目 设计一座苯-氯苯连续精馏塔,要求年产纯度为99.8%的氯苯50000t/a,塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为35%(以上均为质量%)。 二、操作条件 1.塔顶压强4kPa(表压); 2.进料热状况,自选; 3.回流比,自选; 4.塔釜加热蒸汽压力506kPa; 5.单板压降不大于0.7kPa; 6.年工作日330天,每天24小时连续运行。 三、设计内容 1.设计方案的确定及工艺流程的说明; 2.塔的工艺计算; 3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算; 4.塔内流体力学性能的设计计算; 5.塔板负荷性能图的绘制; 1 2020年5月29日
2 2020年5月29日 6.塔的工艺计算结果汇总一览表; 7.辅助设备的选型与计算; 8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制; 9.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。 四、基础数据 1.组分的饱和蒸汽压οi p (mmHg) 2.组分的液相密度ρ(kg/m 3) 纯组分在任何温度下的密度可由下式计算 苯 t A 187.1912-=ρ 推荐:t A 1886.113.912-=ρ 氯苯 t B 111.11127-=ρ 推荐:t B 0657.14. 1124-=ρ 式中的t 为温度,℃。 3.组分的表面张力σ(mN/m)
3 2020年5月29日 双组分混合液体的表面张力m σ可按下式计算: A B B A B A m x x σσσσσ+= (B A x x 、为A 、B 组分的摩尔分率) 4.氯苯的汽化潜热 常压沸点下的汽化潜热为35.3×103kJ/kmol 。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示: 38 .01 238 .012??? ? ??--=t t t t r r c c (氯苯的临界温度:C ?=2.359c t ) 5.其它物性数据可查化工原理附录。 附参考答案:苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书(精馏段部分) 苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书(精馏段部分) 一、设计方案的确定及工艺流程的说明 原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏塔(筛板塔),塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液,其余作为产品经冷却后送至苯液贮罐;塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流,塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。流程图略。
板式精馏塔课程设计
《化工原理》课程设计报告 苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计 学院 专业 班级 学号 姓名 合作者 指导教师
化工原理设计任务书 一、设计题目: 苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计 二、设计任务 1）进精馏塔的原料液中含氯苯为38%（质量百分比，下同），其余为苯。 2）塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。 3）生产能力为日产纯度为99.8%的氯苯Z吨产品。年工作日300天，每天24小时连续运行。（设计任务量为3.5吨/小时） 三、操作条件 1.塔顶压强4kPa（表压）； 2.进料热状况，自选； 3.回流比，自选； 4.塔釜加热蒸汽压力0.5MPa； 5.单板压降不大于0.7kPa； 6. 设备型式：自选 7．厂址天津地区 四、设计内容 1.精馏塔的物料衡算； 2.塔板数的确定； 3.精馏塔的工艺条件及有关五行数据的计算； 4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算； 5.塔板的主要工艺尺寸计算； 6.塔板的流体力学计算； 7.塔板负荷性能图； 8.精馏塔接管尺寸计算； 9.绘制生产工艺流程图； 10.绘制精馏塔设计条件图； 11.绘制塔板施工图； 12.对设计过程的评述和有关问题的讨论
五、基础数据 1.组分的饱和蒸汽压 i p （mmHg ） 2.组分的液相密度ρ（kg/m 3） 纯组分在任何温度下的密度可由下式计算 苯 t A 187.1912-=ρ 氯苯 t B 111.11127-= ρ 式中的t 为温度，℃。 3.组分的表面张力σ（mN/m ） 双组分混合液体的表面张力m σ可按下式计算： A B B A B A m x x σσσσσ+= （B A x x 、为A 、B 组分的摩尔分率） 4.氯苯的汽化潜热 常压沸点下的汽化潜热为35.3×103kJ/kmol 。 纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示： 38 .01212??? ? ??--=t t t t r r c c （氯苯的临界温度：C ?=2.359c t ） 5.其他物性数据可查化工原理附录。
过程控制课程设计
… 辽宁工业大学 过程控制系统课程设计（论文） ￥ 题目：精馏塔塔内压力控制系统设计 、 院（系）： 》 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师：
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课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 设计题目 精馏塔塔内压力控制系统设计 课 程 设 计 （ 论 文 ） 任 务 设计任务 设计精馏塔塔内压力控制系统设计，精馏塔塔内压力的单位阶跃响应曲线实验数据如下： 设计要求 1、根据实验数据辨识对象的数学模型，设计一个无差控制系统，确定控制方案并绘制原理结构图、方框图； 2、 选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 4、若设计由数字控制系统实现应给出系统硬件电气连接图及程序流程图； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000 字以上。 技术参数 测量范围：0-5大气压，控制压力：1±大气压 ，超调量小于等于25%； 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天 ） 2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天 ） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天 ） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式（ 1天），调节阀的气开 气关形式以及流量特性选择。（ 1天） 5、上机实现系统的模拟运行或仿真、答辩。（2天 ） 6、撰写、打印设计说明书（1天 ） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日
精馏塔精馏段温度比值控制方案设计
目录 1. 精馏塔控制系统介绍 (1) 1.1精馏塔原理 (1) 2. 精馏塔精馏段控制分析 (2) 2.1精馏塔精馏段的控制要求 (2) 2.2精馏塔精馏段的扰动分析 (3) 2.3精馏塔被控变量的选择 (6) 3. 比值控制系统 (7) 3.1 比值控制系统简介 (7) 3.2 比值控制系统的设计 (7) 4. 精馏塔精馏段温度比值控制系统设计 (9) 4.1精馏塔精馏段比值控制系统参数的选择 (9) 4.2控制参数的确定 (9) 4.3现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件 (9) 4.4系统方块图 (10) 5. 分析被控对象特性，选择控制算法（调节器控制规律的确定） (11) 5.1比值系数的确定 (11) 6. 精馏塔精馏段温度控制分析 (12) 7. 系统仿真与参数整定 (14) 7.1 控制系统的Simulink仿真框图 (14) 7.2 PID参数整定 (14) 8. 课程设计总结 (18) 9. 参考文献 (19)
1.精馏塔控制系统介绍 1.1精馏塔原理 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔和填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔和间歇精馏塔。 蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难会发组分不断地向下降液中转移，蒸汽越接近塔顶，其易挥发组分浓度越高，而下降液越接近塔底，其难挥发组分则越富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化，利用其中各组分挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方式可分为：简单蒸馏，闪蒸，精馏，特殊精馏等。 1.2精馏装置的作用 （1）精馏段的作用 加料版以上的塔段为精馏段，其作用是逐板增加上升气相中的易挥发组分的浓度。 （2）提馏段的作用 包括加料版在内的以下塔板为提馏段，其作用是逐板提取下降的液相中易挥发组分。 （3）塔板的作用 塔板是供气液两相进行传质和传热的场所。每一块塔板上气液两相进行双向传质，只要有足够的塔板数，就可以将混合液分离成两个较纯净的组分。 （4）再沸器的作用 其作用是提供一定流量的上升蒸气流。 （5）冷凝器的作用 其作用是提供塔顶液相产品并保证有适当的液相回流。回流主要补充塔板上易挥发组分的浓度，是精馏连续定态进行的必要条件。精馏是一种利用回流使混合液得到高纯度分离的蒸馏方法。
精馏塔的设计(毕业设计)讲义
精馏塔尺寸设计计算 初馏塔的主要任务是分离乙酸和水、醋酸乙烯，釜液回收的乙酸作为气体分离塔吸收液及物料，塔顶醋酸乙烯和水经冷却后进行相分离。塔顶温度为102℃，塔釜温度为117℃，操作压力4kPa。 由于浮阀塔塔板需按一定的中心距开阀孔，阀孔上覆以可以升降的阀片，其结构比泡罩塔简单，而且生产能力大，效率高，弹性大。所以该初馏塔设计为浮阀塔，浮阀选用F1型重阀。在工艺过程中，对初馏塔的处理量要求较大，塔内液体流量大，所以塔板的液流形式选择双流型，以便减少液面落差，改善气液分布状况。 4.2.1 操作理论板数和操作回流比 初馏塔精馏过程计算采用简捷计算法。 （1）最少理论板数N m 系统最少理论板数，即所涉及蒸馏系统（包括塔顶全凝器和塔釜再沸器）在全回流下所需要的全部理论板数，一般按Fenske方程[20]求取。 式中x D,l，x D,h——轻、重关键组分在塔顶馏出物（液相或气相）中的摩尔分数； x W,l，x W,h——轻、重关键组分在塔釜液相中的摩尔分数； αav——轻、重关键组分在塔内的平均相对挥发度； N m——系统最少平衡级（理论板）数。 塔顶和塔釜的相对挥发度分别为αD=1.78，αW=1.84，则精馏段的平均相对挥发度： 由式（4－9）得最少理论板数： 初馏塔塔顶有全凝器与塔釜有再沸器，塔的最少理论板数N m应较小，则最少理论板数：。 （2）最小回流比 最小回流比，即在给定条件下以无穷多的塔板满足分离要求时，所需回流比R m，可用Underwood法计算。此法需先求出一个Underwood参数θ。 求出θ代入式（4－11）即得最小回流比。
式中——进料（包括气、液两相）中i组分的摩尔分数； c——组分个数； αi——i组分的相对挥发度； θ——Underwood参数； ——塔顶馏出物中i组分的摩尔分数。 进料状态为泡点液体进料，即q=1。取塔顶与塔釜温度的加权平均值为进料板温度（即计算温度），则 在进料板温度109.04℃下，取组分B（H2O）为基准组分，则各组分的相对挥发度分别为αAB=2.1，αBB=1，αCB=0.93，所以 利用试差法解得θ=0.9658，并代入式（4－11）得 （3）操作回流比R和操作理论板数N0 操作回流比与操作理论板数的选用取决于操作费用与基建投资的权衡。一般按R/R m=1.2～1.5的关系求出R，再根据Gilliland关联[20]求出N0。 取R/R m=1.2，得R=26.34，则有： 查Gilliland图得 解得操作理论板数N0=51。 4.2.2 实际塔板数 （1）进料板位置的确定 对于泡点进料，可用Kirkbride提出的经验式进行计算。
精馏塔控制系统课程设计
辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔提馏段温度控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化082 学号： 080302051 学生姓名：曹威 指导教师： 起止时间：2011.06.27-2011.07.04
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要 随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。 影响物料平衡因素包括进料量和进料成分变化，顶部馏出物及底部出料变化；影响能量平衡因素主要包括进料温度或热焓变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量变化，及塔的环境温度变化。采用串级控制系统能有效地去除蒸汽压强的波动对温度的影响。使用超驰控制系统控制釜液输出端，在塔釜温度较低时，塔底不出料只有当温度达到低线以上，液位控制器取代温度控制器以后，才有出料排出。 关键词：提馏段温度串级控制超驰控制
目录 第1章绪论 (1) 第2章控制方案 (2) 2.1 基本原理 (2) 2.1.1物料平衡关系 (2) 2.2设计方案 (3) 2.2.1控制方案类型 (3) 2.2.2控制方案的选择 (4) 第3章系统各仪表选择 (8) 3.1 检测变送器的原理 (8) 3.1.1 温度变送器的选择 (8) 3.1.2 流量变送器的选择 (9) 3.1.3 液位变送器的选择 (10) 3.2 执行器的选择 (10) 3.3 调节器的选择 (10) 3.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 (12) 第4章系统仿真 (13) 4.1串级控制系统matlab仿真分析 (13) 4.2液位控制系统仿真分析 (14) 第5章课程设计总结 (16) 参考文献 (17)
精馏塔常用的一些控制方案
精馏塔常用的一些控制方案 塔的作用是在同一个设备中进行质量和热量的交换，是石油化工装置非常重要的设备。塔的型式有板式塔（泡罩塔、浮阀塔、栅板塔等）、填料塔（高效填料、常规填料、散装填料、规整填料等）、空塔。塔由筒体和内件组成。 蒸馏塔由精馏段和提馏段组成，进料口以上是精馏段，进料口以下是提馏段。 精馏塔的控制方案主要从塔压、釜温、顶温、塔釜液面四个方面来说明： 1．精馏操作中塔压的控制调节方法 塔的压力是精馏塔主要的控制指标之一。任何一个精馏塔的操作，都应当把塔压控制在规定的指标内，以相应地调节其它参数。塔压波动过大，就会破坏全塔的物料平衡和气液平衡，使产品达不到所要求的质量。所以，许多精馏塔都有其具体的措施，确保塔压稳定在适宜范周内。 对于加压塔的塔压，主要有以下三种调节方法 （1）塔顶冷凝器为分凝器时，塔压一般是靠气相采出量来调节的，如图6-1所示。在其它条件不变的情况下，气相采出量增大，塔压下降，气相采出量减小，塔压上升。
（2）塔顶冷凝器为全凝器时，塔压多是靠冷剂量的大小来调节，即相当于调节回流液温度，如图6-2所示。在其它条件不变的前提下，加大冷剂量，则回流液的温度降低，塔压降低，若减少冷剂量，回流液温度上升，塔压上升。 （3）热旁通(浸没式)法调节塔压。 对于常压塔的压力控制，主要有以下三种方法 （1）对塔顶压力在稳定性要求不高的情况下，无需安装压力控制系统，应当在精馏设备（冷凝器或回流罐）上设置一个通大气的管道，以保证塔内压力接近于大气压。 （2）对塔顶压力的稳定性要求较高或被分离的物料不能和空气接触时，塔顶压力的控制可采用加压塔塔压的控制方法，如图6-1、图6-2。
板式精馏塔设计书.doc
板式精馏塔设计任务书4-3 一、设计题目： 苯―甲苯精馏分离板式塔设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务：生产能力（进料量） 6万吨／年 操作周期 7200 小时／年 进料组成 48.0％（质量分率，下同） 塔顶产品组成 98.0％ 塔底产品组成 3.0% 2、操作条件 操作压力常压 进料热状态泡点进料 冷却水 20℃ 加热蒸汽 0.19MPa 3、设备型式筛板塔 4、厂址安徽省合肥市 三、设计内容： 1、概述 2、设计方案的选择及流程说明 3、塔板数的计算(板式塔) ( 1 ) 物料衡算; ( 2 ) 平衡数据和物料数据的计算或查阅; ( 3 ) 回流比的选择; ( 4 ) 理论板数和实际板数的计算; 4、主要设备工艺尺寸设计 ( 1 ) 塔内气液负荷的计算; ( 2 ) 塔径的计算; ( 3 ) 塔板结构图设计和计算； ( 4 )流体力学校核； ( 5 )塔板负荷性能计算； ( 6 )塔接管尺寸计算； ( 7 )总塔高、总压降及接管尺寸的确定。 5、辅助设备选型与计算 6、设计结果汇总 7、工艺流程图及精馏塔装配图 8、设计评述
目录 1、概述 (3) 1.1 精馏单元操作的简介 (3) 1.2 精馏塔简介 (3) 1.3 苯-甲苯混合物简介 (3) 1.4设计依据 (3) 1.5 技术来源 (3) 1.6 设计任务和要求 (4) 2、设计计算 (4) 2.1确定设计方案的原则 (4) 2.2操作条件的确定 (4) 2.2.1操作压力 (4) 2.2.2进料状态 (5) 2.2.3加热方式的选择 (5) 2.3设计方案的选定及基础数据的搜集 (5) 2.4板式精馏塔的简图 (6) 2.5常用数据表： (6) 3、计算过程 (8) 3.1 相关工艺的计算 (9) 3.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 (9) 3.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (9) 3.1.3 物料衡算 (9) 3.1.4 最小回流比及操作回流比的确定 (9) 3.1.5精馏塔的气、液相负荷和操作线方程 (10) 3.1.6逐板法求理论塔板数 (10) 3.1.7精馏塔效率的估算 (12) 3.1.8实际板数的求取 (12) 3.2精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (12) 3.2.1操作压力计算 (12) 3.2.2操作温度计算 (13) 3.2.3平均摩尔质量计算 (13) 3.2.4平均密度计算 (14) 3.2.5液体平均表面张力计算 (15) 3.2.6液体平均粘度计算 (16) 3.3 精馏塔的主要工艺尺寸的计算 (17) 3.3.1 塔内气液负荷的计算 (17) 3.3.2 塔径的计算 (17) 3.3.3 精馏塔有效高度的计算 (19) 3.4 塔板结构尺寸的计算 (19) 3.4.1 溢流装置计算- (19) 3.4.2塔板布置 (21) 3.5筛板的流体力学验算 (23) 3.5.1 塔板压降相当的液柱高度计算 (23) 3.5.2液面落差 (24)