過程控制工程方案設計題

1、1 考慮如題圖1所示的系統(tǒng)，希望將質量分數(shù)為50%的NaOH溶液稀釋為30%。NaOH控制閥受其它控制器（未在圖中展示）控制。由于50% NaOH溶液的流量變化頻繁，希望設計一個比值控制方案，通過控制稀釋水的流量以達到稀釋要求。50%NaOH溶液的標稱流量（即設計值）為100 kg/hr。假設選用的兩個流量變送器為質量流量計，其輸出信號與質量流量成線性比例關系。50%NaOH溶液的變送器量程為0到200 kg/hr，水的變送器量程為0到160 kg/hr。請詳細描述其比值控制方案，并計算控制系統(tǒng)所涉及的比值系數(shù)。題圖1 混合過程2 考慮如題圖2所示的制氫反應器。同鍋爐一樣，該反應器需要通過燃料

2、和空氣進行燃燒才能提供反應所需要的能量（為簡單起見，溫度控制系統(tǒng)并未全部在圖中畫出）。甲烷和水蒸氣反應產(chǎn)生氫氣，反應方程為該反應發(fā)生在反應器的內(nèi)部管道中，管道內(nèi)填充著反應所需的催化劑。為避免催化劑結焦，保證反應混合物中水蒸氣富余十分重要。如果碳沉積在催化劑表面，將會使催化劑中毒。通過保證輸入混合物中水蒸氣富余，就可以避免此種現(xiàn)象。然而，過多的水蒸氣又會引起能量消耗過大。工程部門估算，應當保證的最佳甲烷-水比為R1（質量比）。請設計一套控制方案，可使實際比例維持在最佳比例；并且在生產(chǎn)過程中，無論產(chǎn)量增加或減少，都要保證反應混合物中水蒸氣富余（即高于最佳比例）。注意：甲烷需求量由另外專門的信號控制

3、。題圖2 制氫反應器3 氯化反應用于對廢水處理廠的最終排放物進行消毒處理。環(huán)保部門要求廢水中維持一定的氯含量剩余。為了達到這個要求，通常在接觸池的開始位置，測量廢水中的游離氯離子的殘余量，如題圖3所示。通常在過濾器的流出物中，加入次氯酸鈉水溶液來控制接觸池中游離氯離子的殘余量。廢水廠有兩個平行的過濾水流，它們將在氯接觸池中混合。根據(jù)池中的游離氯離子的殘余量分別向兩個水流中加入次氯酸鈉。a) 設計一套控制方案，來控制接觸池開始處的氯離子的殘余量。b) 由于接觸池中將會發(fā)生一系列的反應，氯離子真實殘余量并不等于進入接觸池的氯離子含量。環(huán)保局對氯離子真實殘余量很感興趣。因此，在接觸池的出口處安裝了第

4、二臺分析器。請設計一套控制方案來控制流出物中的氯離子殘余量。題圖3 污水氯接觸池4考慮如題圖4所示的混合池。三種原料以一個確定的比例注入水箱之中形成一種混合液，供后續(xù)過程使用。對于某一種配方，要求最終混合物包含50%質量分數(shù)的A、30%質量分數(shù)的B以及20%質量分數(shù)的C。根據(jù)需求量的不同，后續(xù)過程將提供泵的轉速控制信號。試設計一個控制方案用以控制水箱液位，并且同時保證正確的配方要求。題圖45考慮如下圖所示的裂解爐，它由兩部分組成，但有一個共同的煙道。在每一個部分中都在發(fā)生輕烴（碳氫化合物）和水蒸氣的裂化反應。該裝置通過控制進入到每一部分的燃料來控制裂解產(chǎn)品的溫度，通過控制安裝在煙道上的排風扇的

5、轉速來控制爐內(nèi)壓力。風扇可以引導燃氣排出煙囪。當爐內(nèi)壓力增加時，壓力控制器就會增加風扇速度來降低壓力。a) 設計一個比值控制方案，以使每一部分都能根據(jù)輕烴流量按比例控制水蒸氣的流量。操作員只需要設定輕烴的流量。b) 在過去幾周的運行中，操作人員注意到壓力控制器的輸出總是100%。這表明控制器PC 57在盡最大可能來保證壓力控制。然而，這并不是理想狀態(tài)。這表明壓力超出了可控范圍。因此，必須設計一種控制方案。當該控制器的輸出大于90%時，輕烴流量就需要減少來維持壓力控制器輸出穩(wěn)定在90%。當輕烴流量減少時，用來保持出口溫度的燃料需求量也會減少，這樣會降低煙道壓力，使得壓力控制器降低風扇速度。當控制

6、器的輸出少于90%時，輕烴的輸入流量就為操作人員的設定量。由于左邊鍋爐的效率沒有右邊的高。因此，減少輕烴流量的正確策略為首先將左側的輸入量減少到35%；如果還需要繼續(xù)減少，再對右側的輸入進行減少，直到減少至35%（如果還需要繼續(xù)減少，一個連鎖系統(tǒng)將會關閉裂解爐）。請設計一個控制方案，以保證壓力控制器的輸出低于90%。題圖5 裂解反應器6考慮如題圖6所示的過程，污泥被送入儲液槽T3，然后通過污泥泵被注入到兩個過濾器中。該裝置通過控制出口流量來控制儲液槽液位，要求進入兩個過濾器的流量必須符合以下比例，圖中顯示的兩個流量變送器和控制閥不可以從現(xiàn)有位置移動，也不可以添加其他儀器。試設計一個控制方案，在

7、可以保證流量比例的同時，控制儲槽液位。題圖67 考慮如題圖7所示的加熱爐，它使用兩種不同的燃料來控制工藝介質的爐出口溫度，一種燃料是廢氣，另外一種燃料是燃油。由于廢氣是免費的，所以要盡可能多地使用。然而，環(huán)境保護條例規(guī)定廢氣的使用量不得超過燃燒油的1/4。廢氣的熱值為HVwg，燃油的熱值為HVoil。空氣/廢氣的比值為Rwg，空氣/燃油的比值為Roil。a) 設計一套完整的雙交叉控制方案來控制工藝介質的爐出口溫度。b) 假設廢氣的熱值隨著成分的變化會發(fā)生顯著的變化。在線測量廢氣的熱值非常困難，然而，實驗分析表明氣體熱值和密度之間存在明確的相關性。假設已安裝了一臺密度計可以測量密度，因此可測量熱

8、值HVwg。試完善上述控制方案以考慮熱值HVwg的變化。c) 從安全角度考慮，必須設計出一種控制方案，當燃燒火焰熄滅時或廢氣和燃油停止供應時，要求空氣閥全開。假設有一個火焰檢測器用于此設計，當有火焰的時候，其輸出量為20mA；而當火焰熄滅的時候，其輸出為4mA。請在上述基礎上進一步完善控制方案。題圖78某一油料過濾系統(tǒng)如題圖8所示。待過濾油料首先進入一總管，為安全起見，總管壓力通過調(diào)節(jié)進油閥門得到有效控制?？偣苤械挠土想S后被分配到四個過濾器。類似于熱交換器，過濾器也由外殼與內(nèi)部導管組成，其中內(nèi)部導管的上端面封閉，下端面開放；而外殼的上端面開放，下端面封閉。內(nèi)部導管管壁為過濾網(wǎng)，待過濾油料先進入

9、殼程，其中液體經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后進入內(nèi)部導管，再內(nèi)部導管流出。隨著時間的推移，過濾網(wǎng)上將不斷產(chǎn)生膠質。為使油料中的液體通過，需要逐步提高殼程壓力。但如果壓力提高過大，則過濾器墻壁就會崩塌。因此，當達到某一臨界值時，過濾器就需要被取下進行清理。在正常情況下，3個過濾器就可以處理所有的油料。a) 設計一套控制系統(tǒng)，以維持通過系統(tǒng)的總油量不變。b) 完善補充上述控制系統(tǒng)，以滿足：（1）如果進入某一個過濾器的油料壓力超過一個事先設定值，那么就開始減少進入此過濾器油量；（2）一旦某一過濾器進料閥門達到10%的開度，聯(lián)鎖系統(tǒng)就會自動關閉此過濾器，等待清理。與此同時，通過系統(tǒng)的總油量要保持不變。題圖89 考慮如題圖9所示的精餾塔底部，有兩個物料流出，一個由用戶控制以滿足自身需求，另一個用以保持塔底液位。在一些情況下，當液位下降到一定程度時，液位控制閥將全關；此時，液位將失去控制。如果塔底液位下降到低于0.5m，這將很難保證有足夠的流量通過再沸器為精餾塔提供上升蒸汽，這對精餾塔操作將是災難性的。試設計一種控制方案，以避免上述情況的發(fā)生。題圖910考慮如題圖10所示的過程，該過程通過A和B的反應制造產(chǎn)品E。反應器出料包括E和其他一些未反應物（主要成分為原料A），簡稱為液體C；然后采用分離器將E和C分開。液體C被送入精餾塔T-104，并從底部反饋