過程控制課程設計---脫丙烷塔控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　成績： </p><p><b>　　《過程控制工程》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題目：脫丙烷塔控制系統(tǒng)設計</p><p>　　學 院： 計算機與電子信息學院 </p><p&g

2、t;　　班 級： 自動化09-2班 </p><p>　　起止日期：2012年12月31日～2013年01月4日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　設計任務書………………………………………………… 2</p><p>　　設計說明書……………………………………………

3、…… 5</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　基本控制方案的設計與分析</p><p><b>　　節(jié)流裝置的計算</b></p><p>　　蒸汽流量控制閥口徑的計算</p><p>　　參考文獻…………………………………………………… 11&

4、lt;/p><p>　　附圖………………………………………………………… 15</p><p><b>　　設計題目：</b></p><p>　　《脫丙烷塔控制系統(tǒng)設計》</p><p><b>　　設計目的：</b></p><p>　　1、掌握控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成、原理及設

5、計的方法和步驟。</p><p>　　2、掌握控制方案的設計、儀表選型的方法及管道流程圖、儀表接線圖、儀表安裝等圖的繪制方法。</p><p>　　3、掌握節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥的計算。</p><p>　　4、了解信號報警及聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計和順序控制系統(tǒng)的設計。</p><p>　　5、通過理論聯(lián)系實際，掌握必須的工程知識，加強對學生實踐動手能力和

6、獨立完成工程設計任務能力的培養(yǎng)。</p><p><b>　　設計所需數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　1、主要工藝流程和環(huán)境特征概況</p><p>　　脫丙烷塔的主要任務是切割C3和C4混合餾分，塔頂輕關鍵組分是丙烷，塔釜重關鍵是組分丁二烯。主要工藝流程如圖1所示：第一脫乙烷塔塔釜來的釜液和第二蒸出塔的釜液混合后進入脫丙烷塔，進料為氣液混

7、合狀態(tài)，液化率為0.28。進料溫度為32℃，塔頂溫度為8.9℃，塔釜溫度為72℃。塔內(nèi)操作壓力為0.75MPa(絕壓)。采用的回流比約為1.13。冷凝器由0℃丙烯蒸發(fā)制冷,再沸器加熱用的0.15 MPa(絕壓)減壓蒸汽由來自裂解爐的0.6 MPa(絕壓)低壓蒸汽與冷凝水混合制得的。和其他精餾塔一樣，脫丙烷塔也是一個高階對象，具有對象通道多、內(nèi)在機理復雜、變量間相互關聯(lián)、動態(tài)響應慢、控制要求高等特點。脫丙烷塔的自動控制應滿足質(zhì)量指標、物料

8、指標、能量平衡及約束條件等要求。</p><p>　　脫丙烷塔所處的環(huán)境為甲級防爆區(qū)域,工藝介質(zhì)為多種烴類混合物,沸點低、易揮發(fā)、易燃、易爆，生產(chǎn)裝置處于露天，低壓、低溫。主導風向由西向東。</p><p><b>　　2、儀表選型說明</b></p><p>　　所選儀表應具有本質(zhì)安全防爆性能等特點，電動Ⅲ型儀表在安全性、可靠性等方面已能滿足

9、要求。電動儀表信號傳送快且距離遠，易與計算機配合使用，除控制閥外，最好全部選用電動Ⅲ型儀表。采用安全柵，可構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)。</p><p>　　3、再沸器加熱蒸汽流量檢測系統(tǒng)環(huán)室式標準孔板計算數(shù)據(jù)：</p><p>　?。?）被測流體：飽和水蒸汽</p><p>　?。?）流量：Mmax=1350kg/h; Mcom=900kg/h; Mmin=450kg/h

10、</p><p>　?。?）工作壓力：p1=0.15MPa（絕壓）; 工作溫度：t1=110℃</p><p>　　（4）密度：ρs=0.8528kg/m3;粘度η=25×10-6Pa·s</p><p>　?。?）允許的壓力損失：應盡量小</p><p>　?。?）管道內(nèi)徑：D20=200mm</p>&l

11、t;p>　　（7）管道材質(zhì)：20#鋼，新無縫管</p><p>　　4、蒸汽流量控制閥口徑計算數(shù)據(jù)：</p><p>　?。?）流體：飽和水蒸汽</p><p>　?。?）正常流量條件下：</p><p>　　閥前絕壓：P1=140kPa</p><p>　　閥后絕壓：P2=105kPa</p>&

12、lt;p>　　閥前溫度：t1=110℃</p><p>　　管道內(nèi)徑：D1= D2=200mm</p><p>　　正常流量：MS=900kg/h</p><p>　　密度：ρS=0.8528kg/m3</p><p>　?。?）穩(wěn)態(tài)最大流量：Mmax=1350kg/h</p><p>　?。?）選型：氣動單座調(diào)

13、節(jié)閥，等百分比固有流量特性，流開向型。</p><p>　　型號：ZMAP-1.6K</p><p><b>　　四、主要設計任務</b></p><p>　　1、確定基本控制方案，要帶有信號報警系統(tǒng)（設置3個液位報警上、下限：塔釜液位：30%-90%，冷凝器液位：20%-80%，回流罐液位：30%-80%），并按規(guī)范繪制帶控制點的工藝流程圖。

14、</p><p>　　2、對至少一個回路（再沸器加熱蒸汽流量控制系統(tǒng)）進行儀表選型。</p><p>　　3、對至少一個回路（再沸器加熱蒸汽流量控制系統(tǒng)）的節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥進行計算。</p><p>　　4、分析所用到的復雜控制系統(tǒng)并繪制復雜控制系統(tǒng)的接線圖。</p><p>　　5、設計布置控制室并繪制控制室平面布置圖。</p>

15、<p>　　6、繪制再沸器加熱蒸汽流量檢測系統(tǒng)標準孔板制造圖。</p><p>　　五、需提交的設計文件</p><p><b>　　1、設計說明書</b></p><p><b>　　2、控制流程圖</b></p><p><b>　　3、自控設備表</b>&l

16、t;/p><p>　　4、復雜系統(tǒng)儀表接線圖</p><p>　　5、節(jié)流裝置及調(diào)節(jié)閥計算數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　6、標準孔板制造圖</b></p><p>　　7、控制室平面布置圖</p><p>　　其中第1項應包括目錄、摘要、正文及參考文獻等項；2-7項均應按制圖或制表規(guī)范來制作，圖

17、紙采用3號紙（297×420mm），也可以使用電腦制圖，作為附錄附在設計說明書后。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1、《過程控制系統(tǒng)工程設計》.孫洪程,翁唯勤合編.化學工業(yè)出版社</p><p>　　2、《實用自動控制指南》.[美]M.G安德魯，H.B威廉斯.化學工業(yè)出版社</p>&

18、lt;p>　　3、《煉油化工自控設計手冊》</p><p>　　4、《過程控制工程》.王樹清等編.化學工業(yè)出版社</p><p><b>　　設計說明書</b></p><p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　脫丙烷塔的主要任務是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同分離丙烷和丁二烯

19、組分，并達到規(guī)定的純度要求。塔頂輕組分主要是丙烷，塔低重組分主要是丁二烯。其中丙烷占 10，丁二烯占 89，其它雜質(zhì)占 1。</p><p>　　為了滿足脫丙烷塔的自動控制的質(zhì)量指標、物料指標、能量平衡及約束條件等要求。設計包括提餾段的溫度與蒸汽流量的串級控制；塔頂鴨梨為被控變量，氣態(tài)丙烯與去尾氣管線組成分層控制；進料流量的簡單均勻控制；回流罐的液位與回流管的回流量組成串級均勻控制；回流量的定制控制；以及進料、回

20、流、塔頂、塔釜的溫度檢測，塔壓檢測，回流量的流量檢測等。</p><p>　　關鍵字：串級控制，被控變量，分層控制，均勻控制，定值控制，檢測。</p><p>　　二、基本控制方案的設計與分析</p><p>　　1.提餾段的溫度與蒸汽質(zhì)量組成串級控制</p><p>　　維持提餾段的溫度恒定對此反應裝置的是否能順利進行以及產(chǎn)品的質(zhì)量是否達標

21、是很重要的。設計此系統(tǒng)的控制目的主要就是為了維持提餾段內(nèi)溫度得恒定，以保證反應的穩(wěn)定順利進行。由于影響提餾段的一個重要因素是來自減壓蒸汽總管的蒸汽流量，而提餾段的溫度恒定才是主要控制的目的。因為加熱用的減壓蒸汽由來減壓蒸汽總管的蒸汽與冷凝水混合制得，所以來自減壓總管蒸汽流量的變化作用于提餾段的溫度有一定的滯后時間。因此，設計一串級控制系統(tǒng)，以提餾段的溫度為主變量，以來自減壓總管的蒸汽量作為副變量，它能快速地消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變

22、化引起的擾動，從而達到較好地控制提餾段的溫度恒定的目的。</p><p>　　2.塔頂壓力為被控變量，氣體丙烯與去尾氣管線組成分程控制</p><p>　　要保證反應的順利進行，塔頂?shù)膲毫愣ㄒ彩且粋€重要的的參數(shù)。影響此壓力的是再沸器的氣態(tài)丙烯流量以及回流灌的壓力（由去尾氣管線的流量控制）。為了擴大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)，以滿足工藝上的要求。因此設計一分程控制，以塔頂壓力恒定

23、為主要控制目的，當投操縱變量氣態(tài)丙烯流量的改變不足于控制斷控制壓力時，調(diào)解去尾氣管線上的流量，以達到控制塔頂?shù)膲毫Φ哪康摹?lt;/p><p>　　3.回流罐的液位與回流管的回流量串級均勻</p><p>　　為保證回流量的穩(wěn)定，以及使回流罐不流空，設計此液位一流量串級控制系統(tǒng)。</p><p>　　4.塔釜的液位與塔釜流出的流量的串級均勻控制</p>&

24、lt;p>　　同上一控制系統(tǒng)相似，由于變量間的相互關聯(lián)、為保證塔內(nèi)的液位恒定，去脫丁烷塔管線的流量穩(wěn)定，設計此串級控制系統(tǒng)，以達到控制塔內(nèi)液位與流出量的穩(wěn)定。</p><p>　　5.為保證反應的穩(wěn)定進行，設計一進料流量的均勻控制</p><p><b>　　6.報警系統(tǒng)</b></p><p>　　為保證塔釜、回流罐、冷凝器的液位不超過

25、可控范圍，可分別設計一液位報警系統(tǒng)——當塔釜液位偏離30%-90%時，冷凝器液位偏離20%-80%</p><p>　　時，回流罐液位偏離30%-80%時，報警提示。</p><p>　　為了保證塔壓的變化不超過允許值，分別在塔頂與塔底安裝了一個具有溫度上限報警的溫度檢測儀表。為了保證塔壓的變化不超過允許值，在位于塔上部的地方裝一帶壓力上限報警系統(tǒng)的壓力檢測儀表</p>&l

26、t;p>　　7.除了上述控制裝置外，還設計有對進料、塔底采出、不凝氣體排出、回流物溫度檢測。</p><p>　　具體見附圖：脫丙烷塔工藝流程圖。</p><p>　　8.控制室平面布置圖繪制說明</p><p>　　由于生產(chǎn)裝置處于露天，工藝介質(zhì)易燃、易爆，且主導風向由西向東，因此設計此控制室位子生產(chǎn)裝置的西邊，且門跟窗都向著生產(chǎn)裝置?？刂票P背向生產(chǎn)裝置，以

27、利于電纜進入與之連接。具體見控制室平面布置圖。</p><p><b>　　三、節(jié)流裝置計算:</b></p><p><b>　　1、己知條件:</b></p><p>　　(1)被測流體:飽和水蒸汽</p><p><b>　　(2)流量:</b></p>&

28、lt;p>　　Mmax=1350 kg/h</p><p>　　Mcom=900 kg/h </p><p>　　Mmin=450 kg/h</p><p>　　(3)工作壓力:= 0.15Mpa (絕壓)</p><p>　　(4)工作溫度:t1= 110.0</p><p>　　(5)允

29、許的壓力損失:應盡是小</p><p>　　(6)管道內(nèi)徑:D20=200mm</p><p>　　(7)仍管道材質(zhì):20#鋼，新無縫管</p><p>　　(8)管道和局部阻力件敷設簡圖如下所示。圖中LI、L2, LO按設計要求要求設。</p><p>　　(9)要求采用角接取壓（環(huán)室）標準孔板，配電動差壓變送器。</p>&

30、lt;p><b>　　2.輔助計算</b></p><p>　?。ū纠械墓接覀?cè)標注的頁號和圖、表號與《國家標準流量測量節(jié)流裝置》）</p><p>　　(1)工作狀態(tài)下，質(zhì)量流量標尺上限：Ｍ＝1600kg/h</p><p>　　(2)管道材質(zhì)的線膨脹系數(shù)：∧D=12.12×10 mm/mm·c</p>

31、;<p>　　(3)工作狀態(tài)下，管道內(nèi)徑：</p><p>　　D=D20[1+∧D(t1-20)]=200×[1+12.12×10×(110-20)]=200.218mm</p><p>　　(4)工作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的粘度: η=25×10Pa·s</p><p>　　(5)工作狀態(tài)下,飽和水蒸

32、氣的密度: =0.8528kg/m</p><p>　　(6) 工作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的等熵指數(shù): χ=1.29</p><p>　　(7)管道粗糙度: K=0.10</p><p>　　(8)管徑與粗糙度之比: D/K=200.218/0.10=2002.18>100</p><p>　　(9)求ReD的值: </p&

33、gt;<p>　　ReD=354×10× =354×10× =3.1825×10</p><p>　　(10)求ReD的值:</p><p>　　ReD=354×10×=354×10×=6.3651×10</p><p>　　(11)根據(jù)ReD=3.18

34、25×10和角接取壓標準孔板的要求,角接取壓標準孔板適用的最小雷諾數(shù)ReD推薦值可知,在β<0.50的范圍內(nèi)β取任意值時,因流量變化引起的流量系數(shù)α0的改變,其附加誤差小于0.5%。</p><p>　　(12)由于要求壓力損失盡量小，故取β=0.48為確定差壓上限的依據(jù)。</p><p>　　(13)確定差壓上限：</p><p>　　a：令γ=1

35、,R=10,β=0.48 取 αβ=0.14324</p><p><b>　　b:h==</b></p><p>　　=5693.1 Pa=5.693 kPa ?。篽=6.0KPa</p><p>　　C:驗算P2/P1值 P2/P1=（140-6）/140=0.96≥0.75</p&g

36、t;<p>　　上述h值可用 </p><p>　　d：選用1151DP-4E22M1B3D2Fa型電容式差壓變送器</p><p>　　(14)求h值：h=（Mcom/M） h=（900/1600）×6.0=1.8984 kPa</p><p>　　e：計算：(1)令γ=1, ε=1,根據(jù)M、、D、h，求（αβ）1值：</

37、p><p><b>　?。é力拢?==</b></p><p><b>　　=0.1395</b></p><p>　?。?）根據(jù)（αβ）1、ReD，求值：取接近（αβ）1=0.1395，ReD=6.3651×10的β值，查表可得 =0.474</p><p>　?。?）根據(jù)D/K、、ReD

38、，求值： =（）</p><p>　　式中 得 =1</p><p>　　（4）根據(jù)P2/P1，χ、，求ε值：P2/P1=0.96，χ=1.29，=0.474</p><p>　　ε=1-（0.3707+0.3184β）[1-]=1-(0.3707+3.84×) =0.9849</p><p&

39、gt;　　(5)求（αβ）2的值:（αβ）2= ==0.1416</p><p>　　(6)根據(jù)（αβ）2、ReD，求β和α的值：</p><p>　　=5×時： =0.476+</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=時： =</b></p>

40、<p><b>　　=</b></p><p>　　=時： =0.4771</p><p><b>　　=0.6221</b></p><p>　　（7）求d值： d==0.4771×200.218=95.5240mm</p><p>　?。?）驗算： ==899.5932

41、kg/h</p><p>　　×100%=×100%=-0.045% 上述計算合格。</p><p>　?。?）求的值： 孔板采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼。</p><p>　　∧d=17.00×mm/mm·C =d/[1+∧d(-20)]=95.524/[1+17.00××(110-

42、20)]=95.3781±0.045mm/mm·C</p><p>　　(10)求實際的最大壓力損失的值:</p><p>　　== =4.5115kPa</p><p>　　(11)確定最小長度: L1=20D=4000mm L2=6D=1200mm L0=10D=2000mm</p><p>　　四

43、、蒸汽流量控制閥口徑計算：儀表位號：FV-102</p><p><b>　　1.已知條件</b></p><p>　?。?）流體：飽和蒸汽</p><p>　?。?）正常流量條件下： 閥前絕壓：P1=140kPa 閥后絕壓：P2=105kPa</p><p>　　閥前溫度：t1=110℃ 管道內(nèi)徑：

44、D1= D2=200mm 正常流量：MS=900kg/h</p><p>　　密度：ρS=0.8528kg/m3</p><p>　?。?）穩(wěn)態(tài)最大流量：Mmax=1350kg/h</p><p>　?。?）選型：氣動單座調(diào)節(jié)閥，等百分比固有流量特性，流開向型。</p><p><b>　　2.計算：</b>&l

45、t;/p><p>　?。?）判斷是否阻塞流</p><p>　　查《石油化工自動控制設計手冊》得</p><p>　　臨界差壓變比系數(shù)=0.72以及氣體絕熱指數(shù)K=1.29</p><p>　　則 比熱系數(shù) =K/1.4=1.29/1.4=0.92 =0.92×0.72=0.66</p><p>　　差壓比

46、X=△P/ P1 =（P1- P2）/ P1 =0.035/0.140=0.25可見，X〈，故為非阻塞流。</p><p><b>　?。?）值計算：</b></p><p>　　膨脹系數(shù)Y=1-=1-=0.82</p><p><b>　　===63.57</b></p><p>　?。?）值的計

47、算： =1.2=1.2×1350=1620kg/h</p><p>　　==1620×63.57÷900=114.43</p><p>　?。?）口徑的選定：選閥的公稱流量系數(shù)和公稱通徑： =120， DN=d=100mm</p><p>　?。?）相對行程計算：控制閥在正常流量條件下：</p><p>　　

48、ι=（1+0.68）×100%=（1+0.68）×100%=81.2%</p><p>　　基本符合等百分比特性控制閥正常流量時相對形成為80%左右的要求。（直線流量特性控制閥正常流量時，要求ι=60%）</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1.孫洪程，翁唯勤編.過程控制工程設計.北京：化學工業(yè)

49、出版社，2000</p><p>　　2.周澤魁主編.控制儀表與計算機控制裝置.北京：化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　3.王樹青等編著.工業(yè)過程控制工程.北京：化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　4.蘇彥勛等編著.流量計量與測試.中國計量出版社，1991</p><p>　　5.湖南大學化工系無機化工教研室.化工手冊（

50、上），1976</p><p>　　6.紀綱編著.流量測量儀表應用技巧.北京：化學工業(yè)出版社，2003</p><p>　　7.何衍生等編著.控制閥工程設計與應用.北京：化學工業(yè)出版社，2005</p><p>　　8.謝小球編著.石油化工測量及儀表.中國石化出版社，1994</p><p>　　9.梁朝林編著.化工原理.廣州：廣東高等教育出

51、版社，2000</p><p>　　10.張建宏，蒙建波編著.自動檢測技術與裝置.北京：化學工業(yè)出版社，2004</p><p>　　11.陸德明編著.石油化工自動控制設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2000</p><p>　　附件： 節(jié)流裝置計算數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　控制閥計算數(shù)據(jù)表</b>

52、;</p><p><b>　　自控設備表</b></p><p><b>　　脫丙烷塔工藝流程圖</b></p><p>　　回流罐液位流量串級控制儀表回路接線圖</p><p><b>　　控制室平面布線圖</b></p><p><b>