精馏塔精馏段温度控制方案设计与仿真

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1、目 录摘要IIAstractIII绪论1第1章精馏塔精馏段温度控制方案设计21.1串级控制系统的特点21.2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构21.2.1 变量的选择.2 1.2.2 工艺描述3 1.2.3 精馏塔精馏段控制的原理4第2章 系统仿真技术52.1 系统仿真的分类与发展5 2.1.1 仿真系统的分类5 2.1.2 仿真系统的发展5 2.1.3 计算机仿真技术的应用5第3章 结论5参考文献8精馏塔精馏段温度控制方案设计与仿真摘要 精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏过程通过反复的汽化与冷凝，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。精馏塔的控制直接影

2、响到产品质量、产量和能量消耗，因此精馏塔的自动控制问题长期以来一直受到人们的高度重视。 本文简述了板式精馏塔分离苯-甲苯的工作原理及工艺流程，通过对精馏塔精馏段的扰动分析，综合各方面因素考虑，通过比较选出了一种比较合适的控制方案，并建立控制系统的数学模型，通过MATLAB进行仿真，对精馏塔精馏段中的控制方案进行了分析，得出了结论，提出了自己的观点。关键词：精馏塔，工艺流程，控制方案，仿真 Abstract Distillation in oil refining, chemical and so on is widely applied in many production process o

3、f a mass transfer process. Distillation process through repeated vaporizing and condensation, mixed materials to the various components of the separation, the purity of the specified respectively. The control of the column to directly affect product quality, production and energy consumption, so the

4、 automatic control problem of the column has long been the high attention by people. This paper describes the column board type and working principle of the technological process, through the analysis of the column of disturbance, the comprehensive factors considered, by comparing choose a more appr

5、opriate control scheme, and establish the control system of the mathematical model, through the MATLAB, and simulation of the column of rectifying section of the control scheme is analysed and the conclusion, presented their views.Key words: The column,The technical process, Control scheme, MATLAB s

6、imulation III 太原科技大学毕业设计（论文）绪 论 石油化工生产常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。分离互溶液体混合物有许多种方法，精馏是在炼油、化工等众多生产过程中广泛应用的一个传质过程。精馏过程通过反复的汽化与冷凝，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量消耗，因此精馏塔的自动控制问题长期以来一直受到人们的高度。 精馏过程是由精馏装置来实现的，精馏装置一般是由精馏塔、再沸器（重沸器）、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。 实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。石油化工等大型生产过程主要采用的连续精馏。

7、 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。蒸溜的原理是蒸气由塔底进入。蒸发出的气相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)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，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，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，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，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液

8、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。 精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其内在机理复杂，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。第1章 精馏塔精馏段温度控制方案设计串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程控制中得到了广泛的应用。对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度的因素很多：被加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回路控制系统

9、并不能把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统来实现。1.1 串级控制系统的特点 （1）抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出。 （2）及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。 （3）适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能

10、够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。 （4）能够更精确控制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的对应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器输出一一对应，从而能够更精确控制操纵变量的流量。1.2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控制问题。对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制。串级

11、控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势。1.2.1变量的选择（1） 被控变量的选择 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。绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。（2）操纵变量的选择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在恒压下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或塔顶采出量。而回流量L的动态响应快，温度稍有变

12、化，即可通过调节回流量L加以控制，能够很好的克服。 1.2.2 工艺描述影响精馏塔精馏段过程的因素是多方面的，而精镏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，分析精馏塔的物料和能量平衡对制定精馏塔精馏段的控制至关重要。 精馏塔的基本：以二元简单精馏为例，介绍物料平衡和能量平衡的基本关系。 物料平衡： (2-1) 增大，减小。式中 F ，D，B进料、顶馏出液和底馏出液量；, , 进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 能量平衡： (2-2)式中分离度,s增大，增大，减小，说明塔系统分离效果增大。为塔特性因子，V为上升蒸汽量，是由再沸器施加热量来提高的。增大，分离效果增大，能耗增大。对于一个

13、既定的塔，进料组分一定，和一定， 完全确定。分析精馏塔精馏段过程，本文对主回路采用串级控制系统，其主、副调节器所起作用各有侧重。主调节器起定值控制作用，且主控参数允许波动范围很小，一般要求无余差，因此采用需要高精度的免疫PID控制器；由于回流量的变化能够较快地反映在精馏段温度变化上，且能够通过阀门进行控制，因此选择回流罐的液位量控制作为串级控制的副控参数。在串级控制中，副调节器起随动控制作用，且副控参数的调节也是为了保证主控参数的控制质量，可以有一定的余差，因此副调节器采用P调节器。由于进料量和进料温度对进料馏段温度影响较大。 1.2.3 精馏塔精馏段控制的原理我们的控制目的是使塔温保持恒定，

14、现选用精馏段的温度, 与回流量来构成串级随动控制，如图4.1所示。图中TC表示温度调节器，LC表示量调节器液位调节器，TC通常按PID调节规律，流量调节器按P调节规律。当温度发生变化时，由主调节器（ 温度调节器TC）进行控制，其输出作为副调节器（液位调节器LC）的给定值，最终控制阀门的开度，主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象，液位一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了液位的变化对出料温度的影响。如果液位是恒定的，只需测量实际温度，并使其与温度设定值相比较，利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持温度的恒定。路中，以补偿过

15、程的动态特性，使被控对象的滞后时间超前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题，减少了系统的超调量，加速了系统的调节过程，另外，通过增大液位调节器的比例增益，系统的等效时间常数可以获得较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高了系统的工作。在这个计算机串级随动控制系统中，串级控制起到了及时检测系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制，阀位与流量得到了及时的调节，使塔温的控制达到了良好的控制效果，并且使系统具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间很长的问题。二次干扰为该系统的主要扰动，副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。当扰动发生在副回路内，例如液位发生波动

16、引起精馏段的温度变化时，由于有副控回路的存在，液位调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起精馏段的温度变化，温度调节器及时改变其输出信号，由副控回路去改变流量，克服了扰动。第2章 系统仿真技术2.1系统仿真的分类与发展2.1.1仿真系统的分类 系统仿真可分为三类： 1.数学仿真。数学仿真是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行研究。 2.物理仿真。物理仿真则需要进行大量的设备制造，安装，接线及调试工作。 3.混合仿真。混合仿真又称物理-数学仿真，它是把数学仿真，物理仿真和实体结合起来，也就是将系统的一部分描述成数学模型，放入计算机，

17、而其余部分则构建其物理模型或直接采用实体，组成一个复杂的仿真系统。 2.1.2仿真系统的发展 1.硬件发展 计算机仿真技术的发展，就硬件而言，大致经历了以下几个阶段。 20世纪40年代出现了模拟计算机，这是的计算机大都是用来设计飞机的专用计算机。20世纪50年代初，出现了通用的模拟计算机。20世纪50年代末，数字计算机有了很大发展，加上这一时期在微分方程数值解的理论方面又有很大发展，所以在集中高级语言出现后，在20世纪50年代末期，数字计算机便在非实时仿真方面开始得到广泛应用。 2.软件发展 仿真软件的发展基本经历了以下5个阶段。 (1)通用程序设计语言 (2)初级仿真语言阶段 (3)高级仿真

18、语言阶段 (4)一体化建模与仿真环境软件 (5)智能化仿真软件环境2.1.3计算机仿真技术的应用 计算机仿真技术的应用范围十分广泛。它不仅被应用于工程系统，如控制系统的设计、分析和研究，电力系统的可靠性研究，化工流程的模拟，造船、飞机、导弹等研制过程；而且还被应用与非工程系统，如用于研究社会经济、人口、污染、生物、医学系统等。仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。由于其应用广泛及卓有成效，在国际上成立国际仿真联合会（IAMCS）。我国也于1989年成立了系统仿真学会。计算机仿真在系统研究中的重要性在于它不仅经济而且安全可靠。首先，由于仿真技术在应用上的安全性，使得航空、航天、核电站等

19、成为仿真技术最早的和最主要的应用领域。特别是在军事领域，新型的武器系统、大型的航空航天飞行器在其设计、定型过程中，都要依靠仿真试验进行修改和完善。导弹、火箭的设计研制，空战、电子战、攻防对抗等演练也都离不开仿真技术。其次，从仿真的经济性考虑，由于仿真往往是在计算机上模拟现实系统过程，并可多次重复运行，使得其经济性十分突出。另外，从环境保护的角度考虑，防火怎技术也极具价值。仿真技术在许多复杂工程系统的分析和设计研究中越来越成为不可缺少的工具。系统的复杂性主要体现的环境、复杂的对象和复杂的任务上。然而只要能够正确地建立系统的模型，就能够对该系统进行充分的分析研究。另外，仿真系统一旦建立就可重复利用

20、，特别是对计算机仿真的修改非常方便。经过不断的仿真修正，注解深化对系统的认识，以采取相应的控制和决策，是系统处于科学的控制和管理之下。近年来，由于问题领域的扩展和仿真支持技术的发展，出现了一批新的研究热点：（1）面向对象的仿真方法，从人类认识世界的模式出发提供更自然直观的系统仿真框架；（2）分为内部式交互仿真通过计算机网络实现交互操作，构造时空一致合成的仿真环境，可对复杂、分布、综合的系统进行实时仿真；（3）定性仿真以非数字手段处理信息输入、建模、结果输出，建立定性模型；（4）人机和谐的仿真环境，发展可视化仿真、多媒体仿真和虚拟现实等。这些新技术、新方法必将孕育着仿真方法的新突破。当前仿真研究

21、的前沿课题主要有仿真与人工智能技术结合，以实现智能化的仿真系统、分布式仿真与仿真模型的并行处理、图形与动画仿真、面向用户、面向问题、面向实验的建模与仿真环境以及仿真支持系统等。仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关知识为基础，以计算机为工具，借助系统模型对真实系统进行实验研究的一门综合性技术。它涉及相似论、控制论、计算机科学、系统工程理论、数值计算、概率论、数理统计、时间序列分析等多种学科。就控制系统的仿真而言，它是一门涉及控制理论、计算数学和计算机技术的综合性科学。第3章 结论 研究精馏塔的精馏塔精馏原理，分析精馏段的工艺流程，选取出口流量作为被控对象选出被控对象，这些都是很容易从书本中

22、找到根据，本课题研究的是精馏塔精馏段温度控制，所以把出口温度T作为被控变量；在选取温度作为被控变量后到操纵变量的选取，这一过程从分析被控对象的特性和结合精馏塔的流程图，塔出口流量和回流量都对被控对象影响很大，接着根据课题选取间接控制方案，排除塔出口流量作为操纵变量，最后选取回流量作为操纵变量，得出系统控制方框图；根据精馏塔物料平衡和能量平衡，求解被控对象模型；分析被控对象的特性，查阅控制系统可能出现的问题选取控制算法，调节控制参数进行系统仿真，继而控制系统性能。该系统有效地解决了对象等效纯滞后时间很长的问题，能及时检测到系统中可能引起被控制量发生变化的许多因素并加以控制实践表明，串级控制技术是

23、改善自动控制系统调节品质的有效方法之一，精馏塔精馏段温度控制问题是一个典型的时间大滞后问题，温度串级控制技术应用，有效地抑制惯性、迟延性的影响，并且鲁棒性强的特点，改善了控制系统的调节品质，该系统把主要的扰动包含在副控回路中，通过副控回路的调节作用，在扰动影响到主控回路被调参数之前，大大地削弱了扰动作用的影响，该系统还采用了一个测量中间变量，作为副控回路的被调参数，这种控制方法在热处理，化工，机械加工，金属冶炼等行业中也具有广泛的用途和推广价值。 参考文献1王树青,戴联奎,于玲.过程控制工程M.北京：化学工业出版社,2008.22王志魁,刘丽英,刘伟.化工原理M.北京：化学工业出版,2010.

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25、理工版）,2005(4)10刘兴高等.内部热耦合精馏塔数学模型及数值解法J.浙江大学学报2001.11KIM D HTuning“a PID controuer uBing immune network model and fuzzy setClIEEE Intemational symposium on lndustrial ElectIoni-cs20011216：1656166112彭道刚等基于灰色预测的汽温模糊免疫PID控制J动力工程，2007，27(1)：727513周国雄，蒋辉平基于分层结构模糊免疫PID的孵化过程控制J.农业工程学报，2007。23(12)：16717014刘久斌

26、，李德桃电厂锅炉燃烧系统的模糊免疫PID控制J动力工程，2005，25(5)：67367515范文雪.精馏塔动态数学模型的建立、仿真及控制的研究D.北京化工大学硕士论文，2005,6774.16Wood R W,Berry M W.Thermal Composition Control of a Binary Distillation ColumnP Chemical Engineering Science (S0009-2509),1973,(28)17071717.17周国雄等.精馏过程提馏段温度的前馈和免疫PIDP串级控制研究J.电子技术应用,2010,36(1).18黄克谨等，精馏塔通用动态仿真软件及其在控制系统设计中的应用J，系统仿真学报,1994,6(4):4956. - 8 -