工業(yè)儀表及自動化控制 典型化工單元的控制方案 課件

工業(yè)儀表及自動化控制模塊三典型化工單元的控制方案課程目標能力（技能）目標1.能正確精餾塔控制的工藝要求2.能分析精餾塔的干擾因素3.能分析精餾塔的控制方案4.能分析生化反應器的控制要求01知識目標021.掌握精餾塔的提餾段控溫方案2.掌握精餾段控溫方案3.掌握釜式反應器、固定床反應器、流化床反應器的控制方案精餾塔的自動控制化學反應器的自動控制目錄升化過程的控制精餾塔的自動控制01精餾塔的自動控制

概述精餾過程是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同將各組分進行分離，并達到規(guī)定純度要求。精餾塔是精餾過程的關鍵設備，被控變量多，操控變量多，所以控制方案繁多。

精餾塔的自動控制

一、工藝要求1.保證質量指標對于一個正常操作的精餾塔，一般應當使塔頂或塔底產品中的一個產品達到規(guī)定的純度要求，另一個產品的成分亦應保持在規(guī)定的范圍內。為此，應當取塔頂或塔底的產品質量作被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質量控制系統(tǒng)。質量控制系統(tǒng)需要能測出產品成分的分析儀表。2.保證平穩(wěn)操作為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須把進塔之前的主要可控干擾盡可能預先克服，同時盡可能緩和一些不可控的主要干擾。為了維持塔的物料平衡，必須控制塔頂餾出液和釜底采出量，使其之和等于進料量，而且兩個采出量變化要緩慢，以保證塔的平穩(wěn)操作。塔內的持液量應保持在規(guī)定的范圍內。控制塔內壓力穩(wěn)定，對塔的平穩(wěn)操作是十分必要的。重點精餾塔的自動控制

一、工藝要求3.約束條件

為保證正常操作，需規(guī)定某些參數的極限值為約束條件。4.節(jié)能要求和經濟性

在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是要控制的目標。其中質量指標是必要條件，在質量指標一定的前提下，應在控制過程中使產品產量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。精餾塔的自動控制

二、精餾塔的干擾因素1.進料流量F的波動（＊）上工序設置液位均勻控制出料2.進料成分ZF的變化（＊）不可控干擾3.進料溫度TF及進料熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化圖

精餾塔的物料流程圖精餾塔的自動控制

三、精餾塔的控制方案1.精餾塔的提餾段溫控

如果采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。提餾段溫控的主要特點與使用場合（1）采用了提餾段溫度作為間接質量指標，因此它能較直接地反映提餾段產品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產品的質量達到規(guī)定值。（2）當干擾首先進入提餾段時，用提餾段溫控就比較及時，動態(tài)過程也比較快。圖

提餾段溫控的控制方案示意圖難點精餾塔的自動控制

三、精餾塔的控制方案2.精餾塔的精餾段溫控

如果采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控精餾段溫控的主要特點與使用場合（1）采用了精餾段溫度作為間接質量指標，因此它能較直接地反映精餾段的產品情況。當塔頂產品純度要求比塔底嚴格時，一般宜采用精餾段溫控方案。（2）如果干擾首先進入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。圖

精餾段溫控的控制方案示意圖精餾塔的自動控制

在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當分離的產品較純時，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對測溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實際上卻很難滿足。解決這一問題的方法，是將測溫元件安裝在塔頂以下或塔底以上幾塊塔板的靈敏板上，以靈敏板的溫度作為被控變量。精餾塔的自動控制

三、精餾塔的控制方案3.精餾塔的溫差控制及雙溫差控制

采用溫差作為衡量質量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產品質量的影響。溫差與產品純度之間并非單值關系。

雙溫差控制就是分別在精餾段及提餾段上選取溫差信號，然后將兩個溫差信號相減，作為控制器的測量信號（即控制系統(tǒng)的被控變量）。圖

雙溫差控制方案精餾塔的自動控制

三、精餾塔的控制方案4.按產品成分或物性的直接控制方案能利用成分分析器，例如紅外分析器、色譜儀、密度計、干點和閃點以及初餾點分析器等，分析出塔頂（或塔底）的產品成分并作為被控變量，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制手段組成成分控制系統(tǒng)，就可實現(xiàn)按產品成分的直接指標控制?；瘜W反應器的自動控制02化學反應器的自動控制

一、化學反應器的控制要求1.質量指標

化學反應器的質量指標一般指反應的轉化率或反應生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關系為以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標，有時并不能保證質量穩(wěn)定。當有干擾作用時，轉化率和反應生成物組分等仍會受到影響。特別是在有些反應中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應關系，這就需要不斷地根據工況變化去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值。在有催化劑的反應器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變?；瘜W反應器的自動控制

一、化學反應器的控制要求2.物料平衡

為使反應正常，轉化率高，要求維持進入反應器的各種物料量恒定，配比符合要求。3.約束條件

對于反應器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設置取代控制系統(tǒng)。化學反應器的自動控制

二、釜式反應器的溫度自動控制1.控制進料溫度2.改變傳熱量由于大多數反應釜均有傳熱面，引入或移去反應熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。圖

改變進料溫度控制釜溫圖

改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫化學反應器的自動控制

二、釜式反應器的溫度自動控制3.串級控制為了針對反應釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。圖

釜溫與冷劑流量串級控制示意圖圖

釜溫與夾套溫度串級控制示意圖圖

釜溫與釜壓串級控制系統(tǒng)示意圖化學反應器的自動控制

三、固定床反應器的自動控制

固定床反應器是指催化劑床層固定于設備中不動的反應器，流體原料在催化劑作用下進行化學反應以生成所需反應物。常見的溫度控制方案有：改變進料濃度改變進料溫度改變段間進入的冷氣量化學反應器的自動控制

三、固定床反應器的自動控制圖

改變進料濃度控制反應器溫度圖

用載熱體流量控制溫度化學反應器的自動控制

三、固定床反應器的自動控制圖

用旁路控制溫度圖用改變段間冷氣量控制溫度圖

用改變段間蒸汽量控制溫度化學反應器的自動控制

四、流化床反應器的自動控制圖

流化床反應器原理示意圖圖

改變入口溫度控制反應器溫度圖

改變冷劑流量控制溫度圖

流化床差壓指示系統(tǒng)生化過程的控制03生化過程的控制

一、常用生化過程控制1.發(fā)酵罐溫度控制一般發(fā)酵過程均為放熱過程，溫度多數要求控制在30～50℃（±0.5℃）。過程操縱變量為冷卻水量，一般不需加熱（特別寒冷地區(qū)除外）。2.通氣流量、罐壓和攪拌轉速控制圖

發(fā)酵罐溫度控制圖

發(fā)酵罐攪拌轉速、罐壓（或流通氣量）控制生化過程的控制

一、常用生化過程控制3.溶氧濃度控制

在發(fā)酵過程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過程的不同階段都略高于臨界值，這樣既不影響菌體的正常代謝，又不致為維持過高的溶氧水平而大量消耗動力。培養(yǎng)液的溶解氧水平其實質為供氧和需氧矛盾的結果。最常用的溶氧濃度控制方案：

改變攪拌速率；改變通氣速率。圖

改變攪拌轉速的溶氧串級控制系統(tǒng)生化過程的控制

一、常用生化過程控制4.pH值控制

在發(fā)酵過程中為控制pH值而加入的酸堿性物料，往往就是工藝要求所需的補料基質，所以在pH控制系統(tǒng)中還須對所加酸堿物料進行計量，以便進行有關離線參數的計算。圖

連續(xù)流加pH控制圖

脈沖式流加pH控制生化過程的控制

一、常用生化過程控制5.自動消泡控制當電極檢測到泡沫信號后，控制器便周期性地加入消泡劑，直至泡沫消失。

圖

消泡控制生化過程的控制

二、青霉素發(fā)酵過程控制青霉素發(fā)酵過程中直接檢測的變量有：溫度、pH值、溶解氧、通氣流量、轉速、罐壓、溶解CO2、發(fā)酵液體積、排氣CO2、排氣O2等。離線檢測的參數有：菌體量、殘?zhí)橇?、含氮量、前體濃度和產物濃度等。相關性包括兩個方面：理化相關和生物相關。生化過程的控制

三、啤酒發(fā)酵過程控制