典型化工單元的控制方案

1、化工儀表及自動化,檢測儀表及傳感器,12:03:41,昆明理工大學(xué),知識結(jié)構(gòu),第5章 自動控制儀表,第6章 執(zhí)行器,第2章 過程特性,第3章 檢測儀表與傳感器,第4章 顯示儀表,第1章自動控制系統(tǒng)基本概念,第7章 簡單控制系統(tǒng),第8章 復(fù)雜控制系統(tǒng),第9章 新型控制系統(tǒng),第10章 計算機(jī)控制系統(tǒng),12:03:41,昆明理工大學(xué),化工儀表及自動化 Measurement &Process control Technology,12:03:41,昆明理工大學(xué),第十一章 典型化工單元的控制方案,12:03:41,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

2、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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),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)。,12:03:41,昆明理工大學(xué),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,1

3、2:03:41,昆明理工大學(xué),1、精餾塔操作工藝分析,圖111 精餾塔的物料流程,12:03:41,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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),2、精餾塔操作工藝要求,精餾塔的控制目標(biāo)一般從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量和能量消耗三個方面考慮。同時要把各種約束條件考慮進(jìn)去。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（1）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

4、達(dá)到一定的純度要求。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（2）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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（3）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，但同時增加了再沸器的能量消耗。因此精餾塔的操作必須從整個經(jīng)濟(jì)效率來衡量。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（4）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。

5、如： 塔內(nèi)氣體流速，防止漏液和泛液 塔的操作壓力 再沸器兩側(cè)間的溫差不能超過臨界值，否則會導(dǎo)致給熱系數(shù)下降，傳熱量降低。,12:03:41,昆明理工大學(xué),2、精餾塔控制問題分析,12:03:41,昆明理工大學(xué),3、精餾塔質(zhì)量指標(biāo)（被控變量選擇）,對于一個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)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衔锏耐滴锝M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，必須保持壓力恒定。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（1）采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)

6、,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。 靈敏板溫度控制 靈敏板是指當(dāng)塔的操作經(jīng)受擾動作用時，塔內(nèi)各板的溫度都發(fā)生變化，一直到新的穩(wěn)態(tài)時，溫度變化最大的那塊板稱為靈敏板。 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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),用溫度作為質(zhì)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，微小壓力波動將影響溫度與組分之間的關(guān)系。如苯甲苯二甲苯分離時，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加以補(bǔ)償。,12:03:41,

7、昆明理工大學(xué),（2）采用壓力補(bǔ)償?shù)臏囟茸鳛殚g接質(zhì)量指標(biāo),溫差控制 要求壓力對這兩點(diǎn)溫度的影響接近。一個檢測點(diǎn)在塔頂，這里成分和溫度變化比較??；另一個放在靈敏板附近，成分和溫度變化比較大和靈敏。 與靈敏板溫度相比，可減弱壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 關(guān)鍵：選點(diǎn)正確，溫差設(shè)置合理。,12:03:41,昆明理工大學(xué),雙溫差控制 采用溫差控制時，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，這兩種情況都會引起溫差變化，前者使溫差減小，后者使溫差增大。即此時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)料流量波動引起塔壓變化對溫差的影響，在塔的上、下段溫差同時出現(xiàn)，用塔的上、下段溫差的

8、差值作為被控變量就消除了壓降變化的影響。,12:03:41,昆明理工大學(xué),4、精餾塔控制方案,確定精餾塔的控制方案時，要考慮： 按物料和能量平衡進(jìn)行控制 設(shè)置質(zhì)量控制系統(tǒng) 靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng) 考慮控制系統(tǒng)間的相關(guān)影響 考慮整個工藝生產(chǎn)過程的平穩(wěn)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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（1）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（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)擾動不大時，XB變化也不大。 采用這種方案時，在LR、D、VS及B中選

9、擇一個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。,12:03:41,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,12:03:41,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很大時適用?？蓪?shí)現(xiàn)全回流。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（2）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，要采用此方案；當(dāng)對兩者的質(zhì)量要求相近時，如果是液相進(jìn)料，也采用此方案，原因：在液相進(jìn)料時，F(xiàn)的波動首先影響到XB，用提餾段控

10、制及時。,12:03:41,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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),圖115 提餾段指標(biāo)的控制方案一（b）,12:03:41,昆明理工大學(xué),圖116 提餾段指標(biāo)的控制方案二,B的采出量小時較好，B不合格時，可以切斷。對F的波動控制比較及時。,12:03:41,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，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)料流量擾動的大部分，小部分?jǐn)_動由反饋克服。,12:03:41,昆明理工大學(xué),二、化學(xué)反應(yīng)器控

11、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)器的自動控制關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和安全生產(chǎn)。,12:03:41,昆明理工大學(xué),1、反應(yīng)器控制要求,化學(xué)反應(yīng)器自動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進(jìn)行。 設(shè)計化學(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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（1）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)

12、，所以溫度是最能夠表征質(zhì)量的間接控制指標(biāo)。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（2）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。對于有物料循環(huán)的反應(yīng)系統(tǒng)，還應(yīng)該設(shè)置輔助控制系統(tǒng)。,12:03:41,昆明理工大學(xué),（3）約束條件,對于反應(yīng)器，要防止工藝變量進(jìn)入危險或不正常工況。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，將會損壞催化劑；在流化床反應(yīng)器中，流速過高，會將固相吹走；而流速過低，又會讓固相沉淀。因此，應(yīng)該配備報警、連鎖裝置或選擇性控制等。,12:03:41,昆明理工大學(xué),2、釜式反應(yīng)

13、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：,12:03:41,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,12:03:41,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。,12:03:41,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)

14、進(jìn)入反應(yīng)釜的主要擾動不同，可以采用釜溫與熱劑（或冷劑）流量的串級控制。,12:03:41,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。,12:03:41,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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),3、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)。,12:03:41,昆明理工大學(xué),

15、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，以便及時反映整個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： 改變進(jìn)料濃度 改變進(jìn)料溫度 改變段間進(jìn)入的冷氣量,12:03:41,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)過程，改變氨和空氣的比值就相當(dāng)于改變進(jìn)料的氨濃度,12:03:41,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。,12:03:41,昆明理工大學(xué),圖1115 改變旁路流量控制方案二,12:03:41,昆明理工大學(xué),圖1116 改變

16、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。,12:03:41,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，為了使反應(yīng)完全，進(jìn)入變換爐的水蒸氣往往是過量的，此時段間冷氣采用水蒸氣不會降低CO的轉(zhuǎn)化率。,12:03:41,昆明理工大學(xué),4、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，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)化和自動化生產(chǎn)。流化床反應(yīng)器溫度控制十分重要。,12:03:41,昆明理工大學(xué),圖1118 流化床反應(yīng)器原理示意圖,12:03:41,昆明理工大學(xué),4、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，催化劑開始上升呈現(xiàn)沸騰狀，