過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)(脫丙烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 有圖)

1、 成績(jī)：成績(jī)： 過(guò)程控制工程過(guò)程控制工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：脫丙烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目：脫丙烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)學(xué) 院：院： 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 班班 級(jí)：級(jí)： 自動(dòng)化自動(dòng)化 姓姓 名：名： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 起止日期：起止日期：2012 年年 12 月月 31 日日2013 年年 01 月月 4 日日0目目 錄錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2二、二、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 51、 摘要2、 基本控制方案的設(shè)計(jì)與分析3、 節(jié)流裝置的計(jì)算4、 蒸汽流量控制閥口徑的計(jì)算三、三、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 11四、四、附圖附圖 151一、一、設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目：脫丙

2、烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、二、設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)目的：1、掌握控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成、原理及設(shè)計(jì)的方法和步驟。2、掌握控制方案的設(shè)計(jì)、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。3、掌握節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥的計(jì)算。4、了解信號(hào)報(bào)警及聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。5、通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，掌握必須的工程知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和獨(dú)立完成工程設(shè)計(jì)任務(wù)能力的培養(yǎng)。三、三、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)：所需數(shù)據(jù)：1 1、主要工藝流程和環(huán)境特征概況主要工藝流程和環(huán)境特征概況 脫丙烷塔的主要任務(wù)是切割 C3 和 C4 混合餾分，塔頂輕關(guān)鍵組分是丙烷，塔釜重關(guān)鍵是組分丁二烯。主要工藝流程如圖 1 所示：第一脫乙

3、烷塔塔釜來(lái)的釜液和第二蒸出塔的釜液混合后進(jìn)入脫丙烷塔，進(jìn)料為氣液混合狀態(tài)，液化率為 0.28。進(jìn)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(lái)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(gè)高階對(duì)象，具有對(duì)象通道多、內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜、變量間相互關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、控制要求高等特點(diǎn)。脫丙烷塔的自動(dòng)控制應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)、物料指標(biāo)、能量平衡及約束條件等要求。 脫丙烷塔所處的環(huán)境為甲級(jí)防爆區(qū)域,工藝介質(zhì)為多種烴

4、類(lèi)混合物,沸點(diǎn)低、易揮發(fā)、易燃、易爆，生產(chǎn)裝置處于露天，低壓、低溫。主導(dǎo)風(fēng)向由西向東。2 2、儀表選型說(shuō)明、儀表選型說(shuō)明 所選儀表應(yīng)具有本質(zhì)安全防爆性能等特點(diǎn)，電動(dòng)型儀表在安全性、可靠性等方面已能滿(mǎn)足要求。電動(dòng)儀表信號(hào)傳送快且距離遠(yuǎn)，易與計(jì)算機(jī)配合使用，除控制閥外，最好全部選用電動(dòng)型儀表。采用安全柵，可構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)。3 3、再沸器加熱蒸汽流量檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)室式標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)算數(shù)據(jù)：、再沸器加熱蒸汽流量檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)室式標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)算數(shù)據(jù)：（1）被測(cè)流體：飽和水蒸汽（2）流量：Mmax=1350kg/h; Mcom=900kg/h; Mmin=450kg/h（3）工作壓力：p1=0.15MPa（絕壓）

5、; 工作溫度：t1=1102（4）密度：s=0.8528kg/m3;粘度 =2510-6Pas（5）允許的壓力損失：應(yīng)盡量?。?）管道內(nèi)徑：D20=200mm（7）管道材質(zhì)：20#鋼，新無(wú)縫管4、蒸汽流量控制閥口徑計(jì)算數(shù)據(jù)：（1）流體：飽和水蒸汽（2）正常流量條件下：閥前絕壓：P1=140kPa閥后絕壓：P2=105kPa閥前溫度：t1=110管道內(nèi)徑：D1= D2=200mm正常流量：MS=900kg/h密度：S=0.8528kg/m3（3）穩(wěn)態(tài)最大流量：Mmax=1350kg/h（4）選型：氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，等百分比固有流量特性，流開(kāi)向型。型號(hào)：ZMAP-1.6K3四、主要設(shè)計(jì)任務(wù)四、主要設(shè)

6、計(jì)任務(wù)1、確定基本控制方案，要帶有信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)（設(shè)置 3 個(gè)液位報(bào)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(diǎn)的工藝流程圖。2、對(duì)至少一個(gè)回路（再沸器加熱蒸汽流量控制系統(tǒng)）進(jìn)行儀表選型。3、對(duì)至少一個(gè)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(jìn)行計(jì)算。4、分析所用到的復(fù)雜控制系統(tǒng)并繪制復(fù)雜控制系統(tǒng)的接線圖。5、設(shè)計(jì)布置控制室并繪制控制室平面布置圖。6、繪制再沸器加熱蒸汽流量檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)孔板制造圖。五、需提交的設(shè)計(jì)文件五、需提交的設(shè)計(jì)文件1、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2、控制流程圖3、自控設(shè)備表4、復(fù)雜系統(tǒng)儀表接線圖5、節(jié)流裝置

7、及調(diào)節(jié)閥計(jì)算數(shù)據(jù)表6、標(biāo)準(zhǔn)孔板制造圖7、控制室平面布置圖 其中第 1 項(xiàng)應(yīng)包括目錄、摘要、正文及參考文獻(xiàn)等項(xiàng)；2-7 項(xiàng)均應(yīng)按制圖或制表規(guī)范來(lái)制作，圖紙采用 3 號(hào)紙（297420mm） ，也可以使用電腦制圖，作為附錄附在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)后。參考資料參考資料1、 過(guò)程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì).孫洪程,翁唯勤合編.化學(xué)工業(yè)出版社2、 實(shí)用自動(dòng)控制指南.美M.G 安德魯，H.B 威廉斯.化學(xué)工業(yè)出版社3、 煉油化工自控設(shè)計(jì)手冊(cè)4、 過(guò)程控制工程.王樹(shù)清等編.化學(xué)工業(yè)出版社4設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、摘要一、摘要脫丙烷塔的主要任務(wù)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組分，并達(dá)到規(guī)定的純度要求。塔頂輕組分

8、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。為了滿(mǎn)足脫丙烷塔的自動(dòng)控制的質(zhì)量指標(biāo)、物料指標(biāo)、能量平衡及約束條件等要求。設(shè)計(jì)包括提餾段的溫度與蒸汽流量的串級(jí)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(jìn)料流量的簡(jiǎn)單均勻控制；回流罐的液位與回流管的回流量組成串級(jí)均勻控制；回流量的定制控制；以及進(jìn)料、回流、塔頂、塔釜的溫度檢測(cè)，塔壓檢測(cè)，回流量的流量檢測(cè)等。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：串級(jí)控制，被控變量，分層控制，均勻控制，定值控制，檢測(cè)。5二、基本控制方案的設(shè)計(jì)與分析二、基本控制方案的設(shè)計(jì)與分析1.提餾段的溫度與蒸汽質(zhì)量組成串級(jí)控制維持提餾段的溫度恒定

9、對(duì)此反應(yīng)裝置的是否能順利進(jìn)行以及產(chǎn)品的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)是很重要的。設(shè)計(jì)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(yīng)的穩(wěn)定順利進(jìn)行。由于影響提餾段的一個(gè)重要因素是來(lái)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?yàn)榧訜嵊玫臏p壓蒸汽由來(lái)減壓蒸汽總管的蒸汽與冷凝水混合制得，所以來(lái)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(shí)間。因此，設(shè)計(jì)一串級(jí)控制系統(tǒng)，以提餾段的溫度為主變量，以來(lái)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化引起的擾動(dòng)，從而達(dá)到較好地控制提餾段的溫度恒定的目的。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

10、制要保證反應(yīng)的順利進(jìn)行，塔頂?shù)膲毫愣ㄒ彩且粋€(gè)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(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)，以滿(mǎn)足工藝上的要求。因此設(shè)計(jì)一分程控制，以塔頂壓力恒定為主要控制目的，當(dāng)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(shí)，調(diào)解去尾氣管線上的流量，以達(dá)到控制塔頂?shù)膲毫Φ哪康摹?.回流罐的液位與回流管的回流量串級(jí)均勻?yàn)楸ＷC回流量的穩(wěn)定，以及使回流罐不流空，設(shè)計(jì)此液位一流量串級(jí)控制系統(tǒng)。4.塔釜的液位與塔釜流出的流量的串級(jí)均勻控制 同上一控制系統(tǒng)相似，由于變量間的相互關(guān)聯(lián)、為保證塔內(nèi)的液位恒定，去脫丁烷塔管線的流

11、量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)此串級(jí)控制系統(tǒng)，以達(dá)到控制塔內(nèi)液位與流出量的穩(wěn)定。5.為保證反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行，設(shè)計(jì)一進(jìn)料流量的均勻控制6.報(bào)警系統(tǒng)為保證塔釜、回流罐、冷凝器的液位不超過(guò)可控范圍，可分別設(shè)計(jì)一液位報(bào)警系統(tǒng)當(dāng)塔釜液位偏離 30%-90%時(shí)，冷凝器液位偏離 20%-80%時(shí)，回流罐液位偏離 30%-80%時(shí)，報(bào)警提示。為了保證塔壓的變化不超過(guò)允許值，分別在塔頂與塔底安裝了一個(gè)具有溫度上限報(bào)警的溫度檢測(cè)儀表。為了保證塔壓的變化不超過(guò)允許值，在位于塔上部的地方裝一帶壓力上限報(bào)警系統(tǒng)的壓力檢測(cè)儀表7.除了上述控制裝置外，還設(shè)計(jì)有對(duì)進(jìn)料、塔底采出、不凝氣體排出、回流物溫度檢6測(cè)。具體見(jiàn)附圖：脫丙烷塔工藝流程圖。8

12、.控制室平面布置圖繪制說(shuō)明由于生產(chǎn)裝置處于露天，工藝介質(zhì)易燃、易爆，且主導(dǎo)風(fēng)向由西向東，因此設(shè)計(jì)此控制室位子生產(chǎn)裝置的西邊，且門(mén)跟窗都向著生產(chǎn)裝置?？刂票P(pán)背向生產(chǎn)裝置，以利于電纜進(jìn)入與之連接。具體見(jiàn)控制室平面布置圖。三、節(jié)流裝置計(jì)算三、節(jié)流裝置計(jì)算: : 1 1、己知條件、己知條件: : (1)被測(cè)流體:飽和水蒸汽 (2)流量: Mmax=1350 kg/h Mcom=900 kg/h Mmin=450 kg/h(3)工作壓力:= 0.15Mpa (絕壓)(4)工作溫度:t1= 110.0(5)允許的壓力損失:應(yīng)盡是小(6)管道內(nèi)徑:D20=200mm(7)仍管道材質(zhì):20#鋼，新無(wú)縫管(8)

13、管道和局部阻力件敷設(shè)簡(jiǎn)圖如下所示。圖中 LI、L2, LO 按設(shè)計(jì)要求要求設(shè)。(9)要求采用角接取壓（環(huán)室）標(biāo)準(zhǔn)孔板，配電動(dòng)差壓變送器。2.2.輔助計(jì)算輔助計(jì)算（本例中的公式右側(cè)標(biāo)注的頁(yè)號(hào)和圖、表號(hào)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量節(jié)流裝置）(1)工作狀態(tài)下，質(zhì)量流量標(biāo)尺上限：1600kg/h(2)管道材質(zhì)的線膨脹系數(shù)：D=12.1210 mm/mmc6(3)工作狀態(tài)下，管道內(nèi)徑：D=D201+D(t1-20)=2001+12.1210(110-20)=200.218mm6 (4)工作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的粘度: =2510Pas67 (5)工作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的密度: =0.8528kg/ms3 (6) 工

14、作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的等熵指數(shù): =1.29 (7)管道粗糙度: K=0.10 (8)管徑與粗糙度之比: D/K=200.218/0.10=2002.18100 (9)求 ReD的值: minReD=35410 =35410 =3.182510min3DM min361025218.2004504(10)求 ReD的值:comReD=35410=35410=6.365110com3DMcom361025218.2009004(11)根據(jù) ReD=3.182510 和角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的要求,角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板適用的min4最小雷諾數(shù) ReD推薦值可知,在 0.50 的范圍內(nèi) 取任意值時(shí),因流量變化

15、引起的流min量系數(shù) 0 的改變,其附加誤差小于 0.5%。(12)由于要求壓力損失盡量小，故取 =0.48 為確定差壓上限的依據(jù)。(13)確定差壓上限：a：令 =1,R=10 ,=0.48 取 =0.14324ReeD502b:h=max122202)003999. 0(DM8528. 0)218.20014324. 0003999. 0(1600222 =5693.1 Pa=5.693 kPa ?。篽=6.0KPa20C:驗(yàn)算 P2/P1 值 P2/P1=（140-6）/140=0.960.75上述 h值可用 20 d：選用 1151DP-4E22M1B3D2Fa 型電容式差壓變送器(14

16、)求 h值：h=（Mcom/M） h=（900/1600） 6.0=1.8984 kPacom20com202202e：計(jì)算：(1)令 =1, =1,根據(jù) M、D、h，求（ ）1 值：Recom1com2002（ ）1=02comhDMcom2012003999. 018988528. 0218.200003999. 09002 =0.13958（2）根據(jù)（ ）1、ReD，求值：取接近（ ）02com1021=0.1395，ReD=6.365110 的 值，查表可得 =0.474com41（3）根據(jù) D/K、ReD，求值： =（）1comReRe101)6Relg(D式中 得 =110Re （

17、4）根據(jù) P2/P1，、，求 值：P2/P1=0.96，=1.29，=0.47411=1-（0.3707+0.3184 ）1-=1-(0.3707+3.84)2zPP112)(935. 02474. 0 =0.9849935. 029. 11)96. 0(1 (5)求（ ）2 的值:（ ）2= =0.14160202Re120)(9849. 011395. 0(6)根據(jù)（ ）2、ReD，求 和 的值：02comDRe541041080 020 020.4760.62240.141030.62130.140780.4770.62260.141660.62150.141410.4780.62280

18、.142300.62170.14205=5時(shí)： =0.476+DRe41024769. 0)476. 0477. 0(14103. 014166. 014103. 01416. 0 =06226. 0)062246226. 0(14103. 014166. 014141. 01416. 06224. 0=時(shí)： =DRe4108 24773. 0)6215. 06217. 0(14141. 014205. 014141. 01416. 0477. 0 = 06216. 0)6215. 06217. 0(14141. 014205. 014141. 01416. 06215. 0=時(shí)： =0.47

19、71DRe4104386. 6)4769. 04773. 0(10)58(10)54386. 6(4769. 0442 =0.6221)6226. 06216. 0(10)58(10)54386. 6(6226. 0440（7）求 d 值： d=0.4771200.218=95.5240mmD29（8）驗(yàn)算： =comcomhdM20120003999. 0=899.5932kg/h4 .18988528. 0524.959849. 06221. 0003999. 02100%=100%=-0.045% 上述計(jì)算合格。comcomcomMMMM9009005932.899（9）求的值： 孔板采

20、用 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼。20dd=17.00mm/mmC =d/1+d(-61020d1t20)=95.524/1+17.00(110-20)=95.37810.045mm/mmC610(10)求實(shí)際的最大壓力損失的值:p = =4.5115kPap20201120h0 . 64771. 06221. 014771. 06221. 0122(11)確定最小長(zhǎng)度: L1=20D=4000mm L2=6D=1200mm L0=10D=2000mm四、蒸汽流量控制閥口徑計(jì)算：儀表位號(hào)：FV-1021.已知條件（1）流體：飽和蒸汽（2）正常流量條件下： 閥前絕壓：P1=140kPa 閥后絕壓

21、：P2=105kPa閥前溫度：t1=110 管道內(nèi)徑：D1= D2=200mm 正常流量：MS=900kg/h密度：S=0.8528kg/m3（3）穩(wěn)態(tài)最大流量：Mmax=1350kg/h（4）選型：氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，等百分比固有流量特性，流開(kāi)向型。2.計(jì)算：（1）判斷是否阻塞流查石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)得臨界差壓變比系數(shù)=0.72 以及氣體絕熱指數(shù) K=1.29rX則 比熱系數(shù) =K/1.4=1.29/1.4=0.92 =0.920.72=0.66KFKFrX差壓比 X=P/ P1 =（P1- P2）/ P1 =0.035/0.140=0.25 可見(jiàn)，X，故為非阻塞流。KFrX（2）值計(jì)算：n

22、C10膨脹系數(shù) Y=1-=1-=0.82rKXFX372. 066. 0325. 0 =63.57nC1116. 3XPYWc8528. 014025. 0182. 016. 3900（3）值的計(jì)算： =1.2=1.21350=1620kg/hmaxCmaxWmaxcW =162063.57900=114.43maxCcnWCWmax（4）口徑的選定：選閥的公稱(chēng)流量系數(shù)和公稱(chēng)通徑： =120， DN=d=100mm100C（5）相對(duì)行程計(jì)算：控制閥在正常流量條件下： =（1+0.68）100%=（1+0.68）100%=81.2%)/lg(100CCn)120/57.63lg(基本符合等百分比

23、特性控制閥正常流量時(shí)相對(duì)形成為 80%左右的要求。 （直線流量特性控制閥正常流量時(shí)，要求 =60%）參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.孫洪程，翁唯勤編.過(guò)程控制工程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20002.周澤魁主編.控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20023.王樹(shù)青等編著.工業(yè)過(guò)程控制工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20024.蘇彥勛等編著.流量計(jì)量與測(cè)試.中國(guó)計(jì)量出版社，19915.湖南大學(xué)化工系無(wú)機(jī)化工教研室.化工手冊(cè)（上） ，19766.紀(jì)綱編著.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20037.何衍生等編著.控制閥工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20058.謝小球編著.石油化

24、工測(cè)量及儀表.中國(guó)石化出版社，19949.梁朝林編著.化工原理.廣州：廣東高等教育出版社，200010.張建宏，蒙建波編著.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20041111.陸德明編著.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000附件：附件： 節(jié)流裝置計(jì)算數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)單位名稱(chēng)工程名稱(chēng)再沸器加熱裝置設(shè)計(jì)項(xiàng)目脫丙烷塔自控編制校核審核節(jié)流裝置計(jì)算數(shù)據(jù)表第一頁(yè)共一頁(yè)序號(hào)123節(jié)流裝置位號(hào)FRC-107-2用途蒸汽流量測(cè)量介質(zhì)及成分飽和蒸汽溫度110壓力 Mpa（絕）0.15標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) kg/Nm3密度操作狀態(tài) kg/m30.8528動(dòng)力粘度 Pa*s25*610粘度運(yùn)動(dòng) m/s42.90*610最大1350正常900流量液體 kg/h蒸汽 kg/h氣體 Nm/h最小450相對(duì)溫度 %允許壓力損失 KPa盡量小管道規(guī)格 mm219*9管道材料20#鋼操作條件安裝方式水平顯示儀表型號(hào)IRV-4131-0023流量刻度01600kg/h（方根）變送器型號(hào)1151DP4E00M1B3選用儀表最大差壓 KPa6.0數(shù)量1節(jié)流裝置形式環(huán)室式標(biāo)準(zhǔn)孔