精馏塔回流罐液位控制系统

1 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，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。次设计的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，起着对精馏过程中的缓冲及保护作用，对回流罐液位的调节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，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声场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。

2 精馏塔的工艺流程

根据本次设计条件及要求，我们必须精馏及精馏塔有一定的了解。

精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，实现分离的目的的单元操作。蒸馏按其操作方法可分为：简单蒸馏, 闪蒸，精馏和特殊精馏等。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。一般精馏装置由精馏塔，再沸器，冷凝器，回流罐等设备组成。

精馏塔是一个多输入多输出的多变过程，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。而从能耗的角度来看，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备，因此，精馏塔的节能控制也是十分重要的。

下图是一典型的精馏塔结构图。

3 精馏塔的控制

3.1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、能量消耗和约束条件四方面考虑。

1) 质量指标控制。精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底的纯度。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。所谓的产品纯度，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。产品组分含量非越纯越好，原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求越高，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相适应。

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）与塔釜液位一定为目标的。

3) 能量平衡控制。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) 约束控制条件。精馏过程是复杂传质和传热过程。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，使塔板效率下降，精馏操作不能正常进行。

操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。

临界温度限：保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常操作。

3.2精馏塔的扰动分析

影响物料平衡的因素包括精料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及底部出料量的变化。影响能量平衡的因素主要包括进料温度的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化及塔的环境温度变化等。

（1） 精料量和进料成分：进料流量通常不可控大但可测。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，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。

（2） 进料温度和进料热焓值：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，组成串级控制。

（3） 再沸器加热蒸汽压力：再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡。

控制策略是组成塔压的定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系

统的付被控变量进行控制。

（4） 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。使用风冷式控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制。

（5） 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。

4. 回流罐液位控制的设计

4.1 回流罐工作原理及分析

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，另一部分液体送回塔内，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，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。回流罐的装填系统与一般的储罐没有什么差别，可以取到0.8-0.85. 化工厂是普遍采用卧式回流罐，也叫塔顶冷凝受槽，优点一：是方便外操作人员读取温度、液位、压力等指标；优点二：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。优点三：降低重心，安装方便。立式受槽应该是气液分离器居多，利用重力沉降等原理，更有利于分离。

4.2 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控对象，需要对主要的次要的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。故本次设计采用串级控制方法来控制回流罐的液位。

对于回流罐来说包括两个变量，温度变化和液位变化，通过这两个变量影响控制器控制液位，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，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。

4.3 回流罐传递函数的确定

回流罐的模型与水箱模型类似，进料口相当于水箱的流入端，回流与顶端产品的流出相当于水箱的流出。

流入量与流出量之间的差值等于储存量的变化率：

∆Q i -∆Q 1-∆Q 2=Ad ∆h

dt (4-1)

式中A 为横截面积，∆Q i 是由控制阀开度变化引起的，即：

∆Q i =k∆u (4-2)

阀门1、2的流出量为：∆Q 1=R ∆Q 2 =R (4-3) 12∆h ∆h

式中R 为流出侧负载阀门的阻力（液阻），可知两阀门的液阻基本不变： 将式（3-1）、式（3-2）、带入式（3-3），得：

R 1 R 2A

d ∆h d ∆h R 1 +（R 1+R 2）∆h =kR 1R 2∆u(4-4) 令T=R1R 2,K=kR1R 2上式即可写成： T dt +(R1+R 2) ∆h=K∆u (4-5)

于是求得传递函数为：

G s =∆U(s)=Ts+R∆H(s)K 1+R2 (4-6)

4.4 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，另一个控制器称为副控制器。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（本次设计中为拱顶温度）和副对象（本次设计中为空气流量对象），相应的有两个被控参数，主被控参数（本次设计中为检测的拱顶温度）和副被控参数（本次设计中为检测的空气流量）。主被控参数的信号送往主控制器控制煤气切断阀和放风阀的开度，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）和副回路（内环）。

下图是一典型串级系统控制结构图。

若G c1 s , G C2(s)是主副调节器传递函数; G P1 s , G p2(s)是主、副对象传递函数; G m1 s , G m2(s)是主、副变送器传递函数，G v s 是调节阀传递函数。G d2 s 是二次干扰通道的传递函数。Y 1(s )、Y 2(s )是主副控制参数。D 1(s )、D （2s ）是一、二次干扰。串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。对图4-1所示的方框图进行分析可知，内环具有快速作用，它能够有效的克服二次干扰的影响。当二次干扰经过干扰通道环节G d2(s )

y 2后进入复环，首先影响副参数y 2，于是副调节器立即动作，力图消弱干扰对

进入主环，对

干扰的影响。显然，干扰经过复环的抑制后在y 1的影响有较大的减弱。按图4-1所示的串级系统，可以写出二次D 2至主参数y 1的传递函数是：

由式（4-1）（4-2）比较可知单回路系统比串级系统少了一项G c2(s )G v (s )G p2(s )G m2(s )。在串级系统主环工作频率下，这项乘机的数值比较大，而且随着副调节器比例增益的增大而加大；而分母第二项串级又多一个G c2(s )。一般情况下，副调节器的比例增益是大于1的。因此可以说，串级控制系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰出现时，很快就被副调节器所克服。由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。

本设计采用串级控制系统有比较显著地有点：改善了对象特征，起了超前控制的作用；改善了对象动态特性，提高了工作频率，提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力；具有一定的自适应能力，适合负荷和操作条件的变化。

串级控制系统的设计原则：在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中；选择副参数时，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配；方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。

主控制器：主环是一个定值控制系统，主控制器的控制规律的选择与简单控制系统类似。但采用串级控制系统的主变量往往是比较重要的参数，工艺要求严格，一般不允有余差。因此，通常都采用比例积分控制规律，但是由于本设计滞后较大，采用比例积分微分控制规律。

副控制器：副环是一个随动系统，副变量的控制可以有余差。因此，副控制器一般采用比例控制规律即可，而且比例度通常取得很小，这样比例增益大，控制作用强，余差也不大。如果引入积分作用，会使控制作用趋势变缓，并可能带来积分饱和现象。但当流量为副变量时，由于对象的时间常数和时滞都很小，为使副环在需要时可以单独使用，需要引入积分作用，使得在单独使用时，系统也能稳定工作。这时副控制器采用比例积分控制规律，

比例度取得较大且带积分作

用。

主副控制器正反作用的选择：控制器的正反作用选择的顺序应该是先副后主。副控制器处于副环中，这时副控制器作用方向的选择与简单控制系统类似，使副环的开环放大倍数的符号为“负”即可，即副环内个环节的放大倍数的乘积为负。为使主环的开环放大倍数的符号为负，选择主控制器的作用方向也与简单控制系统类似，而且更为简单。因为互换的作用方向总是正的，主测量变送器为正作用单元，因此主控制器的正反作用仅取决于主对象。当主对象为正作用时，主控制器应选择反作用，反之亦然，主控制器的正反作用与控制阀的正反作用无关。

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，主控制器选用PID 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制系统相比，之死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。

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。

图4-2回流罐液位控制结构图

图4-3主程序流程图

5控制检测元件与参数的选择

5.1测量技术性能指标

5.1.1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衡量。

1) 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) 引用误差

把绝对误差折合成标尺范围的百分数表

3) 精度等级

按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前以系列化，只能从下列系数中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005,0.02,0.05,0.1，0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等根据此次设计的生产产品的精度不是很高，可以选用0.5~1.0精度等级

5.1.2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。

5.1.3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（反行程）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。

5.2调节阀的选择

对于一个具体的控制系统来讲，要根据以下几条原则选择调节阀的开闭形式：

1) 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制器膜片破裂，漏气等而使调节阀无法正常工作，以至于阀芯回复到无源的初始状态（气开发回复到全闭，气关阀恢复到全开）时，应该确保生产工艺的安全，不致发生事故。

2) 从产品的质量出发，当调节阀处于无能源状态而恢复到初始位置时，不应该降低产品的质量。

3）从降低原料，成品，动力顺好来考虑，避免造成不必要的浪费。

4）从介质的特点考虑，如如精馏塔加热的热水调节阀一般选用气开式，以保证在调节阀失去能源时处于全闭状态，减少能源的浪费。

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。

图5.2-1回流阀参数结构图

图5.2-2回流阀

5.3检测和执行元件的选择

本系统的回流阀液位控制设计应有温度检测、液位检测等构成。

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。

5.3.1 检测元件

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4-20mA 信号。

图5.3.1-1 pt100热电阻

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。

主要参数:

工作电源：AC220V±10% 或 DC24V

功耗：

响应延时：

仪表工作环境温度： -20～45℃

探极工作（介质）温度： 普通型：-20～60℃ 中温型：-40～200℃ 高温型：-40～800℃

介质压力： 压力型≤3MPa （其余型号为常压）

输出方式： 4～20mA 变送信号

负载能力： ≤600欧姆 检测范围： ≤11000p

传感器防护等级：IP65 精度：±1%F.S

图5.3.1-2电容式液位计

5.3.2执行元件

本系统可采用调节阀实现执行元件的功能，通过对自动调节阀开度的大小，从而控制流量，从而控制精馏塔温度及回流罐液面的高度，对于调节阀的选择，从安全生产的角度来说，我们可以选择气开的调节阀，同时调节阀应该在智能控制的基础上兼有人工操作，本系统的选用的调节仪表为DDZ-111型调节器，用直流24V 电源，以直流4-20mA 为现场传输型号，以直流1-5V 和直流4-20mA 为控制器联络信号，通过采取了安全设施，能应用于易燃易爆场合，因而使用非常便捷。

图5.3.2-1 DDZ-Ⅲ型调节器

图5.3.2-2 DDZ调节器

6 控制系统的整定

串级控制系统投运顺序是先副环后主环，要求必须保证无扰动切换，而且应该是无平衡无扰动切换，串级控制系统常用的控制其参数整定方法有:逐步逼近法，两步法，一步法。

现介绍逐步逼近法，逐步逼近法就是在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数，然后将副控制器的参数设置在求取值的数值上，使串级控制主回路闭合求取主控制器的整定参数，再将控制器的参数设置在所求的数值上，进行整定，求出第二次副控制器的整定参数值，比较上述两次的整定参数和控制质量，如果达到了控制品质要求则结束整定，否则，再次按照上述方法求取第二次控制器的参数整定值，依次循环，直到求得合适的整定参数值为止。这样，每次循环，其整定参数与最佳值更接近一步。

具体步骤如下：1）断开主回路，闭合幅回路，按单回路控制系统的整定方法整定副副控制器的参数。

2）闭合主副回路，保持第一步取得的副控制器参数，按照单回路控制系统的整定方法，整定主控制器的参数。

3) 在主副回路闭合，主控制器参数保持不变的情况下，再次调整副控制器参数：至此已经完成一个循环，如果控制品质未达到目标，重新在第二部开始，直至获得满意的性能指标。

根据控制过程可以画出系统控制示意图，根据上述方法，即可实现对回流罐液位的控制。

7 心得体会

两周的时间很快的过去了，在这两周里, 我们收获颇多。本以为这是很简单的事情，但是我们小组几个仔细研究过后才发现想要完成的很完美的话并不容易，我们不仅要仔细的浏览课本，还得要查找相关的资料，这个过程下来，我们深刻认识到了自己的不足，比如对课本基础知识理解的不深入，掌握的不牢固。这给我们以后学习指明了方向，并且体会到理论与实践结合的重要性。同时也增强了我们每个人独立思考的能力。设计期间，我们遇到了很多问题，也有过很多分歧，但是最重要的是我们都互相理解，都有认真的成员间的意见，最后总结并解决问题。

虽然时间很短，但是这毕竟是我们努力的成果，再次增加了我们团队的合作意识，同样也我们大学生活期间一段很美好的回忆。

参考文献

[1] 冯晶如. 过程控制工程. 北京，中国轻工业出版社，1995.

[2] 金以惠. 过程控制与仪表技术. 北京，清华大学出版社，1993.

[3] 方康玲. 过程控制系统. 武汉，武汉理工大学出版社，2002.

[4] 戴焯. 传感与检测. 武汉，武汉理工大学出版社，2002.