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CS5000精馏塔实验装置对象

  • 更新时间2024-01-26
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详细介绍

CS5000系列过程控制实验装置是中控教仪公司专门针对过程控制、化学工程等专业的特点而于2005年新近推出的精馏塔多变量控制实验装置。学生通过该实验装置既可以了解精馏塔的操作原理;又能深刻理解控制系统设计的意义与硬软件实现方法,以实现对温度、压力、流量、液位等过程参数的控制,使学生具备一定的工业装置操作、自控系统设计能力,为就业时迅速进入角色打下基础。

一、装置对象组成

CS5000系列精馏控制实验装置由实验对象、控制器和软件系统三部分组成,其中实验对象均采用如图4.1所示的精馏系统。精馏系统的工艺流程如图4.2所示,主要由机械设备、动力设备、检测仪表、执行机构、辅助系统组成,与外部联结仅包括220VAC 供电、4-20 mA标准I/O模拟信号(或1-5V DC 电压信号)或现场总线信号以及其它I/O数字信号。

机械设备

精馏塔主体

原料预热盘管式换热器

塔顶盘管式冷凝器与回流罐 

塔顶产品罐与塔底产品罐

原料罐

动力设备

电加热器

塔顶产品计量泵、塔顶回流计量泵、进料计量泵

进料初始进料泵、塔底残液出料泵

检测仪表

Pt100热电阻温度传感器

塔底液位与回流罐液位传感变送器

进料、塔顶产品与回流计量泵

冷却水涡轮流量计

执行机构

用于调节冷却水量的比例调节阀V1

用于自动启停塔底残液出料泵的开关继电器

用于调节塔底加热功率的单相可控硅调压装置

用于调节进料、塔顶产品与回流量的进口计量泵

辅助系统

电源控制和信号接口面板

精馏塔底防干烧装置

实验快插连接线

电气附件

二、装置实验系列

常规控制实验

精馏塔的控制目标,除保证操作平稳以外,通常还需要控制塔顶与/或塔底产品的纯度或质量。对于上述实验系统,假设介质体系为水-酒精,则塔顶产品的纯度即为塔顶产品的酒精含量。假设实验系统的操作压力为常压,且基本不变,则塔顶产品的酒精含量与精馏段灵敏温度(位置待定)或塔顶温度TT31基本对应。同理,塔底产品的酒精含量与提馏段灵敏温度(位置待定)或塔底温度TT32基本对应。因此,精馏塔的控制目标可转化为精馏段与提馏段灵敏温度的控制问题。

若选用多回路控制方案,可采用以下常规PID控制系统以实现装置的平稳操作与塔顶塔底产品的纯度控制:

(1)进料流量的自动控制。将进料初始加料泵P101切换成进料计量泵P105,以远程方式实现进料量FT11的定值控制。

(2)冷却水量的自动控制。以电动调节阀V1与冷却水涡轮流量计FT12组成流量单回路控制系统,以实现冷却水量FT12的定值控制。

(3)塔顶蒸汽回流温度的串级控制。以冷却水量单回路控制为内回路,通过自动调节冷却水量FT12的设定值,以最终控制回流液的回流温度TT22。

(4)C101塔底液位的区间控制。以开关方式控制磁力泵P103的启停,以使塔底液位在一定范围内变化。另外,当塔底液位过低时,通过减少塔底加热量甚至切断加热器的电源,以确保精馏塔操作的安全性。

(5)回流罐C102液位的均匀控制。通过调节塔顶回流计量泵P104的转速以控制塔顶回流量,进而实现回流罐C102液位LT52的均匀控制。这里,“均匀控制”是指在控制回流罐C102液位的同时,也要求塔顶回流量变化平缓。

(5)塔顶产品出料量与回流量的比值控制。以远程方式自动调节塔顶产品出料计量泵的抽出量,以保持塔顶产品出料量与回流量的比值保持不变。

(6)精馏段灵敏温度的串级控制。以塔顶产品出料量与回流量的比值控制为内回路,当精馏段灵敏温度与设定温度相比偏高时,减少塔顶产品出料计量泵P102的抽出量,由此导致回流罐液位上升,再由回流罐C102液位控制系统改变塔顶回流量,最终使精馏段灵敏温度下降;反之也然。

(7)提馏段灵敏温度的单回路控制。当提馏段灵敏温度与设定温度相比偏高时,通过调压模块减少塔底加热量,以使提馏段灵敏温度下降;而当提馏段灵敏温度偏低时,通过调压模块增大塔底加热量,以达到提高提馏段灵敏温度的目的。

高级控制实验

精馏塔为工业过程中最为典型的多变量控制对象,除完成上述常规PID控制系统以外,该实验系统还可以完成以下综合多变量实验:

精馏塔机理模型的建立与实验验证,

精馏塔对象特性的阶跃响应实验,

精馏塔非线性特性的实验验证与分析,

不同产品目标下的多回路控制实验与关联分析,

精馏塔解耦控制实验,

精馏塔非线性控制系统实验,

精馏塔预测控制系统实验。

三、系统特点

Ø 实验装置的工程化概念:精馏塔是过程工业中应用最为广泛的液相产品分离设备,同时,也是过程控制中最有代表性的多变量复杂工业系统。中控教仪公司设计开发了的精馏塔实验装置是工业精馏塔的缩影。学生通过该实验装置了解控制系统设计的意义与实现方法。 

Ø 控制方案的多样性:对于该实验装置,学生可以选择应用各种控制方案,如单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等常规控制方案与多回路控制、多变量解耦控制与预测控制等复杂控制方案。

Ø 控制装置选择的自主性:精馏塔控制实验装置采用控制对象与控制装置分离设计,用户可根据需要自主选择各种当代过程工业实际中应用广泛的控制装置,例如,集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS、基于工业以太网的控制系统EPA等。

Ø 实验方案的开放性:对于该实验装置,教师与研究生既可以选择预定的控制方案进行控制实验;也可以自主搭建或开发新型的控制方案进行完全开放的实验。结合该实验装置,博士或硕士研究生完全可应用现代控制理论与方法,完成具有实际意义的学位论文工作。

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