常压塔控制设计样本.doc

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第1章 常压塔工程实例
1.1 工艺生产过程简介
常减压装置是用来加工原油的第一个装置, 是根据原油的沸点不同, 用蒸馏的方法从原油中分离出各种石油组份, 即汽油、 煤油、 柴油及各种组份的润滑油料和二次加工原料。在石油炼制过程中, 常、 减压塔是具有多侧线产品的塔。常减压装置一般包括三个部分, 即初馏部分、 常压部分和减压部分。
常压塔是一个复合塔, 非标准精馏塔, 只有精馏段, 没有提馏段。一般只能是塔顶出产品或塔底出产品, 不能两者兼得。而常压塔把原油切割成汽油、 煤油、 轻柴油、 重柴油和重油, 塔底没有再沸器, 而通入水蒸汽, 没有提馏段。这样侧线产品中必然有相当数量的轻组分。解决的办法是增加汽提塔。过热水蒸汽420℃。
　　常压塔的负荷往往决定了炼油厂的生产能力, 因此负荷是很大的。另一方面, 它是一个多馏份的切割塔, 因此产品纯度没有一般精馏塔要求高, 各侧线产品纯度允许在一定的馏份范围内变化, 这是多馏份蒸馏塔的特点。
　　常减压工艺流程能够简化为: 根据原油中各组份的沸点( 挥发度) 不同, 将混合物切割成不同沸点的”馏份”。即是利用加热炉将原油进行加热, 生成汽、 液两相, 在常压塔中, 使汽、 液两相充分的热交换和质量交换, 在提供塔顶回流的条件下对原油进行精馏, 从塔顶分馏出沸点较低的产品, 汽油。从塔底分出沸点较高的产品, 重油, 塔中间抽出, 得到侧线产品, 即煤油、 柴油、 蜡油等。常压蒸馏后剩下的重油组份分子量较大, 在高温下易分解( 500 ℃左右) , 为了将常压重油中的各种沸点的润滑油组份分离出来, 采用在减压塔( 真空蒸馏方法) 塔顶使用蒸汽喷射泵、 间冷器抽真空的方法, 使加热后的常压重油在负压条件下进行分馏, 从而使高沸点的组份在相应的温度下依次馏出做为润滑油料。这是因为石油沸点与压力的关系是: 压力低, 油品的沸点就越低。另外, 还采用水蒸汽汽提法来提高拔出率和质量。
初馏塔塔顶能够出初馏点～130℃的馏份作为重整原料。也可不作为产品, 作为常压塔的侧线回流打入常压塔。初馏塔底馏份用泵送入常压加热炉, 被加热至规定温度, 再进入塔内。由于该塔的热量并不是由塔底再沸器供给, 而是由加热炉供给的, 因此, 原料入塔前的温度被预热得很高。塔底直接加入过热水蒸汽, 其目的在于除去提馏段残油中的低沸点馏份而使塔底采出高沸点的产品, 因此提馏段的塔板主要起了水蒸汽的汽提作用。精馏段主要用于分馏不同馏程的馏份, 这和一般的精馏塔相同。但在不同高度的中间塔板上取出不同的侧线产品, 各侧线产品都含有更轻的组份, 为了除去这些更轻的组份, 侧线产品一般被送入汽提塔中进行汽提, 以便得到规定质量指标的产品。这些质量指标, 如初馏点、 干点等。常压塔的顶部产品一般取其大部分用作回流, 而其余部分送入容器中作为产品。
常压塔顶出汽油, 第一侧线出航空煤油, 第二侧线出轻柴油, 第三侧线出重柴油, 根据对产品的要求, 能够灵活调整。
　　常压蒸馏除塔顶回流外, 还有塔中段循环回流, 即从较低层塔板上抽出, 经冷却后, 再用泵送到上几层塔板去, 这样使塔内汽、 液相负荷分布均匀, 既稳定了塔操作又回收部分热量, 并可减小塔的直径。
常压塔底馏分经减压炉加热, 进入减压塔。减压一线出航空润滑油, 二线、 三线、 四线均为润滑油。或再经过第二减压塔从减压五线、 减压六线采出都作为润滑油用, 塔底渣油可作为丙烷脱沥青或沥青原料。
1.2 常压塔的CAD流程图

图1-1 CAD流程图
塔顶温度
塔顶温度首先决定了塔顶产品的组成, 同时也影响各侧线产品的组成, 特别是一线产品质量受影响较大。因此, 应保持塔顶温度的恒定, 塔顶温度是经过顶部回流油量来调节的。
塔侧线温度
塔侧线温度决定着侧线产品的组成。一般在塔中段循环回流量一定和塔顶温度恒定
条件下, 它就能维持在一定范围内变化。而侧线温度的进一步调节是经过侧线的采出量来达到的, 这将改变塔的内回流量。若侧线馏出量增大, 则相应的内回流量就减小, 该侧线温度就要升高, 侧线油品就变重。若侧线馏出量减小, 则作用相反。
塔顶压力
负荷变化时, 塔顶压力会波动, 当采用空气冷却时, 气温的变化将影响冷凝程度, 从而影响塔顶压力。但一般常压塔不设置压力调节。
过热蒸汽量
过热蒸汽是从塔底加入的, 主要是为了把轻馏分从塔底油中吹上去, 同时也向塔底补充一部分热量, 有助于轻馏分汽化。过热蒸汽压力不太高, 但波动要小, 以保持入塔蒸汽量基本稳定。
塔底液位
塔底液位高度决定了塔底油在塔底部的停留时间。停留时间长可使塔底油与过热蒸汽有充分混合的机会, 把其中的轻馏分吹上去。因此, 塔底油液位要有一定的高度。但液位过高, 就会使重质馏分也被过热蒸汽夹带上去, 因而影响了塔的侧线产品, 这对靠近塔底的侧线产品质量影响最为严重。
除上述主要工艺参数对常压塔的操作有明显的影响外, 塔的进料流量、 进料温度和进料组分也是比较重要的干扰因素。
1.3 常压塔一般的控制方案
进料量的定值调节系统
该系统一般设置在入加热炉前。
进料温度的控制
进料温度就是加热炉的出口温度。一般炉出口温度与炉膛温度串级或炉出口温度与燃料油压力( 或流量) 串级控制系统。
过热蒸汽压力控制
目的是使塔底和汽提塔各线吹入过热蒸汽的压力和流量保持稳定。
各循环回流量的定值控制
这是保持塔的热负荷的能量平衡控制。
各汽提塔馏出量的定值控制
在不完全抽出的情况下, 各侧线馏出量的定值调节, 将有助于塔的稳定操作。
塔顶温度和侧一线温度的控制
塔顶温度的恒定是采用调节塔顶回流来实现的。当前在很多炼厂中以常压一线的产品作为主要产品。这时, 对一线温度要求比较严格, 若用一线温度与一线流量串级控制, 效果较差。这是因为: 一线流量的改变主要是影响一线以下塔段的内回流量, 而对一线温度影响较缓慢, 因此, 一线温度波动较大。为此, 可改用一线温度与顶部温度的串级控制。这样, 一线温度是用改变一线上面的回流量来恒定的, 调节比较灵敏, 调节质量较高。
塔底液位控制
塔底产品常见作减压炉的进料, 这里应采用塔底液位与塔底采出量的串级均匀控制。
汽提塔的液位控制
汽提塔的液位波动直接影响轻组分的吹出情况, 影响到产品的初馏点, 因此需要对汽提塔液位加以控制。液位调节阀能够安装在侧线的馏出口管线上。这样组成的液位控制与常压塔底部采出量的控制同时使用将有助于侧线温度的恒定。若在干扰作用下侧线馏出量增加, 使侧线温度上升, 汽提塔中液位也随之上升, 此时液位调节器将驱动调节阀关小, 使馏出量减少, 则侧线温度下降。又如产品中轻馏分增加, 侧线温度便下降, 而汽提塔中虽然入塔的量不变, 但因为轻馏分的增加而使汽提出来的量增加, 从而使液位亦有下降。液位调节器将开大侧线上的阀门, 以加大馏出量, 这将使侧线温度上升, 因此保持了各侧线温度的相对稳定。

第2章 标准节流装置设计及计算程序设计
2.1 GB/T2624-93概述
GB/T2624-93全称为《流量测量节流装置 用孔板、 喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量》。1993年2月3日由国家技术监督局批准GB/T2624-93代替GB2624-81, 1993年8月1日实施。该标准第一次等效采用ISO5167( 1991) 与国际接轨, 标志着中国现行的标准节流装置, 在推广采用国际标准上的研究成果、 提高测量精度方面, 以取得了突破性的进展。
GB/T2624-93主要特点有:
① 以流出系数C代替流量系数α; C值的计算中的β降阶计算由原流量系数α0计算中的最高阶β20降至流出系数C计算中的最高阶β8次幂。
② 提出5种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。
③提出迭代计算方法, 给出计算机计算程序框图。
④ 差压上限不再计算, 而要由用户自行选定, 要求设计者有更多的经验。
⑤ 管道粗糙度不再参加计算, 而是在计算结果出来后验证。
在GB/T2624-93中规定的标准节流装置有以下几种:
标准孔板: 角接取压; 法兰取压; 径距取压( D-D/2) 。
标准喷嘴: ISA1932喷嘴; 长颈喷嘴。
文丘里管: 文丘里喷嘴; 经典文丘里管。

2.2 程序框图
Xn=X(n-1)-δ(n-1)[X(n-1)-X(n-2)]/[δ(n-1)-δ(n-2)]
D20, ΔP, qm
P,t,ρ,μ,κ,λd,λD
D=D20[1+λD(t-20)]
ReD=令: A2=
C=0.6060 ε=1

设: Xn=A2/(εC) (当n=1,2 时)
= C用公18
ε用公式19 δn=A2-εXnC

≤5×10-10

=

图2-1 标准节流装置程序框图

2.3计算实例

表2-1 标准节流装置设计计算任务书
序号
项 目
符 号
单 位
数 值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
已知条件:
被测介质名称
被测介质温度
被测介质压力
管内径( 20℃下实测)
节流件形式
取压方式
管道材料热膨胀系数
节流件材料热膨胀系数
最大质量流量( 或体积流量)
最大差压值
工作状态下密度
工作状态下粘度
工作状态下等熵指数
工作状态下压缩系数

t
P
D20

λD
λd
qm
ΔP
ρ1
μ1
κ1
Z1

℃
Pa
m

mm/mm.℃
mm/mm.℃
kg/s
Pa
Kg/m3
Pa.s

蒸气
500
1000000( 绝)
0.102
孔板
角接
0.000011
0.000016
1
50000( 可自选)
2.825
0.0000285
1.276

16

管道材料: 20#钢, 新轧制无缝钢管
管道系统

1． 辅助计算
① 求工况下管道直径:
D=D20[1+λD( t-20) ]
=0.102*[1+0.000011*(500-20)]
=0.1253856 m
② 求雷诺数
ReD=
=
=435690.4539
③ 求A2
A2=
=
=0.
2． 计算初值
① 求β1
设: C0=C∞=0.6060, ε0=1
并令 X1==0.
又 β1=[]0.25
= []0.25
=0.
② 求ε1
ε1=1—( 0.41+0.35β14)
=1—[0.41+0.35*( 0.) 4)
=0.
③ 求C1
C1 =0.5959+0.0312β12.1—0.1840β18+0.0029β12.5( 106/ReD) 0.75
故 C1=0.5959+0.0312*( 0.) 2.1—0.1840*( 0.) 8+0.0029*( 0.) 2.5( 106/435690.4539) 0.75
=0.
因此 δ1=A2—X1C1ε1
=0.—0.
=0.

④ 精确度判断
因此
=1.94*10-2
3． 进行迭代计算, 设定第二个假定值X2
X2=
=
=0.
β2=[]0.25
= []0.25
=0.
ε2=1—( 0.41+0.35β24)
=0.
C2 =0.5959+0.0312β22.1—0.1840β28+0.0029β22.5( 106/ReD) 0.75
=0.
因此 δ2=A2—X2C2ε2
=0.—0.22783221
=0.
因此
4．进行迭代计算, 设定第三个假定值X3, 利用快速收敛弦截法公式( n=3起用)
X3=X2—
=0.
β3=[]0.25
=0.
ε3=1—( 0.41+0.35β34)
=0.
C3 =0.5959+0.0312β32.1—0.1840β38+0.0029β32.5( 106/ReD) 0.75
=0.
因此 δ3=A2—X3C3ε3
=0.
因此
5.流量测量总误差的计算
根据标准误差的相对值公式:

=β2=( 0.6050) 2=0.366025
=( 2=(
=
=
=0.25*
=0.25*1.52=0.5625

第3章 调节阀选型及计算
3.1调节阀的选型和口径计算
调节阀的选型
调节阀又称控制阀, 是执行器的主要类型, 经过接受调节控制单元输出的控制信号, 借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力, 调节阀能够分为气动、 电动、 液动三种, 即以压缩空气为动力源的气动调节阀, 以电为动力源的电动调节阀, 以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀, 另外, 按其功能和特性分, 还有电磁阀、 电子式、 智能式、 现场总线型调节阀等。调节阀的产品类型很多, 结构也多种多样, 而且还在不断更新和变化。一般来说阀是通用的, 既能够与气动执行机构匹配, 也能够与电动执行机构或其它执行机构匹配。
⑴从使用功能上选阀需注意的问题
　　 ① 调节功能
　 ② 泄漏量与切断压差
　 ③防堵
　 ④ 耐蚀
　 ⑤ 耐压与耐温
　　 ⑥重量与外观
⑵综合经济效果确定阀型
　　 ①高可靠性。
　　 ② 使用寿命长。
　　 ③ 维护方便, 备品备件有来源。
　　 ④ 产品价格适宜, 性能价格较好。
⑶调节阀型式的优选次序
　　 根据上述观点, 特提供调节阀的优选次序如下:
　　 ①全功能超轻型调节阀→②蝶阀→③套筒阀→④单座阀→⑤双座阀→⑥偏心旋转阀→ ⑦球阀→⑧角形阀→⑨三通阀→⑩隔膜阀。
　　在这些调节阀中, 我们认为应该尽量不选用隔膜阀, 其理由是隔膜是一个极不可靠的零件, 使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。
调节阀口径计算
从调节阀的Kv计算到阀的口径确定, 一般需经以下步骤:
    ①计算流量的确定。现有的生产能力、 设备负荷及介质的状况, 决定计算流量的Qmax和Qmin.
    ②阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S(阻力系数), 再确定计算压差。
    ③计算Kv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表, 求得Kvmax和Kvmin.
    ④选用Kv。根据Kvmax,在所选择的产品标准系列中选取>Kvmax且与其最接近的一级C.
    ⑤调节阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度≯90%, 最小计算流量时的开度≮10%。
   ⑥调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比≮10。
   ⑦阀座直径和公称直径的确定。验证合适后, 根据C确定。

3.2 调节阀口径计算方框图及相关参数表
计算数据的确定
QL(WL)、 p1、 p2、 s、 Qmax、 ρL、 γ、 pc、 pv、 FL、 D1、 D2、 阀型

阻塞流判别

低雷诺数修正判别Re计算式
低雷诺数修正( FR)
按非阻塞流条件计算C
按阻塞流条件计算C
求Cmax
①sQmin-Qmax
②m
③Cmax
初选C100值和口径查产品目录而定
管件形状修正判别
调节阀口径选定
验算
① 开度验算
② 可调比验算式
管件形状修正计算
最后确定口径和C100值

图3-1 调节阀口径计算程序框图
第4章 课程设计心得
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异, 自控工程已经成为当今自动化应用中空前活跃的领域, 在生活中能够说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握自控工程是十分重要的。
回顾起此次单片机课程设计, 至今我仍感慨颇多, 的确, 从理论到实践, 在整整两星期的日子里, 能够说得是苦多于甜, 可是能够学到很多很多的的东西, 同时不但能够巩固了以前所学过的知识, 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的, 只有理论知识是远远不够的, 只有把所学的理论知识与实践相结合起来, 从理论中得出结论, 才能真正为社会服务, 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题, 能够说得是困难重重, 这毕竟第一次做的, 难免会遇到过各种各样的问题, 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处, 对以前所学过的知识理解得不够深刻, 掌握得不够牢固, 经过这次课程设计之后, 一定把以前所学过的知识重新温故。
以后我会更加注重动手能力, 把自己所学的知识更多的应用在实践当中!

参 考 文 献
[1]HG/T20636～20639-1998, 化工装置自控工程设计规定(上下卷)[S] .
[2]GB/T2624-1993, 流量测量节流装置 [S] .
[3]奚文群, 翁维勤.调节阀口径计算指南[M].兰州: 化工部自控设计技术中心站, 1991.
[4]董德发, 张天春.自控工程设计基础[M].大庆: 大庆石油学院, 1999.
[5]王骥程, 祝和云.化工过程控制工程[M] .北京: 化学工业出版社, .

附录
调节阀口径计算任务书

序号
项 目
符 号
单 位
数 值

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
已知条件:
调节阀类型
理想流量特性
被测介质名称
被测介质温度
最大质量流量
最大致积流量
正常质量流量
正常体积流量
最小质量流量
最小体积流量
阀前压力
阀后压力
最大压差
最小压差
上游管内径
上游管内径
饱和蒸气压
工作状态下密度
工作状态下运动粘度
工作状态下等熵指数
工作状态下压缩系数
临界压力

t
Wmax
Qmax
Wn
Qn
Wmin
Qmin
P1
P2
ΔPmax
ΔPmin
D1
D2
Pv
ρ1
ν1
κ1
Z1
Pc

℃
kg/h
m3/h
kg/h
m3/h
kg/h
m3/h
kPa
kPa
kPa
kPa
mm
mm
kPa
g/cm3
cts

kPa

直通双座
直线
水
18

100

30
800

500
60
125
125
2
1
0.8

22100

计算过程:
(1)FL=0.85
(2)FL*FL=0.85*0.85=0.7225 FF=0.96-0.28*sqrt(PV/PC)=0.96-0.00267=0.9573
(3)500<FL2*(P1-FF*PV)=0.7225*798.0854=576.6167
应为非阻塞流
(4)计算C值
C=10Q*sqrt(1/500)= 44.7214
(5)计算Re
由于本阀门为双座阀, 因此公式选为Re=49490*Q/v/sqrt(C)
Re=49490*100/0.8/6.4532= 925059>3500
因此 为湍流,勿需低雷诺修正
(6)SQ=Qmax=100 工程上一般 Qmax*0.7=Qn=70
n=Qmax/Qn=0.7
m=n*sqrt(Sn/SQ)= 0.0495
(7)C100=80 D=125 由于d<D 因此根据附加管件后流体经调解阀是否为阻塞流, 判断是否进行管件形状修正
(8)判断附加管件后是否为阻塞流
s1=0.5*[1-(d/D1)2]2=0.17428608 s2=0.34857216
s=s1+s2=0.52285216 Sb1=1-(d/D1)4=0.8323
FP=1/sqrt(1+s/0.0016*(C100/d2)2)= 0.8136
FLP=FL/sqrt(1+FL2*(s1-Sb1)/0.0016*(C100/d2)2)=0.85/ 0.9536=0.8914
FLP/FP=0.8914/0.8136=1.096 P1-FF*PV=800-0.9573*2=798.0854
500< (FLP/FL)*(P1-FF*PV)= 874.7015 为非阻塞流
因为经判断得, 附加管件为非阻塞流, 不必进行管件修正。
因此, 调解阀口径应选为Cmax=C40 对应口径为50mm
(9)验算
k=1.03*sqrt[Sn/(Sn+(C*C*500/30/30/1-1))] -0.03=0.295=29.5%>10%
等百分比: k=lg sqrt(Sn/(Sn+(C*C*500/30/30-1)))/1.48=0.0945
R’=10sqrt(Sn)=7.0711 R’>Qmax/Qmin=100/30=3.3333 满足条件。
(10)选阀的口径为50mm
Matlab程序如下:
clear all;
close all;
red=435690.4539;error1=1;k=1.4;p1=16000;p2=3500000;e1=1;
a1=0.;c1=0.6060;
for k=1:1:5000
if error1>=0.0000005
x1=a1/(c1*e1);
b1=(x1^2/(1+x1^2))^0.25;
e1=1-(0.41+0.35*(1^4))*p1/(k*p2);
c1=0.5959+0.0312*(b1^2.1)-0.184*(b1^8)+0.0029*(b1^2.5)*((1000000/red)^0.75);
error1=a1-x1*c1*e1;
end
end
d=80*b1;
运行结果
d =
50