第11章 典型化工單元的控制方案

1、昆明理工大學(xué)昆明理工大學(xué) 楊彪楊彪 20102011學(xué)年下學(xué)年下 第三章第三章 檢測儀表及傳感器檢測儀表及傳感器 昆明理工大學(xué) 知識結(jié)構(gòu)知識結(jié)構(gòu)第第5章章 自動(dòng)控制儀表自動(dòng)控制儀表 第第6章章 執(zhí)行器執(zhí)行器第第2章章 過程特性過程特性 第第3章章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器 第第4章章 顯示儀表顯示儀表 第第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念 第第7章章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第第8章章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第第9章章 新型控制系統(tǒng)新型控制系統(tǒng)第第10章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 昆明理工大學(xué) 化工儀表及自動(dòng)化化工儀表及自動(dòng)化 Measurement &Proc

2、ess control Technology 昆明理工大學(xué) 第十第十一一章章 典型化工單元的控制方案典型化工單元的控制方案 昆明理工大學(xué) 生產(chǎn)過程的設(shè)備種類繁多，如流體輸送 設(shè)備、傳熱設(shè)備、鍋爐設(shè)備、精餾塔、化學(xué) 反應(yīng)器等。 不同的設(shè)備及過程有不同的特性和控制 要求，同類設(shè)備的控制也會(huì)有很不相同的控 制方案。 本章簡單介紹精餾塔的控制與化學(xué)反應(yīng) 器的控制。 昆明理工大學(xué) 一、精餾塔的控制一、精餾塔的控制 精餾過程是現(xiàn)代化生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛 的傳質(zhì)過程，其目的是利用混合液中各組分 揮發(fā)度的不同，將各組分進(jìn)行分離并達(dá)到規(guī) 定的純度要求。 精餾過程十分復(fù)雜，被控變量多，可選 的操縱變量也多，它們之間

3、可以有各種不同 的組合。精餾對象通道多、反應(yīng)緩慢、內(nèi)在 機(jī)理復(fù)雜、變量之間相關(guān)。 昆明理工大學(xué) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 精餾塔操作工藝分析 精餾塔操作工藝要求 精餾塔質(zhì)量指標(biāo)選取 精餾塔常規(guī)控制方案 精餾塔的前饋反饋控制方案 昆明理工大學(xué) 1 1、精餾塔操作工藝分析、精餾塔操作工藝分析 圖111 精餾塔的物料流程 昆明理工大學(xué) 精餾操作設(shè)備主要包括再沸器、冷凝器 和精餾塔，再沸器為混合物液相中的輕組分 轉(zhuǎn)移提供能量，冷凝器將塔頂來的上升蒸汽 冷凝為液相并提供精餾所需的回流。精餾塔 實(shí)現(xiàn)混合物組分分離的主要設(shè)備。 昆明理工大學(xué) 2 2、精餾塔操作工藝要求、精餾塔操作工藝要求 精餾塔的控制目標(biāo)一般從質(zhì)量

4、指標(biāo)、產(chǎn) 品質(zhì)量和能量消耗三個(gè)方面考慮。同時(shí)要把 各種約束條件考慮進(jìn)去。 昆明理工大學(xué) （1 1）質(zhì)量指標(biāo)）質(zhì)量指標(biāo) 一般應(yīng)使塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定 的純度，另外一個(gè)產(chǎn)品的純度應(yīng)該維持在規(guī) 定的范圍內(nèi)；或者塔頂、塔底的產(chǎn)品均達(dá)到 一定的純度要求。 昆明理工大學(xué) （2 2）產(chǎn)量指標(biāo)）產(chǎn)量指標(biāo) 在產(chǎn)品達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)的前提下， 得到盡可能高的收率。收率通常定義為產(chǎn)品 產(chǎn)量與進(jìn)料中該產(chǎn)品組分的量之比。 生產(chǎn)效率除了與產(chǎn)品的純度及收率有關(guān) 外，還要考慮能量消耗等因素。 昆明理工大學(xué) （3 3）能量要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）能量要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 精餾塔消耗的能量主要是再沸器的加熱 量和冷凝器的冷卻量消耗。 在

5、一定的純度要求下，增加塔內(nèi)的上升 蒸汽是有利于提高產(chǎn)品收率的，但同時(shí)增加 了再沸器的能量消耗。因此精餾塔的操作必 須從整個(gè)經(jīng)濟(jì)效率來衡量。 昆明理工大學(xué) （4 4）約束條件）約束條件 為了保證正常操作，需規(guī)定某些參數(shù)的 極限值，并作為約束條件。如： u塔內(nèi)氣體流速，防止漏液和泛液 u塔的操作壓力 u再沸器兩側(cè)間的溫差不能超過臨界值，否 則會(huì)導(dǎo)致給熱系數(shù)下降，傳熱量降低。 昆明理工大學(xué) 2 2、精餾塔控制問題分析、精餾塔控制問題分析 昆明理工大學(xué) 3 3、精餾塔質(zhì)量指標(biāo)（被控變量選擇）、精餾塔質(zhì)量指標(biāo)（被控變量選擇） 對于一個(gè)二元組分精餾塔來說，在一定 壓力下，沸點(diǎn)與產(chǎn)品成分之間有單獨(dú)的函數(shù) 關(guān)

6、系。因此，如果壓力恒定，塔板溫度就反 映了成分。對多元精餾來說，比較復(fù)雜，但 石油化工中許多產(chǎn)品由一系列碳?xì)浠衔锏?同系物組成，在一定壓力下，保持一定的溫 度，成分的誤差可以忽略。 以溫度作為質(zhì)量 指標(biāo)時(shí)，必須保持壓力恒定。 昆明理工大學(xué) （1 1）采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)）采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo) u塔頂（或塔底）溫度控制 產(chǎn)品在塔頂采用塔頂溫度控制，反之亦然。 u靈敏板溫度控制 靈敏板是指當(dāng)塔的操作經(jīng)受擾動(dòng)作用時(shí)，塔內(nèi) 各板的溫度都發(fā)生變化，一直到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度 變化最大的那塊板稱為靈敏板。 u中溫控制 取加料板稍上、稍下的塔板或加料板的溫度作 為被控變量。 昆明理工大學(xué) 用溫度作為質(zhì)

7、量指標(biāo)的前提是塔內(nèi)壓力 恒定，雖然精餾塔一般有塔壓控制系統(tǒng)，但 對于精密精餾等控制要求較高的場合，微小 壓力波動(dòng)將影響溫度與組分之間的關(guān)系。如 苯甲苯二甲苯分離時(shí)，大氣壓力變化 6.67KPa，苯的沸點(diǎn)變化2，超過了質(zhì)量指 標(biāo)的規(guī)定，而這種情況是完全可能的。因此 必須對壓力的波動(dòng)加以補(bǔ)償。 昆明理工大學(xué) （2 2）采用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟茸鳛殚g接質(zhì)量指標(biāo)）采用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟茸鳛殚g接質(zhì)量指標(biāo) u溫差控制 要求壓力對這兩點(diǎn)溫度的影響接近。一 個(gè)檢測點(diǎn)在塔頂，這里成分和溫度變化比較 ??；另一個(gè)放在靈敏板附近，成分和溫度變 化比較大和靈敏。 與靈敏板溫度相比，可減弱壓力波動(dòng)對 產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 關(guān)鍵：選點(diǎn)正

8、確，溫差設(shè)置合理。 昆明理工大學(xué) u雙溫差控制 采用溫差控制時(shí)，若進(jìn)料流量變化，將引起塔 內(nèi)成分變化和塔內(nèi)壓降發(fā)生變化，這兩種情況都會(huì) 引起溫差變化，前者使溫差減小，后者使溫差增大。 即此時(shí)溫差與成分不再是單值函數(shù)關(guān)系。 采用溫差差值控制后，由于進(jìn)料流量波動(dòng)引起 塔壓變化對溫差的影響，在塔的上、下段溫差同時(shí) 出現(xiàn)，用塔的上、下段溫差的差值作為被控變量就 消除了壓降變化的影響。 昆明理工大學(xué) 4 4、精餾塔控制方案、精餾塔控制方案 確定精餾塔的控制方案時(shí)，要考慮： u 按物料和能量平衡進(jìn)行控制 u 設(shè)置質(zhì)量控制系統(tǒng) u 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng) u 考慮控制系統(tǒng)間的相關(guān)影響 u 考慮整個(gè)工藝生產(chǎn)過程的平穩(wěn)

9、操作 主要討論頂部和底部產(chǎn)品都為液相且沒 有側(cè)線采出的情況。 昆明理工大學(xué) （1 1）按精餾段指標(biāo)的控制方案）按精餾段指標(biāo)的控制方案 對餾出液的純度要求較之對釜液為高時(shí)（如 主要產(chǎn)品為餾出液）按精餾段指標(biāo)進(jìn)行控制，取精 餾段某點(diǎn)成分或溫度為被控變量，而以LR、D或VS 為操縱變量。 這種方案可以保證XD，當(dāng)擾動(dòng)不大時(shí)，XB變 化也不大。 采用這種方案時(shí)，在LR、D、VS及B中選擇一 個(gè)作為控制成分的手段，選另外一種保持流量恒定， 其余兩者則按照回流罐和再沸器的物料平衡，由液 位控制器進(jìn)行控制。 昆明理工大學(xué) 圖112 精餾段指標(biāo)的控制方案一 根據(jù)精餾 段塔板溫 度控制LR， 并保持VS 恒定

10、昆明理工大學(xué) 圖113 精餾段指標(biāo)的控制方案二 根據(jù)精餾 段塔板溫 度控制D， 并保持VS 恒定。 在回流比 LR/D很大 時(shí)適用。 可實(shí)現(xiàn)全 回流。 昆明理工大學(xué) （2 2）提餾段指標(biāo)的控制方案）提餾段指標(biāo)的控制方案 當(dāng)對釜液的成分要求較之對餾出液為高 時(shí)，要采用此方案；當(dāng)對兩者的質(zhì)量要求相 近時(shí)，如果是液相進(jìn)料，也采用此方案，原 因：在液相進(jìn)料時(shí)，F(xiàn)的波動(dòng)首先影響到XB， 用提餾段控制及時(shí)。 昆明理工大學(xué) 圖114 提餾段指標(biāo)的控制方案一（a） 根據(jù)精餾 段塔板溫 度控制D， 并保持VS 恒定。 昆明理工大學(xué) 圖115 提餾段指標(biāo)的控制方案一（b） 昆明理工大學(xué) 圖116 提餾段指標(biāo)的控制

11、方案二 B的采出量小 時(shí)較好，B不 合格時(shí)，可 以切斷。對F 的波動(dòng)控制 比較及時(shí)。 昆明理工大學(xué) 圖117 精餾塔的前饋反饋控制 當(dāng)進(jìn)料流量增加時(shí)，成比 例地增加再沸器的加熱蒸 汽量和塔頂餾出液，就可 以基本保持塔頂和塔底的 產(chǎn)品成分不變。前饋克服 進(jìn)料流量擾動(dòng)的大部分， 小部分?jǐn)_動(dòng)由反饋克服。 昆明理工大學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)器控制二、化學(xué)反應(yīng)器控制 化學(xué)反應(yīng)過程伴有化學(xué)物理現(xiàn)象，涉及 能量、物料平衡，以及物料動(dòng)量、熱量和物 質(zhì)傳遞過程，因此化學(xué)反應(yīng)器的操作一般比 較復(fù)雜。 化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì) 量、產(chǎn)量和安全生產(chǎn)。 昆明理工大學(xué) 1 1、反應(yīng)器控制要求、反應(yīng)器控制要求 化學(xué)反應(yīng)器

12、自動(dòng)控制的基本要求是使化 學(xué)反應(yīng)在符合預(yù)定要求的條件下自動(dòng)進(jìn)行。 設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)器的自控方案，一般從質(zhì) 量指標(biāo)、物料平衡和約束條件等方面加以考 慮。 昆明理工大學(xué) （1 1）質(zhì)量指標(biāo)）質(zhì)量指標(biāo) 化學(xué)反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)一般指反應(yīng)的轉(zhuǎn) 化率或反應(yīng)生產(chǎn)物的規(guī)定濃度。因此，應(yīng)該 選取轉(zhuǎn)化率或與之相關(guān)的可測變量作為被控 變量。 由于化學(xué)反應(yīng)不是吸熱就是放熱，反應(yīng) 過程總伴隨熱效應(yīng)，所以溫度是最能夠表征 質(zhì)量的間接控制指標(biāo)。 昆明理工大學(xué) （2 2）物料平衡）物料平衡 為了使反應(yīng)正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持 進(jìn)入反應(yīng)器的各種物料料恒定，配比符合要 求。因此，在進(jìn)入反應(yīng)器前，往往采用流量 定值或比值控制。對于有物料

13、循環(huán)的反應(yīng)系 統(tǒng)，還應(yīng)該設(shè)置輔助控制系統(tǒng)。 昆明理工大學(xué) （3 3）約束條件）約束條件 對于反應(yīng)器，要防止工藝變量進(jìn)入危險(xiǎn) 或不正常工況。如在一些催化接觸反應(yīng)中， 溫度過高或進(jìn)料中某些雜質(zhì)含量過高，將會(huì) 損壞催化劑；在流化床反應(yīng)器中，流速過高， 會(huì)將固相吹走；而流速過低，又會(huì)讓固相沉 淀。因此，應(yīng)該配備報(bào)警、連鎖裝置或選擇 性控制等。 昆明理工大學(xué) 2 2、釜式反應(yīng)器的控制、釜式反應(yīng)器的控制 釜式反應(yīng)器在化學(xué)工業(yè)中廣泛應(yīng)用，除 了用作聚合反應(yīng)外，在有機(jī)燃料、農(nóng)藥等行 業(yè)還經(jīng)常采用釜式反應(yīng)器進(jìn)行碳化、硝化、 鹵化等反應(yīng)。 釜式反應(yīng)器的反應(yīng)溫度控制是實(shí)現(xiàn)釜式 反應(yīng)器最佳操作的關(guān)鍵，常用的方案有：

14、昆明理工大學(xué) 圖118 控制進(jìn)料溫度方案 通過改變熱劑（或冷劑）量來調(diào)節(jié)進(jìn)入反 應(yīng)釜的物料溫度從而維持反應(yīng)溫度 昆明理工大學(xué) 圖119 改變傳熱量控制方案 對于有傳熱面的反應(yīng)釜，可以引入或移出反應(yīng) 熱來改變傳熱量實(shí)現(xiàn)溫度控制。結(jié)構(gòu)簡單，但 控制滯后大。 昆明理工大學(xué) 圖1110 反應(yīng)釜串級控制方案一 為了有效處理控制滯后，采用串級控制方案， 根據(jù)進(jìn)入反應(yīng)釜的主要擾動(dòng)不同，可以采用釜 溫與熱劑（或冷劑）流量的串級控制。 昆明理工大學(xué) 圖1111 反應(yīng)釜串級控制方案二 釜溫與夾套溫度串級控制。 昆明理工大學(xué) 圖1112 反應(yīng)釜串級控制方案三 釜溫與釜壓串級控制。 昆明理工大學(xué) 3 3、固定床反應(yīng)器

15、的控制、固定床反應(yīng)器的控制 固定床反應(yīng)器是指催化劑床層固定于設(shè) 備中不動(dòng)的反應(yīng)器，流體原料在催化劑作用 下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以生成所需反應(yīng)物。 固定床反應(yīng)器溫度控制十分重要。任何 一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器都有自己的最合適溫度，該 溫度綜合考慮了化學(xué)反應(yīng)速度、化學(xué)平衡和 催化劑活性等因素，該溫度還是轉(zhuǎn)化率的函 數(shù)。 昆明理工大學(xué) 溫度控制首先要選擇敏感點(diǎn)位置，把感 溫元件安裝在敏感點(diǎn)處，以便及時(shí)反映整個(gè) 催化劑床層溫度的變化。多段的催化劑床層 往往要分段進(jìn)行溫度控制。常用的溫度控制 方案有： u 改變進(jìn)料濃度 u 改變進(jìn)料溫度 u 改變段間進(jìn)入的冷氣量 昆明理工大學(xué) 圖1113 改變進(jìn)料濃度控制方案 硝酸生產(chǎn)過

16、程， 改變氨和空氣的 比值就相當(dāng)于改 變進(jìn)料的氨濃度 昆明理工大學(xué) 圖1114 改變旁路流量控制方案一 原料進(jìn)入反應(yīng)器前需要預(yù)熱，可通過改變進(jìn)入換 熱器的載熱體流量，以控制反應(yīng)床上的溫度。 昆明理工大學(xué) 圖1115 改變旁路流量控制方案二 昆明理工大學(xué) 圖1116 改變段間進(jìn)入的冷氣量控制方案一 硫酸生產(chǎn)中用SO2氧化成SO3，冷的一部分 原料氣少經(jīng)過一段床層，但原料氣總的轉(zhuǎn)化 率有所降低。 昆明理工大學(xué) 圖1117 改變段間進(jìn)入的冷氣量控制方案二 合成氨生產(chǎn)中，當(dāng)用水蒸氣與CO變換成氫氣時(shí)， 為了使反應(yīng)完全，進(jìn)入變換爐的水蒸氣往往是過 量的，此時(shí)段間冷氣采用水蒸氣不會(huì)降低CO的 轉(zhuǎn)化率。 昆明理工大學(xué) 4 4、流化床反應(yīng)器的控制、流化床反應(yīng)器的控制 流化床反應(yīng)器的原理如圖1118所示。 反應(yīng)器的底部有多孔篩板，催化劑呈粉末狀， 放在篩板上，當(dāng)從底部進(jìn)入的原料氣流速達(dá) 到一定值時(shí)，催化劑開始上升呈現(xiàn)沸騰狀， 這種現(xiàn)象稱為固體流化態(tài)。催化劑沸騰后， 由于攪動(dòng)劇烈，因而傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)強(qiáng)度 都高，并且有利于連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)。流 化床反應(yīng)器溫度控制十分重要。 昆明理工大學(xué) 圖1118 流化床反應(yīng)器原理示意圖 昆明理工大學(xué) 4 4、流化床反應(yīng)器的控制、流化床反應(yīng)器的控制 流化床反應(yīng)器的原理如圖1118所示。 反應(yīng)器的底部有多孔篩板，催化劑呈粉末狀， 放在篩板上，當(dāng)從底部進(jìn)