精馏塔自动控制系统毕业论文

摘 要

本设计涉及精馏塔实现自动控制与优化方法。其特征是根据物料平衡关

系和组分平衡关系对精馏塔进行控制，运用多种手段对精馏塔实现优化。根据精馏原理和精馏塔的物料平衡和组分平衡关系，采用塔顶轻产品和塔底重

产品抽出比率(以下简称为轻重产品比率)作为主要被控变量，通过调节回流

量和再沸器热负荷，控制轻重产品比率、温度、回流比达到平稳操作。并对

PLC、DCS、FCS等控制系统做了较详细的介绍对比，其中对DCS的介绍较更为

典型全面。另外对检测仪表、执行机构和辅助仪表的选型的注意事项以及工

艺条件等做了较为深入的分析，在保证产品质量合格的前提下，增加精馏塔

高价值产品的收率，并实现装置的节能降耗。

关键词：精馏塔，比率， DCS，节能降耗

目 录

第一章 设计说明 ....................................... 1

1.1 设计选题依据及背景 ................................. 1

1.1.1 精馏 ............................................ 1

1.1.2 再沸器 .......................................... 2

1.1.3 冷凝器 .......................................... 2

1.2 设计目的......................................... 2

1.3 设计原则及设计步骤 ............................... 3

1.3.1 设计原则 ......................................... 3

1.4 设计内容 ........................................ 4

1.4.1 操作压力 ......................................... 4

第二章 工艺概况 ....................................... 7

2.1 生产工艺流程介绍.................................. 7

2.1.1 精馏定义.......................................... 7

2.1.2 工艺要求.......................................... 8

2.2 影响精馏操作的主要因素 ............................. 9

2.3 精馏工艺流程及控制目标 .............................14

第三章 自动控制装置的确定 .............................17

3.1 PLC、DCS、FCS三大控制系统概述 ......................17

3.1.1 PLC ............................................17

3.1.2 DCS ............................................17

3.1.3 FCS ............................................18

3.2 三大控制系统的技术特点 ............................19

3.2.1 PLC ............................................19

3.2.2 DCS ............................................19

3.2.3 FCS ............................................20

3.3 三大控制系统的比较 ...............................20

3.3.1 DCS与PLC ........................................21

3.3.2 FCS与DCS ........................................22

3.4 发展前景 ........................................23

第四章 确定控制方案和仪表回路图设计 ....................24

4.1 控制方案的确定 ....................................24

4.2 设计方案的经济比较 ................................24

4.3 自动控制方案 .....................................25

4.4 管道仪表流程图绘制的基本原则 ........................29

第五章 检测仪表、执行机构和辅助仪表的选型 ..............30

5.1 如何选择检测仪表和调节阀 ...........................30

5.2 变送器的选型 .....................................31

5.3 流量测量仪表选型 ..................................31

5.4 物位测量仪表的选型 ................................32

5.5 控制阀的选型 .....................................33

参 考 文 献 .........................................33

致 谢 ..............................................35

附录一 仪表供气系统图

附录二 仪表柜接线图

附录三 控制系统仪表回路图

附录四 PVC工艺流程图

附录五 PVC精馏装置工艺条件表

第一章 设计说明

1.1 设计选题依据及背景

1.1.1精馏 精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的

液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同

方法进行分类。根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的组分数，可分

为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精

馏和特殊精馏（包括萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏）根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板

有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触

式塔设备。填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质，属于

连续接触式塔设备。若精馏过程伴有化学反应，则称为反应精馏。原理双组分混合液的分

离是最简单的精馏操作。典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、再沸器、冷凝器

等。精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分

凝液作为回流液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，

蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来

的液体一起沿塔下降,进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升，在整个精馏塔中，

汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分

转入液相。对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组

分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进

一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分,称为提馏段。

两段操作的结合,使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。当使n组分混合液较完全地分离而取得n个高纯度单组分产品时，须有n-1个塔。

精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶

高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流

接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体

量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精

馏操作的分离效果和能耗。精馏操作的主要指标是：①产品的纯度。板式塔中的塔板数或

填充塔中填料层高度，以及料液加入的位置和回流比等，对产品纯度均有一定影响。调节

回流比是精馏塔操作中用来控制产品纯度的主要手段。②组分回收率。这是产品中组分含

量与料液中组分含量之比。③操作总费用。主要包括再沸器的加热费用、冷凝器的冷却费

用和精馏设备的折旧费，操作时变动回流比，直接影响前两项费用。此外，即使同样的加

热量和冷却量，加热费用和冷却费用还随着沸腾温度和冷凝温度而变化，特别当不使用水

蒸气作为加热剂或者不能用空气或冷却水作为冷却剂时，这两项费用将大大增加。选择适

当的操作压力，有时可避免使用高温加热剂或低温冷却剂（或冷冻剂），但却增添加压或

抽真空的操作费用。

1.1.2再沸器

作用：用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间的接触传质得以进

行。本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上

通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。

立式热虹吸特点：

（1） 循环推动力：釜液和换热器传热管气液混合物的密度差。

（2） 结构紧凑、占地面积小、传热系数高。

（3） 壳程不能机械清洗，不适宜高粘度、或脏的传热介质。

（4） 塔釜提供气液分离空间和缓冲区。

1.1.3 冷凝器

用以将塔顶蒸气冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔

内气液两相间的接触传质得以进行，最常用的冷凝器是管壳式换热器

1.2 设计目的

精馏就是通过多级蒸馏，使混合气液两相经多次混合接触和分离，并进行质量和热量

的传递，使混合物中的组分达到高程度的分离，进而得到高纯度的产品。流程如下：

原料（丙稀和丙烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置（进料板处）流入塔

内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸气凝

液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶

沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被

再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。

精馏流程图1-1

1.3设计原则及设计步骤

1.3.1 设计原则

1. 满足工艺和操作的要求

所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度

经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的

调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。

2. 满足经济上的要求

要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。

3. 保证生产安全

生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。

1.3.2 设计步骤

⑴ 确定设计方案；

⑵ 平衡级计算和理论塔板的确定；

⑶ 塔板的选择；

⑷ 实际板数的确定；

⑸ 塔体流体力学计算；

⑹ 管路及附属设备的计算与选型；

⑺ 撰写设计说明书和绘图。

1.4 设计内容

1.4.1操作压力

塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则：

(1) 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸气可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa才能使普通冷却水冷却塔顶蒸气时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。

(2) 考虑利用较高温度的蒸气冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。

(3) 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。

1.4.2 进料状态

进料状态有5种，可用进料状态参数q值来表示。进料为过冷液体：q＞1；饱和液体（泡点）：q＝1；气、液混合物：0＜q＜1；饱和蒸气（露点）：q＝0；过热蒸气：q＜0。q值增加，冷凝器负荷降低而再沸器负荷增加，由此而导致的操作费用的变化与塔顶出料量D和进料量F的比值D/F有关；对于低温精馏，不论D/F值如何，采用较高的q值为经济；对于高温精馏，当D/F值大时宜采用较小的q值，当D/F值小时宜采用q值较大的气液混合物。如果实际操作条件与上述要求不符，是否应对进料进行加热或冷却可依据下列原则定性判断：

(1) 进料预热的热源温度低于再沸器的热源温度，可节省高温热源时，对进料预热有利，但会增加提馏段的塔板数；

(2) 当塔顶冷凝器采用冷冻剂进行冷却，又有比较低的冷量可利用时，对进料预冷有利。泡点进料时的操作比较容易控制，且不受季节气温的影响；此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，设计和制造时比较方便。

1.4.3 加热方式

塔釜一般采用间接蒸汽加热，但对塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可利用压力较低的蒸汽加热，塔釜只须安装鼓泡管，一般可节省设备费用和操作费用。

1.4.4 回流比

影响精馏操作费用的主要因素是塔内蒸气量V。对于一定的生产能力，即馏出量D一定时，V的大小取决于回流比。实际回流比总是介于最小回流比和全回流两种极限之间。由于回流比的大小不仅影响到所需理论板数，还影响到加热蒸汽和冷却水的消耗量，以及塔板、塔径、蒸馏釜和冷凝器的结构尺寸的选择，因此，适宜回流比的选择是一个很重要的问题。

适宜回流比应通过经济核算决定，即操作费用和设备折旧费之和为最低时的回流比为适宜回流比。但作为课程设计，要进行这种核算是困难的，通常根据下面3种方法之一来确定回流比：

（1）根据本设计的具体情况，参考生产上较可靠的回流比的经验数据选定；

（2） 先求出最小回流比Rmin，根据经验取操作回流比为最小回流比的1.1∽2倍，即R＝（1.1∽2）Rmin；

(3) 在一定的范围内，选5种以上不同的回流比，计算出对应的理论塔板数，作出回流比与理论塔板数的曲线，如图1-1所示。当R= Rmin时，塔板数为∞；R＞Rmin后，塔板数从无限多减至有限数；R继续增大，塔板数虽然可以减少，但减少速率变得缓慢。因此可在斜线部分区域选择一适宜回流比。上述考虑的是一般原则，实际回流比还应视具体情况选定。

1.4.5 产品纯度或回收率

产品纯度通常是根据客户的要求决定的。若客户对精馏塔顶和塔底产品的纯度都有要求，则产品的回收率也已确定；若用户仅指定其中一种产品的纯度，设计人员则可根据经济分析决定产品的回收率。提高产品的纯度意味着提高产品的回收率，可获得一定的经济效益。但是产品纯度的提高或者是通过增加塔板数或者是增加回流比来达到的，这意味着设备费用或操作费用的增加，因此只能通过经济分析来决定产品的纯度或回收率。

1.4.6 热能的利用

精馏过程的热效率很低，进入再沸器的能量的95%以上被塔顶冷凝器中冷却介质带走，仅约5%的能量被有效地利用。采用热泵技术可使塔顶蒸气温度提高，提高了温度的蒸气再用于加热釜液，使釜液蒸发的同时，塔顶蒸气冷凝。该方法不仅可节省大量的加热蒸汽，而且还节省了大量的冷却介质。当然，塔顶蒸气可用作低温系统的热源，或通入废热锅炉产生低压蒸汽，供别处使用。在考虑充分利用热能的同时，还应考虑到所需增加设备的投资和由此给精馏操作带来的影响。

第二章 工艺概况

2.1生产工艺流程介绍

2.1.1精馏定义

一般精馏装置由精馏塔塔身、冷凝器、回流罐以及再沸器等设备组成，在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种，工业生产主要采用连续精馏。 完成精馏的塔设备称为精馏塔。塔设备为气液两相提供充分的接触时间、面积和空间，以达到理想的分离效果。根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。

蒸气由塔底进入，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)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，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。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，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，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触式塔设备。本章重点介绍板式塔。

填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。

2.1.2工艺要求

要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。精馏塔的控制目标一般从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。任何精馏塔的操作情况同时受约束条件的制约，因此，在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因素考虑进去。

1．质量指标

质量指标（即产品纯度）必须符合规定的要求。一般应使塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度，要求另一个产品也应该维持在规定的范围之内，或者塔项和塔底的产品均保证一定的纯度要求。如果产品质量不合格，它的价值就将远远低于合格产品。但决不是说质量越高越好。由于质量超过规定，产品的价值并不因此而增加；而产品产量却可能下降，同时操作成本主要是能量消耗会增加很多。因此，总的价值反倒下降了。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应同时考虑产品的产量和能量消耗。

2．产品产量指标

在达到一定质量指标要求的前提下，应得到尽可能高的产量，从而使产品的回收率提高。这对于提高经济效益显然是有利的。

产品的回收率定义为产品量与进料中该产品组分的量之比。即：

Ri=P/Fzi （2-1）

生产效益除了产品纯度与产品回收率之间的关系，还必须考虑能量消耗因素。由精馏原理可知，用精馏搭进行混合物的分离是要消耗一定能量的；要使分离的产品质量越高，产品产量越多，所需的能量也就越大。

3．能耗要求和经济性指标

精馏过程中消耗的能量，主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗；此外，塔和附属设备及管线也要散失部分能量。

在一定的纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的；同时也意味着再沸器的能量消耗要增大。且任何事物总是有一定限度的。在单位进料量的能耗增加到一定数值后，再继续增加塔内的上升蒸汽，则产品回收率就增长不多了。应当指出精馏塔的操作情况，必须从整个经济效益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量是必要条件，在质量指标一定的条件下应在控制过程中使产品的产量尽可能提高一些，同时能量消耗尽可能低一些。

石油化工行业中的精馏装置大多采取的是连续运行的方式，其具体流程图见下图2-1

图2-1 连续精馏装置流程图

连续精馏的具体运行流程如下：①原料从进料板(即为精馏塔中段的某块塔板)上进入，进料板将整个精馏塔分为精馏段(进料板以上的部分)和提馏段(进料板以下的部分)；②溶液进入精馏塔之后，因各组分具有不同的沸点，从而导致低沸点低组分(即易挥发组分)汽化较易而往上升腾，而高沸点组分(即难挥发组分)则大多随着液体向下流。并和精馏塔内上升的蒸汽在各层塔板上进行充分接触，从而进行传热、传质过程：③向F流的液体到达塔釜之后，部分被连续引出从而成为塔底产品。部分经加热汽化之后又返回到精馏塔中；④精馏塔内的上升蒸汽依次经过全部塔板，从而使蒸汽中的易挥发组分的浓度逐渐增高，上升至塔顶的蒸汽在冷凝器中被冷凝成为液体，经过回流泵和回流罐之后，部分被连续引出从而成为塔顶产品，部分则作为塔内冷却液而被引回至顶部塔板上，这一过程称为回流。

2.2 影响精馏操作的主要因素

对于现有的精馏装置和特定的物系，精馏操作的基本要求是使设备具有尽可能大的生产能力，达到预期的分离效果，操作费用最低。影响精馏装置稳态、高效操作的主要因素包括操作压力、进料组成和热状况、塔顶回流、全塔的物料平衡和稳定、冷凝器和再沸器的传热性能，设备散热情况等。以下就其主要影响因素予以简要分析。

1．物料平衡的影响和制约

根据精馏塔的总物料衡算可知，对于一定的原料液流量F和组成xF，只要确定了分离

程度xD和xW，馏出液流量D和釜残液流量W也就被确定了。而xD和xW决定了汽液平衡关系、xF、q、R和理论板数NT（适宜的进料位置），因此D和W或采出率D/F与W/F只能根据xD和xW确定，而不能任意增减，否则进、出塔的两个组分的量不平衡，必然导致塔内组成变化，操作波动，使操作不能达到预期的分离要求。

在精馏塔的操作中，需维持塔顶和塔底产品的稳定，保持精馏装置的物料平衡是精馏塔稳态操作的必要条件。通常由塔底液位来控制精馏塔的物料平衡。

2、塔顶回流的影响

回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用回流比来调节、控制产品的质量。例如当回流比增大时，精馏产品质量提高；反之，当回流比减小时，xD减小而xW增大，使分离效果变差。

回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内汽液负荷超过允许值，则可能引起塔板效率下降，此时应减小原料液流量。

调节回流比的方法可有如下几种：

（1）减少塔顶采出量以增大回流比。

（2）塔顶冷凝器为分凝器时，可增加塔顶冷剂的用量，以提高凝液量，增大回流比。

（3）有回流液中间贮槽的强制回流，可暂时加大回流量，以提高回流比，但不得将回流贮槽抽空。

必须注意，在馏出液采出率D/F规定的条件下，籍增加回流比R以提高xD的的方法并非总是有效。此外，加大操作回流比意味着加大蒸发量与冷凝量，这些数值还将受到塔釜及冷凝器的传热面的限制。

3．进料热状况的影响

当进料状况（xF和q）发生变化时，应适当改变进料位置，并及时调节回流比R。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况，保证在精馏塔的适宜位置进料。如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。

进料情况对精馏操作有着重要意义。常见的进料状况有五种，不同的进料状况，都显著地直接影响提馏段的回流量和塔内的汽液平衡。精馏塔较为理想的进料状况是泡点进料，它较为经济和最为常用。对特定的精馏塔，若xF减小，则将使xD和xW均减小，欲保持xD不变，则应增大回流比。

4．塔釜温度的影响

釜温是由釜压和物料组成决定的。精馏过程中，只有保持规定的釜温，才能确保产品质量。因此釜温是精馏操作中重要的控制指标之一。

提高塔釜温度时，则使塔内液相中易挥发组分减少，同时，并使上升蒸汽的速度增大，有利于提高传质效率。如果由塔顶得到产品，则塔釜排出难挥发物中，易挥发组分减少，损失减少；如果塔釜排出物为产品，则可提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组分中夹带的难挥发组分增多，从而增大损失。因此，在提高温度的时候，既要考虑到产品的质量，又要考虑到工艺损失。一般情况下，操作习惯于用温度来提高产品质量，降低工艺损失。

当釜温变化时，通常是用改变蒸发釜的加热蒸汽量，将釜温调节至正常。当釜温低于规定值时，应加大蒸汽用量，以提高釜液的汽化量，使釜液中重组分的含量相对增加，泡点提高，釜温提高。当釜温高于规定值时，应减少蒸汽用量，以减少釜液的汽化量，使釜液中轻组分的含量相对增加，泡点降低，釜温降低。此外还有与液位串级调节的方法等。

5．操作压力的影响

塔的压力是精馏塔主要的控制指标之一。在精馏操作中，常常规定了操作压力的调节范围。塔压波动过大，就会破坏全塔的气液平衡和物料平衡，使产品达不到所要求的质量。

提高操作压力，可以相应地提高塔的生产能力，操作稳定。但在塔釜难挥发产品中，易挥发组分含量增加。如果从塔顶得到产品，则可提高产品的质量和易挥发组分的浓度。 影响塔压变化的因素是多方面的，例如：塔顶温度，塔釜温度、进料组成、进料流量、回流量、冷剂量、冷剂压力等的变化以及仪表故障、设备和管道的冻堵等，都可以引起塔压的变化。例如真空精馏的真空系统出了故障、塔顶冷凝器的冷却剂突然停止等都会引起塔压的升高。

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，若塔顶冷凝器为全凝器时，塔压多是靠冷剂量的大小来调节。

(3) 用调节塔釜加热蒸汽量的方法来调节塔釜的气相压力。

在生产中，当塔压变化时，控制塔压的调节机构就会自动动作，使塔压恢复正常。当塔压发生变化时，首先要判断引起变化的原因，而不要简单地只从调节上使塔压恢复正常，要从根本上消除变化的原因，才能不破坏塔的正常操作。如釜温过低引起塔压降低，若不提釜温，而单靠减少塔顶采出来恢复正常塔压，将造成釜液中轻组分大量增加。由于设备原因而影响了塔压的正常调节时，应考虑改变其它操作因素以维持生产，严重时则要停。通过对精馏塔的全塔物料衡算，可以确定馏出液及釜液的流量及组成。

精馏塔的干扰因素

和其他化工过程一样，精馏是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行的。一切因素均通过物料平衡和能量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化，顶部馏出物及底部出料的变化。影响能量平衡的因素主要是进料温度或热焓的变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化，此外还有塔的环境温度等变化。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。要了解这些因素是如何影响精馏塔操作的，首先必须分析它的静态规律，即研究其静态特性。从而分析上述因素对精馏塔的动态影响。

1．精馏塔中静态关系的分析

从物料平衡和能量关系出发，可得出它的总的物料平衡关系为

F=D＋B （2-2）

轻组分的物料平衡关系为

Fz＝Dy＋Bx （2-3）

式中，F、D和B分别为进料量、顶部馏出物量和塔底产品；z、y和x分别为进料、顶部馏出物和底部产品中轻组分的含量。由以上两式，可明显看出进料量F在产品中的分配量（即D／F）是决定顶部和底部产品中轻组分含量y和x的关键因素。

静态下精馏塔的能量关系为

QH+FHF＝QC＋DHD＋BHB （2-4）

式中，QH为再沸器加热量，QC为冷凝器冷却量，HP、HD和HB分别为进料顶部、底部产品的比热熔。在式中，每一项都影响着塔内上升蒸汽的流量V。对于一个既定的塔来讲，V与F之比与塔的分离度S有关。即V／F一定时意味着塔分离度也一定。

综上所述，对于一个精馏塔来讲，在进料成分Z一定时，只要保持V／F和D／F一定（或者在F一定时保持D和V一定），这个塔的分离结果也就是产品成分y和x将被完全确定。而当进料成分变化时，为了保持产品成分不变，可以相应调节D／F，以补偿进料成分变化的影响。塔内上升蒸汽量V，在塔的提馏段是由再沸器加热提供的，在塔的精馏段还受到进料热熔的影响。当冷凝器冷却量Q增加时，必然会使更多的气相变为液相，从而降低了塔压；同时使塔内相同组分的平衡温度下降，增加了再沸器两侧间的温差，使再沸器提供的加热量QH增加。正因如此，在进料热熔变化不大或可以忽略时，一般总把V的变化或V／F的变化，看作是由再沸器加热量QH提供的。在多元精馏中，影响关系要复杂得多，当进料中某一组分的浓度变化时，必然使其他组分的浓度变化；从而使顶部及底部产品中各组分的浓度发生变化。当进料中几个组分浓度同时变化时，情况将更为复杂。克服这些扰动的控制手段却只有靠D／F和V／F。此时仅有两个关键组分可以控制，其余组分在产品中的分配情况主要由进料浓度确定。

2．影响精馏塔操作中质量指标的因素

通过以上分析，可以看出，在精馏塔的操作过程中，影响其质量指标的主要干扰有以下几种：

（l）进料流量F的波动

进料量指进入精馏塔物料的量，它的波动通常很难避免。对于独立的或位于整个生产过程的起点的精馏塔控制可采用定值控制，则可使进料流量保持恒定。但是，在一个连续的生产过程中，精馏塔的处理量往往是上一工序的产出量。如果一定要使进料量恒定，势必要设置很大的中间贮槽进行缓冲。二是采取在上一工序设置液位均匀控制系统来控制出料，使塔的进料流量F波动比较平稳，从而避免剧烈的变化。

（2）进料成分ZF的变化

进料成分取决于上一工序出料或原料情况，对精馏塔的控制系统来讲，它是不可控的干扰。而针对进料成分的较大变化，则必须重新设置控制变量。

（3）进料温度 TF及进料热量 QF的变化

进料温度通常是较为恒定的。假如不恒定，进料温度和进料热量的变化会影响到塔的焓平衡，因此必须保持进料温度的恒定。工业上往往先将进料预热，通过温度控制系统来使进料温度恒定。这对于进料状态全部是汽态或全部是液态时，可以保持进料热焓一定。当进料是汽液混相状态时，则只有当汽液两相的比例恒定时，进料热焓才能恒定，必要时应设置热焓控制的环节来维持。

（4）再沸器加热剂热量的变化

当加热剂是蒸汽时，加入热量的变化往往是由蒸汽压力的变化引起的。可以通过蒸汽总管设置压力控制系统来加以克服，或者在串级控制系统的副回路中予以克服。

（5）冷却剂入口温度及阀前压力的变化

冷却剂量的变化会影响到回流量或回流温度，它的变化主要是由于冷却剂的压力或温度变化引起的。对于这类干扰，以阀前压力波动影响较大，控制中用压力控制系统加以克服。

（6）环境温度的变化

精馏塔操作的环境温度的变化一般不大，但在采用风冷器作冷凝器时，则天气骤变与昼夜温差，对塔的操作影响较大，它会使回流量或回流温度变化。为此，应采用内回流控制的方法予以克服。内回流通常是指精馏塔的精馏段内上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量，一般要控制内回流为恒定量或按某一规律变化的操作。

由上述分析可以看出，进料流量和进料成分的波动是精馏塔操作的主要干扰，这个干扰往往不可控。

2.3 精馏工艺流程及控制目标

精馏塔的控制目标是：在保证产品质量的前提下，回收率最高和能耗率最低，或使塔的总收益最大，或总体成本最小。一般来讲应满足以下三方面要求。

（1） 保证质量指标

在精馏塔的生产过程中，一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品符合工艺要求的纯度，另一个产品的组分亦应该保持在规定的范围之内。此时，应取精馏塔塔顶或塔底的产品质量作为被控变量，这种控制系统称为精馏塔的质量控制系统。

质量控制系统需要应用能测出产品组分的分析仪器设备。由于目前的被测物料种类繁多，市场上还不能提供相应多种可用于实时测量的分析仪器设备。所以，直接的质量控制系统目前应用不多见，大多数情况下，是采用能间接控制质量的温度系统来代替，实践证明这样的实践办法是可行的。

（2） 物料平衡和能量平衡

为了保证精馏塔的物料平衡和能量平衡，必须把进塔之前的主要可控扰动竟可能预先克服，同时竟可能缓和一些不可控的主要扰动。例如，可设置进料的温度控制、加热机和冷却剂的压力控制、进料量的均匀控制等。为了维持塔的物料平衡，必须控制塔顶镏出液和釜低采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔操作的平稳。塔内的持液量应保持在规定的范围内波动，控制好塔内的压力稳定，对精馏塔的物料平衡和能量平衡是十分必要的。

（3） 约束条件

为了保证精馏塔的正常、安全运行，操作时必须使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限和临界温差限等。液泛限又称气相速度限，即塔内气相速度过高时，雾沫夹带现象十分严重，实际上是液相从下面塔板上倒流到上面塔板，产生液泛会破坏塔的正常操作。漏液限又称为气相最小的速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液现象，塔板效率下降，最好能在稍低于液泛的速度下操作。套防止液泛和漏液现象，可以通过塔压降或压差来监视气相速度。压力限是塔的操作压力的限制，一般设最大操作压力限，超限会影响塔内的气，液相平衡，严重超限甚至会影响

安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧的温差，当这一温差低于临界温差时，传热系数急剧下降，传热量也随之下降，就不能保证塔的正常传热的需要

精馏塔的基本控制方式是讨论复杂和特殊控制方案乃至最优控制的基础，同时也是目前实际应用中最常见的方案。精馏塔是一个多变量对象，因此如果将任意一个被调参数和任意一个调节参数组成调节回路，就可能有许多调节方案。而产品质量往往是精馏过程的主要目标，因此，在基本控制方案中，以产品质量指标来选取调节参数，一种是采用温度作为间接质量指标，一种是采用产品成分等作为直接质量指标。

（l）按提馏段指标的控制方案

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地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制手段的方案，就是提馏段温控。

图2-2常见的提馏段温控方案

图2-2是常见的提馏段温控的一个方案。该方案以提馏段塔板温度为被控变量，加热蒸汽量为操纵变量。除了这个主要控制系统外，还设有若干个辅助控制系统；进料量F为定值控制或用均值控制系统；对塔底采出量B和塔顶馏出物D，按物料平衡关系分别设有塔底与回流罐的液位控制器作均匀控制；为维持塔压恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制手段是控制冷凝器的冷却量；提馏段温控时，回流量采用定值控制，且回流量应足够大，以便当塔的处理量最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内。

提馏段温控由于采用了提馏段温度作为间接质量指标。因此，它能够较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量。

对于液相进料时，进料量或进料成分的变化很快影响塔底的成分，而提馏段温控比较及时，动态过程也比较快。提馏段温控的一个特点是回流量足够大，因而在保持塔底质量的前提下，仍能保持塔顶质量，因此即使塔顶产品质量要求比塔底严格时，仍可采用提馏段温控。

（2）按精馏段指标的控制方案

如果对塔顶出料的成分要求高于釜底出料时，或者全部为气相进料时，或当塔底提馏段板上的温度不能很好地反映产品组分变化时，则可采用精馏段控制。精馏段温度也是衡量质量指标的间接指标，它是以改变回流量作为控制手段的方案，称为精馏段温控。

除了上述主要控制系统外，精馏段温控还设有若干个辅助控制系统。对进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案，与提馏段温控时相同。在精馏段温控时，再沸器加热量应维持一定，而且足够大，以使塔在最大处理量时，仍能保持塔底产品的质量。

由于采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当精馏段恒定后，能较好地保证塔顶产品的质量。对于动态气相进料时，其进料量的变化过程也比较快，采用精馏段温控就比较及时。

提馏段和精馏段温控方案，分别以塔底和塔顶的温度作为被控变量。当要分离的产品纯度较高时，由于塔顶或塔底的温度变化及其相邻塔之间的温度相差均很小，这就要求有非常灵敏的测温装置，同时对温控的调节精度都有很高的要求，但实际上却很难做到。解决这一问题的方法，是取精馏塔的灵敏板的温度作为被控变量。

第三章 自动控制装置的确定

3.1 PLC、DCS、FCS三大控制系统概述

3.1.1 PLC

PLC是可编程控制器，是一种数字用算操作的电子系统，为了在专业环境下应用而设

计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的设计。

3.1.2 DCS DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS具有以下特点：

(1) 高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某

一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

(2) 开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式

通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

(3) 灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相

互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

(4) 易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某

个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

(5) 协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控

制系统的总体功能和优化处理。

(6) 控制功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解

耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

3.1.3 FCS

现场总线控制系统（FCS）是在DCS/PLC基础上发展起来的新技术。现场总线是‘‘从

控制室连接到现场设备的双向穿行数字通信总线”。现场总线的“现场”更多的是指现场设备，而不是指位置。FCS主要特点是采用总线标准，一种类型的总线，其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。开放的现场总线控制系统具有高度的互操作性。FCS既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统。

3.2 三大控制系统的技术特点

3.2.1 PLC

（1）从开关量控制发展到顺序控制，运算处理，是从下往上的。

（2）具备逻辑控制、定时控制、计算控制、步进(顺序)控制、连续PID控制、数据处理能力、通信和连网等多功能。

（3）可用一台PC为主站，多台同型PLC为从站。

（4）也可用一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。较之用PC作为主站方便之处是：用户编辑时只需按说明书编写，不需要知道通信协议。

（5）PLC网络既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。

（6）主要用于工程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。

3.2.2 DCS

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制

器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是:集中控制，分散管理。

DCS控制系统图

DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。

通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。

现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能

为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。 现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。

3.2.3 FCS

（1）FCS是3C技术（Communication，Computer，Control）的融合。基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难以对付的非常环境。

（2）用全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

（3）用两根线连接分散的现场仪表、控制装置、取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。

（4）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多接点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。

（5）分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

（6）把微机处理器传人3现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。

（7）可连接局域网，又可与Internet相通。即时通信网络，同时又是控制网络。

3.3 三大控制系统的比较

3.3.1 DCS与PLC

DCS是一个系统，硬件上包括现场控制器、操作员站计算机、工程师站计算机以及联系它们的网络系统。DCS通常提供完整的系统给用户，软件上是一个整体方案，采用一个统一的开发环境，解决的是一个系统的所有技术问题，系统各部分之间结合严密。DCS是分布式控制，拥有全局统一数据库。DCS开发控制算法采用仪表技术人员熟悉的风格，仪表人员很容易将P&I图转化成DCS提供的控制算法。DCS在复杂的过程控制中占优势，在发展的过程中也是各厂家自成体系，大部分的DCS的通信协议尽管不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网，采用标准或变形的TCP/IP协议，这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个结点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减结点数量和布置结点位置。另外，基于Windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通信，实现资源共享。

PLC只是一个装置，硬件上等同于DCS中的现场控制器，要构成系统还需要上位SCADA系统和与之相连的网络，并需要系统集成。软件上是一个局部方案，谵语站之间组织松散。PLC用于过程控制需要不同的开发环境，首相要对PLC进行逻辑开发，再通过相应的上位机软件建立于PLC相对应的数据库，然后进行流程图画面的开发。PLC采用梯形图逻辑来实现过程控制，对于仪表人员来说相对困难，尤其是复杂回路的算法，不如DCS实现起来方便。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，也很少有兼容性的要求。因为PLC系统一般针对于设备来使用。而且PLC一般都采用专用的网络结构。在通信功能及管理能力方面都不及DCS。

DCS与PLC硬件可靠性差不多。PLC的优势在于软件方面，它采用的是顺序扫描机制，在高速的顺序控制中占主导地位。PLC的循环周期在10ms左右，而DCS控制站在500ms左右。

PLC的开放性更好，不同厂商的产品互联性好。作为产品，其独立工作的能力更强。DCS实现顺序连锁功能相对于PLC来讲是弱势，且逻辑执行速度不如PLC。相对而言，PIC构成的系统成本更低。DCS的现场控制站层通常采用集中式控制，尽管支持远程分布式I/O，但由于成本原因，很少采用。而PLC基于现场总线的远程分布式I/O体积小，更灵活易用，更有效的节省接线成本。

DCS虽然通信及管理能力较强，但体积大，价格相对较高。PLC与DCS技术，它们各自有明显的优势及略势，在这种情况下，用户期望得到一种集PLC与DCS优点于一体的控制系统。这种PLC与DCS结合的混合式控制系统应既能完美的实现逻辑及顺序控制，

又能很好地完成过程控制，同时还应具有管理功能，且体积小，价格较低，可靠性高的特点。

3.3.2 FCS与DCS

FCS是DCS/PLC继承发展的结果。它在很多方面继承了DCS/PLC成熟技术。例如在人机界面操作站、基于IEC61131-3编程组态方法、热备冗余思想和方法、远程I/O、现场变送器和阀门定位器等仪表的两线制供电、本质安全等防爆方面。但是FCS相对于

DCS/PLC的技术进步产生了质的飞跃，超越了DCS/PLC的框架，也不再称为“改进了的DCS/PLC”。

现场总线把专用微处理器植入传统的测量控制仪表，是他们各自都具有独立承担某些控制、数字计算和数字通信能力。提高信号的测量、控制、传输精度和速度，同时丰富信息的内容。现场总线可采用多种传输介质，如用普通电缆、双绞线、光纤、红外线，甚至电力传输线等，把多个测量控制仪表、计算机等作为结点连接成的网络系统。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现数据传输与信息共享，实现异地远程控制。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。

FCS最深刻的改变是现场设备的数字化、智能化和网络化。其本质特征是使拥有现场总线通信能力的智能现场设备，这些通信智能现场设备所构成的网络结点通信，不仅具有纵向（与系统）通信能力，也具有横向（结点之间）通信的能力。FCS比DCS更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS相比，FCS具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自制的控制回路。由于DCS的不彻底的开放性，不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用户的选择范围。而FCS具有开放性，遵循公开统一的技术标准，可实现设备的互操作性和互换性。也就是说用户可以把遵守相同标准的不同厂家、不同品牌、功能相同的产品集成在同一个系统内，构成FCS，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有自控设备选择、集成的主动权。系统的通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可组成开放互联系统。

DCS一般多为模拟数字混合系统，FCS则是分步式网络自动化系统。DCS采用独家封闭的通信协议，而FCS采用标准的通信协议。DCS属于多级分层网络结构，FCS则为分散控制结构。故FCS比传统DCS性能好，准确度高，误码率低。FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，更加便于安装、运行和维护。

3.4发展前景

DCS当前正面临这FCS技术的挑战。尽管现场总线的国际标准不理想，但是作为一种技术趋势已经是不可阻挡。目前各家公司都采用将自己DCS和各种现场总线协议通过接口设备实现连接的过渡方式，虽然在一个系统里，同一种现场总线的不同厂家的现场仪表与DCS之间、不同类型现场总线之间的可互操作性问题还时有发生，但目前FCS在国际上已经有超过4000个系统在运行，有的系统结点达到1000点以上的规模。我国已经投入运行的现场总线系统也已经接近100个。可以说，它已进入实用时期。

第四章 确定控制方案和仪表回路图设计

4.1 控制方案的确定

要进行生产过程的自控方案设计，必须先要了解生产过程的构成及特点。过程工业中总是围绕核心生产环节进行的，如化工生产过程的化学反应过程、生化过程中的生化反应过程、石化过程中的催化裂解过程等。化工工业是典型的过程工业，下面以化工生产过程为例来描述。

化工生产过程以化学反应为主，化学反应过程中所需的化工原料，首先被送入输入设备。原料由输入设备进入前处理过程，对原料进行分离或精制，使它符合化学反应对原料提出的要求和规格。化学反应后的生成物进入后处理过程，在此将半成品提纯为合格的产品，并回收未反应的原料和副产品，然后进入输出设备中储存。同时，根据化学反应及前、后处理过程的需要，还需要由公用工程从外部提供必要的水、电、汽，以及冷量等能源。有时，化工生产过程还包括能量回收和三废处理系统等附加部分。

控制方案的确定主要包括如下内容：正确选定所需的检测点及其安装位置；合理设计各控制系统，选择必要的被控变量和恰当的操纵变量；生产安全保护系统的建立，包括声、光的信号报警系统、联锁系统及其他保护性的设计。

4.2设计方案的经济比较

设计工作除了要在技术上可靠、先进外，还必须考虑到经济上的合理性。所以，在设计过程中，应在深入实际调查研究的基础上，进行方案技术性与经济性的比较。自控水平的提高将会增加仪表等软、硬件投资，但可能通过改变操作等方面提高生产效益，获得更高收益。但是，盲目追求技术的先进性而无视其实现过程的可操作性及实际控制效果的提高程度，将会造成经济上的损失。此外，自动化水平的高低也应从工程实际出发，对于不

同规模和类型的工程，做出相应的选择，使技术和经济得到统一。

4.3自动控制方案

精馏塔的基本控制方式是讨论复杂和特殊控制方案乃至最优控制的基础，同时也是目前实际应用中最常见的方案。精馏塔是一个多变量对象，因此如果将任意一个被调参数和任意一个调节参数组成调节回路，就可能有许多调节方案。而产品质量往往是精馏过程的主要目标，因此，在基本控制方案中，以产品质量指标来选取调节参数，一种是采用温度作为间接质量指标，一种是采用产品成分等作为直接质量指标。

（l）按提馏段指标的控制方案

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地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制手段的方案，就是提馏段温控。

图4-1常见的提馏段温控方案

图4-1是常见的提馏段温控的一个方案。该方案以提馏段塔板温度为被控变量，加热蒸汽量为操纵变量。除了这个主要控制系统外，还设有若干个辅助控制系统；进料量F为定值控制或用均值控制系统；对塔底采出量B和塔顶馏出物D，按物料平衡关系分别设有塔底与回流罐的液位控制器作均匀控制；为维持塔压恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制手段是控制冷凝器的冷却量；提馏段温控时，回流量采用定值控制，且回流量应足够大，以便当塔的处理量最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内。

提馏段温控由于采用了提馏段温度作为间接质量指标。因此，它能够较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量。对于液相进料时，进料量或进料成分的变化很快影响塔底的成分，而提馏段温控比较及时，动态过程也比较快。提馏段温控的一个特点是回流量足够大，因而在保持塔底质量的前提下，仍能保持塔顶质量，因此即使塔顶产品质量要求比塔底严格时，仍可采用提馏段温控。

（2）按精馏段指标的控制方案

如果对塔顶出料的成分要求高于釜底出料时，或者全部为气相进料时，或当塔底提馏段板上的温度不能很好地反映产品组分变化时，则可采用精馏段控制。精馏段温度也是衡量质量指标的间接指标，它是以改变回流量作为控制手段的方案，称为精馏段温控。

图4-2是常见的精馏段温控的一种方案。它的主要控制系统是以精馏段塔板温度为被控变量，而以回流量为操纵变量。

图4-2常见精馏段温控方案

除了上述主要控制系统外，精馏段温控还设有若干个辅助控制系统。对进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案，与提馏段温控时相同。在精馏段温控时，再沸器加热量应维持一定，而且足够大，以使塔在最大处理量时，仍能保持塔底产品的质量。

由于采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当精馏段恒定后，能较好地保证塔顶产品的质量。对于动态气相进料时，其进料量的变化过程也比较快，采用精馏段温控就比较及时。

提馏段和精馏段温控方案，分别以塔底和塔顶的温度作为被控变量。当要分离的产品纯度较高时，由于塔顶或塔底的温度变化及其相邻塔之间的温度相差均很小，这就要求有

非常灵敏的测温装置，同时对温控的调节精度都有很高的要求，但实际上却很难做到。解决这一问题的方法，是取精馏塔的灵敏板的温度作为被控变量。

所谓灵敏板，是指当塔的操作受到扰动或控制作用时，各板上的物料组分和温度变化最大的那块塔板。当产品组分变化时，在灵敏板处可获得最大的的温度变化值，所以，以灵敏板温度进行控制时，塔的产品纯度可以得到保证。

（3）温差控制及双温差控制

在精密精馏中，产品纯度要求很高，组分间的相对挥发度差值很小，因而组分变化不大，然而微小的压力波动会造成明显的温度变化。这样，就破坏了温度和组分间的对应关系。此时，采用温度作为被控变量的提馏段和精馏段温度控制就得不到很好的效果，而应当采用温差控制。

采用温差作为被控变量通常可以在塔顶（或塔底）附近的一块塔板上检测出该板温度，再检测出灵敏板上的温度，由于压力的波动对每块板的温度影响基本相同，只要将上述检测到的两个温度值相减，压力的影响几乎相互抵消。在实际应用中，温差控制的关键是正确选择测温点，合理给出温差设定值。这是因为温度与产品成分之间的关系不是线性的，同一温差在不同条件下可以有两个不同的组分。图18是正丁烷和异丁烷分离塔的温差和塔底产品中轻组分浓度的关系示意图。由图可见，曲线除最高点外，每一温差都有两个不同的组分浓度。最高点左侧部分对应的塔底产品纯度较高，而右侧则较低。因此，温差的工作点应位于曲线的左侧。

图4-3 温差与轻组分浓度的关系

为了使控制系统工作于曲线最高点的左侧，可利用温差随产品纯度增加而减小的特点，取塔顶或塔底温度作为参变量。同时温度控制器的给定值不能太大，干扰量（尤其是

加热蒸汽量的波动）也不能太大，以防止工作状态变到图中曲线最高点的右侧，致使控制器无法正常工作。

温差控制可以克服由于塔压波动对塔顶（或塔底）产品质量的影响。但是当负荷变化时，塔板的压降发生变化，随着负荷递增，由于两块板的压力变化值不相同，所以由压降引起的温差也将增大。这时温差和组分之间就不成单值对应关系，在这种情况下需采用双温差控制或称温度差值控制。

图4-4 双温差控制系统图

图4-4是双温差控制的系统图。双温差控制需分别在精馏段和提馏段上选取温差信号，以两者之差作为控制系统的被控变量。由于压降变化所引起的温差变化，不仅出现在塔的上段，也出现在塔的下段，这样因负荷引起的变化相减后就可相互抵消。双温差法是一种控制精馏塔进料板附近的组分，以保证工艺上最好的温度分布曲线而实现对精馏操作的稳定控制，并获得更纯的塔顶产品和塔底产品的方法。

（4）按产品成分或物性指标的直接控制方案

精馏塔的质量控制最好能选择表征塔顶和塔底产品的质量指标，即产品的成分作为被控变量，即直接控制方案。上述的温度、温差或双温差控制都是间接控制产品质量的方法。利用产品分析器，例如色谱仪、红外分析器、密度计、干点、闪点及初馏点分析器等，分析出塔顶（或塔底）的产品成分并将其作为被控变量，而将回流量或再沸器的加热量等作为控制变量，就可以组成成分控制，实现按产品成分的直接指标控制。

采用色谱仪可以测量多组分的浓度，并可以通过测量其他含量较少的杂质组分之和来决定产品的纯度。精馏工艺上通常采用工业色谱仪进行在线的成分分析，并以关键组分的浓度比进行控制。由于色谱仪也是根据吸收和解吸原理工作的，在精馏塔中很难进行的分

离在色谱仪中也是困难的。同时分析仪需要采样系统且其测量滞后影响了控制系统的动态响应。这是在使用时应予注意的。在精馏塔的操作中，当干扰产生时，多个塔板中灵敏板的变化量最明显。因此，可选择测量灵敏板上的成分，并作为被控变量进行控制。

与温度控制的情况类似，塔顶或塔底产品的成分是能体现产品的质量指标。但是当分离的产品较纯时，在邻近塔顶、塔底的各板间，成分差很小，而且每块板上的成分在受到干扰后变化也很小，这就要求检测成分的仪表灵敏度很高。理论上讲，按产品成分的直接指标控制方案，是最直接、最有效的方案。它可为各种基于化工热力学的多变量控制及精确控制打下基础。但是，就目前测量产品成分的仪表来说，准确度一般较差、滞后时间也很长，因而控制系统的控制质量受到很大影响。但只要不断改善成分分析仪表的性能，按产品成分的直接指标控制方案将得到广泛应用

4.4管道仪表流程图绘制的基本原则

根据工艺专业提出的工艺流程图，以及有关的工艺参数、条件等，按照自控方案设计原则，可确定安全工艺过程的自控方案。此时，按照标准中对标志、图形符号以及文字代号的统一规定，在工艺流程图上按其流程顺序标注控制点和控制系统，绘制工艺控制流程图。然后，把工艺控制流程图提交给系统专业，由系统专业随着工程设计的深入进行，绘制出各版管道仪表流程图。

在工艺流程图上标注控制点和控制系统时，按照各设备上的控制点的密度，布局上可作适当调整，以免图面上出现疏密不均的情况。通常，设备的进出口的控制点尽可能标注在进出口附近。有时为照顾图面质量，可适当移动某些控制点的位置。控制系统可自由处理。对网管系统的控制点最好都标注在最上面的一根管子的上面。

第五章 检测仪表、执行机构和辅助仪表的选型

5.1 如何选择检测仪表和调节阀

检测仪表（元件）及控制阀选型的一般原则为：

1、仪表类型的选择

主要是由工艺要求、被测介质及现场环境等因素来确定。例如：是要进行现场指示，还是要远传，报警或自动记录；被测介质的物理化学性质（如温度高低、粘度大小、腐蚀性、脏污程度、易燃易爆等）以及现场环境条件（如温度、电磁场、振动等）对登记表是否有特殊要求等。对于特殊的介质、则应选用专用压力表，如氨压力表，氧力压力表等。

2、仪表测量范围的确定

压力检测仪表的测量范围要根据被测压力的大小来确定。为了延长仪表的使用寿命，避免弹性元件产生疲劳或因受力过大而损坏，压力表的上限值勤必须高于工作生产中可能的最大压力值。根据规定，测量稳定压力时，所选压力表的上限值应大于最大工作压力的2倍；测量高压压力时，压力表的上限应大于最大工作压力的5/3。为了保证测量值的准确度，仪表的量程又不选得过大，一般被测量压力的最小值，应在量程的1/3以上。

3、仪表精度的选取

仪表精度是根据工艺生产中所允许的最大测量误差来确定的。因此，所选仪表的精度只要满足生产的检测要求即可。因为精度过高，仪表的价格也就越高。

实现其计划目标

4、操作上的重要性

各检测点的参数在操作上的重要性是仪表指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能选定的依据。一般来说，对工艺过程影响不大但需经常监视的变量，可选指示型；对需要经常了解变化趋势的重要变量，应选记录式；而一些对工艺过程影响较大又需随时监控的变量，应设为为控制点；对关系到物料衡算和动力消耗而要求计量或经济核算的变量，宜设积算；一些可能影响生产产生或安全的变量，宜设报警。

5、经济性和统一性

仪表的选型取决于投资的规模，应在满足工艺和自控要求的前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比。为便于仪表的维修和管理，在选型时也要注意到仪表的统一性，尽量选用同一系列、同一规格型号及同一生产厂家的产品。

5.2变送器的选型

（1） 以标准信号（4～20mA或20～100kAa）传输时，应选变送器。

（2） 易燃易爆场合，选用气动变送器或防爆型电动变送器。

（3） 对易结品、堵塞、粘稠或有腐蚀性的介质，优选法兰变送器。

（4） 使用环境好，测量精度和可靠性要求不高是，可选取电阻式、电感式、霍尔式远传压力表及传感器。

（5） 测压小于5kPa，可选用微差压变送器。

5.3流量测量仪表选型

不同类型的流量仪表性能各异，选型时必须从仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素等方面进行综合考虑。

仪表性能包括：精确度、重复性、线性度、范围度、压力损失、上/下限流量、信号输出特性、响应时间等。

流体特性包括：流体温度、压力、密度、粘度、化学性质、腐蚀、结垢、脏污、磨损、气体压缩系数等指数、比热容、电导率、导热系数、多相流、脉动流等。

安装条件包括：管道布置方向、流动方向、上/下游管道长度、管道口径、维护空间、管道振动、防爆、接地、电源、气源、辅助设施（过滤、消气）等。

环境条件包括：环境温度、湿度、安全性、电磁干扰、维护空间等。

针对不同种类的流量测量进行仪表选型时，适宜使用的仪表类型如下：

（1） 一般流体、液体、蒸汽流量测量

可选择差压式流量计、转子式流量计、靶式流量计、超声波式流量计

（2） 腐蚀、导电或带固体微粒流量侧量

通常选用电磁流量计。

（3） 高粘度流体流量的测量

通常选用容积式流量计、靶式流量计、楔形流量计。

（4） 大管径流量测量

通常选用插入式涡轮流量计、插入式漩涡流量计、电磁流量计。

（5） 粉状及块状固体流量测量

通常选用冲量式流量计、皮带秤。

需要测量管道中是否有流量时，宜选用流量开关。

5.4物位测量仪表的选型

应深入了解工艺条件、被测介质的性质、测控系统的要求，以便对仪表的技术性能做出充分评价。

液位和界位测量应首选用差压式、浮筒式和浮子式仪表。当不能满足要求时，可选用电容式、电接触式、超声波式仪表。料位测量应根据物料的粒度、物料的安息角、物料的导电性能、料仓的结构形式及测量要求进行选择。

仪表的结构形式和材质，应根据被测的介质来选择。主要考虑的因素为压力、温度、腐蚀性、导电性；是否存在聚合、黏稠、沉淀、结晶、结膜、气化、起泡等现象；密度和密度变化；液体中含悬浮物的多少；液面扰动的程度以及固体物料的粒度。

仪表的显示方式和功能，应更具工艺操作及系统的组成要求确定。

仪表量程应根据工艺对象的的实际需要显示的范围或实际变化范围确定。

仪表精度应根据工艺要求选择，但供容积计量用的物位仪表，其精度等级应在0.5级以上。

用于有爆炸危险场所的电气式物位仪表，应根据防爆等级要求，选择合适的防爆结构形式或其它防护措施。

应深入了解工艺条件、被测介质的性质、测控系统的要求，以便对仪表的技术性能做出充分评价。

液位和界位测量应首选用差压式、浮筒式和浮子式仪表。当不能满足要求时，可选用电容式、电接触式、超声波式仪表。料位测量应根据物料的粒度、物料的安息角、物料的导电性能、料仓的结构形式及测量要求进行选择。

5.5控制阀的选型

调节阀的选用主要从下面几个方面考虑：

（1） 合理选用阀型和阀体、阀内件的材质

这方面主要从被控流体的种类、腐蚀性和黏度、流体的温度、压力（入口和出口）、最大/最小流量及正常流量时的压差等因素来确定

（2） 正确确定控制阀的口径

阀的口径确定是根据工艺提供的有关参数，计算出流量系数来确定的。

（3） 选择合适的流量特性

确定控制阀的流量特性时，流量特性对系统的补偿及管路阻力情况，自控设计人员在系统设计适应予以考虑。

（4） 确定控制阀的开闭形式

开闭形式的确定主要是从生产安全角度来考虑的。当阀上的控制信号或气源中断时，应避免损坏设备和伤害人员。如果事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小，则选用气开式，反之，应选用气闭式。

此外，如果对控制阀有最大允许的噪声等级要求，则噪声超出允许值时应合理采取降低噪声的措施或选低噪声阀。

参考文

献

1) 刘高兴.精馏过程的建模、优化与控制.北京：科学出版社，2007.

2) 王爱广，王琦.过程控制技术.北京：化学工业出版社，2011.

3) 郭剑花，王锁庭.过程测量及仪表.北京：化学工业出版社，2010.

4) 徐爱钧，徐阳.智能化测量控制仪表原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

5) 周荣富，陶文英.集散控制系统.北京：北京大学出版社，2011.

6) 姜秀英.自动化控制工程设计.北京：电子工业出版社，2009.

7) 李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社，2009.

8) 孙洪程，马昕，焦磊.过程自动化工程.北京：机械工业出版社，2009.

致 谢

大学的美好时光即将结束，不由感慨时光飞逝啊。毕业设计的完成为大学学习阶段画上了一个完美的句号。这次毕业设计能够顺利完成，并不是我一个人能够功劳，是所有指导过我的了老师，帮助并鼓励过我的同学们的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意，感谢我的指导老师—侯慧姝，没有您的悉心指导，就没有这篇论文的顺利完成，在您身上我学会了自学的技巧，对我以后的学习道路有很大的帮助。同时感谢邢泽斌老师，从您身上我学到了太多，更加明白了事半功倍的道理，对我以后工作办事起到了很好的锻炼，必将终身受益。感谢所有教过我的化工学校的老师们，是你们诲人不倦才有了现在的我，教会了我们这么多专业知识。

感谢我的父母，是你们用一生之力将我射出大山，支持我鼓励我，让我有机会来到大学的学府学习。你们的支持是我最大的鼓励，是我以后人生道路的最大动力。感谢我的同学们最难忘的记忆里都有你们的身影，一起欢乐一起为工作担心的日子里，不论何时请不要忘记最住的梦想。感谢我们组的组员们，在整个毕业设计期间和我密切合作，在大学生活即将结束的最后日子里，我们再次演绎了团结合作的童话，把一个庞大的、从来没有上手的课题，圆满的完成。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到知识以外的东西，那就是团队的力量。最繁忙的日子我们一起走过，为了梦想我们永不言弃，总有一天我们会在梦想的道路上再次相遇，祝你们前途似锦。 感谢身边所有的朋友和同学，谢谢你们三年来的关照和宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将是我一生最珍贵的回忆。

在论文即将完成之际，写下“致谢”两字，心中无限感慨。回眸过去，一路走来，需要感谢的人太多，实在是这些简单的文字所不能表达和承载的。在这里也真心的祝愿老师们工作顺利。你们辛苦了，谢谢你们