化工儀表及自動化厲玉鳴第三版第17章生產(chǎn)過程控制

1、化工儀表及自動化,第十七章 典型化工單元的控制方案,內(nèi)容提要,流體輸送設(shè)備的自動控制 離心泵的自動控制方案 往復(fù)泵的自動控制方案 壓氣機的自動控制方案 傳熱設(shè)備的自動控制 兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案 載熱體進行冷凝的加熱器自動控制 冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制 精餾塔的自動控制 精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求,1,內(nèi)容提要,精餾塔的控制方案 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制 化學(xué)反應(yīng)器的控制要求 釜式反應(yīng)器的溫度自動控制 固定床反應(yīng)器的自動控制 流化床反應(yīng)器的自動控制,2,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,一、離心泵的自動控制方案,3,離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。

2、,離心泵的流量控制大體的三種方法,1. 控制泵的出口閥門開度,當干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結(jié)果使流量回到給定值。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,4,圖17-2 泵的流量特性曲線與管路特性曲線,圖17-1 改變泵出口阻力調(diào)流量,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,5,2.控制泵的轉(zhuǎn)速,圖17-3 改變泵的轉(zhuǎn)速調(diào)流量,圖17-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3時的流量特性，且有n1n2n3。,該方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟，機械效率較高，但調(diào)速機構(gòu)一般較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速

3、。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,6,3.控制泵的出口旁路,將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵的實際排出量。 控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。,該方案不經(jīng)濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總的機械效率降低，故很少采用。,圖17-4 改變旁路閥調(diào)流量,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,二、往復(fù)泵的自動控制方案,7,往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來輸送流體的。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,8,1.改變原動機的轉(zhuǎn)速,該方案適用于以蒸汽機或汽輪機作原動機的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方

4、便地控制轉(zhuǎn)速。,圖17-5 改變轉(zhuǎn)速的方案,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,9,2.控制泵的出口旁路,該方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經(jīng)濟性較差。,圖17-6 改變旁路流量,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,10,3.改變沖程 s,圖17-7 往復(fù)泵的特性曲線,計量泵常用改變沖程s來進行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進行，也有可在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行的。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,三、壓氣機的自動控制方案,11,壓力機的分類,其作用原理不同可分為離心式和往復(fù)式兩大類； 按進、出口壓力高低的差別，可分為真空泵、鼓風機、壓縮機等類型。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,12,1.直

5、接控制流量,對于低壓的離心式鼓風機，一般可在其出口直接用控制閥控制流量。由于管徑較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其余情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口端控制流量。因為氣體的可壓縮性，所以這種方案對于往復(fù)式壓縮機也是適用的。 為了減少阻力損失，對大型壓縮機，往往不用控制吸入閥的方法，而用調(diào)整導(dǎo)向葉片角度的方法。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,13,圖17-9 分程閥的特性,圖17-8 分程控制方案,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,14,2.控制旁路流量,對于壓縮比很高的多段壓縮機，從出口直接旁路回到入口是不適宜的。這樣控制閥前后壓差太大，功率損耗太大。 為了解決這個問題，可以在中間某段安裝控制閥

6、，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定工作范圍的需要。,圖17-10 控制壓縮機旁路方案,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,15,3.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,壓氣機的流量控制可以通過調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速來達到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。 問題在于調(diào)速機構(gòu)一般比較復(fù)雜，沒有前兩種方法簡便。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,16,“喘振”現(xiàn)象,當負荷降低到一定程度時,氣體的排送會出現(xiàn)強烈的振蕩,從而引起機身的劇烈振動。這種現(xiàn)象稱為“喘振”。 喘振會造成事故,操作中必須防止喘振現(xiàn)象產(chǎn)生。 防喘振的控制方案有很多種,其中最簡單的是旁路控制方案。,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的自動控制,17,旁路控制方案,圖17-11 簡單的

7、防喘振方案,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案,18,1. 控制載熱體的流量,圖17-12表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱基本方程式的工作原理。,若不考慮傳熱過程中的熱損失,圖17-12 改變載熱體流量控制溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,19,傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算,整理后，得,移項后改寫為,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,20,如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。,圖17-13 換熱器串級控制系統(tǒng),第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,21,2.控制載熱體旁路,采用三通控制閥

8、來改變進入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。 旁路的流量一般不用直通閥來直接進行控制，因為在換熱器內(nèi)部流體阻力小的時候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。,圖17-14 用載熱體旁路控制溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,22,3.控制被加熱流體自身流量,只能用在工藝介質(zhì)的流量允許變化的場合。,圖17-15 用介質(zhì)自身流量調(diào)溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,23,4. 控制被加熱流體自身流量的旁路,當被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體由旁

9、路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度。,圖17-16 用介質(zhì)旁路調(diào)溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制,24,在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200以上或30以下時，常采用一些有機化工物作為載熱體。 這種傳熱過程分兩段進行，先冷凝后降溫。,當僅考慮汽化潛熱時，熱量平衡方程式為,傳熱速率方程式仍為,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,25,當被加熱介質(zhì)的出口溫度t2為被控變量時，常采用下述兩種控制方案。,1.控制蒸汽流量,通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設(shè)壓力定值控制，

10、或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。,圖17-17 用蒸汽流量調(diào)溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,26,2.控制換熱器的有效換熱面積,圖17-18 用凝液排出量調(diào)溫度,圖17-19 溫度-液位串級系統(tǒng),圖17-20 溫度-流量串級系統(tǒng),第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,27,兩種方案比較,控制蒸汽流量法,優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。 缺點：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，有時凝液冷到100以下，這時加熱器內(nèi)蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,28,控制換熱器的有效換熱面積法,缺點：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的

11、傳熱面積裕量。 優(yōu)點：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學(xué)變化的過敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的體積比蒸汽體積小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門。,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制,29,1.控制冷卻劑的流量,該方案不以液位為操縱變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨壓縮機的操作事故。 這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度-液位自動選擇性控制，當液位高于某上限值時，自動把液氨閥關(guān)小或暫時切斷。,圖11-25 用冷卻劑流量控制溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,30,2.溫度與液位的串級控制,該方案的實質(zhì)

12、是改變傳熱面積。但采用了串級控制，將液氨壓力變化而引起液位變化的這一主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)，從而提高了控制質(zhì)量。,圖17-22 溫度-液位串級控制,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,31,3.控制汽化壓力,圖17-23 用汽化壓力調(diào)溫度,第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制,32,這種方案控制作用迅速，只要汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達到控制工藝介質(zhì)出口溫度的目的。但是由于控制閥安裝在氣氨出口管道上，故要求氨冷器要耐壓，并且當氣氨壓力由于整個制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一要求不能隨意加以控制時，這個方案就不能采用了。,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,一、精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求,33,圖17-24 精餾塔的物料

13、流程圖,（1）進料流量F的波動（） （2）進料成分ZF的變化（） （3）進料溫度及進料熱焓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(nèi)除去熱量的變化 （6）環(huán)境溫度的變化,1.干擾因素,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,2.精餾塔對自動控制的要求,保證質(zhì)量指標 保證平穩(wěn)操作 約束條件,34,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,三、精餾塔的控制方案,35,1.精餾塔的提餾段溫控,如果采用以提餾段溫度作為衡量質(zhì)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。,圖17-25 提餾段溫控的控制方案示意圖,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,36,提餾段溫控的主要特點與使用場

14、合：,（1）采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)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。,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,37,2.精餾塔的精餾段溫控,如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)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。,圖17-26 精餾段溫控的控制方案示意圖,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,38,精餾段溫控的主要特點與使用場合：, 采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況。當塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴格時，一般宜采用

15、精餾段溫控方案。 如果干擾首先進入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,39,在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當分離的產(chǎn)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。,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,40,3.精餾塔的溫差控制,采用溫差作為衡量質(zhì)量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。,圖17-27 T-X曲線,注意：溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關(guān)系。,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,41,4.按產(chǎn)品成分或

16、物性的直接控制,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(chǎn)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(chǎn)品成分的直接指標控制。,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,一、化學(xué)反應(yīng)器的控制要求,42,(1)質(zhì)量指標,化學(xué)反應(yīng)器的質(zhì)量指標一般指反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的規(guī)定濃度。,如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,43,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(zhì)量穩(wěn)定。 當有干擾作用時，轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)生成物組分等仍會受到影響。 特別是在有些反應(yīng)中，溫度、壓

17、力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應(yīng)關(guān)系，這就需要不斷地根據(jù)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(yīng)器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變。,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,44,(2)物料平衡,為使反應(yīng)正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進入反應(yīng)器的各種物料量恒定，配比符合要求。,(3)約束條件,對于反應(yīng)器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工況，應(yīng)當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,二、釜式反應(yīng)器的溫度自動控制,45,(1)控制進料溫度,圖17-28 改變進料溫度調(diào)釜溫,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,46,(2)控制傳熱量,由于大多

18、數(shù)反應(yīng)釜均有傳熱面，引入或移去反應(yīng)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17-29 改變加熱劑或冷卻劑流量調(diào)釜溫,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,47,(3)串級控制,為了針對反應(yīng)釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。,圖17-30 釜溫與冷劑流量串級控制示意圖,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,48,圖17-31 釜溫與夾套溫度串級控制示意圖,圖11-37 釜溫與釜壓串級控制示意圖,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,三、固定床反應(yīng)器的自動控制,49,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行化學(xué)反應(yīng)以生成所需反應(yīng)物。,常見的溫度控制方案有：,控制進

19、料濃度 控制進料溫度 控制段間進入的冷氣量,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,50,圖17-33 改變進料濃度調(diào)反應(yīng)器溫度,圖17-34 用載熱體流量調(diào)溫度,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,51,圖17-35 用旁路調(diào)溫度,圖17-36 用改變段間冷氣量調(diào)溫度,圖17-37 用改變段間蒸汽量調(diào)溫度,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,四、流化床反應(yīng)器的自動控制,52,圖17-38 流化床反應(yīng)器原理示意圖,圖17-39 改變?nèi)肟跍囟日{(diào)反應(yīng)器溫度,第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制,53,圖17-41 流化床差壓指示系統(tǒng),圖17-40 改變冷劑流量調(diào)溫度,例題分析,1.試判斷圖17-42(a)、(b)控制方案是否正

20、確。,圖17-42 泵的控制方案,54,例題分析,解：要分析圖17-42所示控制方案是否正確,首先必須了解離心泵和往復(fù)泵的特性。 圖17-42(a)是離心泵的流量控制方案。為了控制出口流量的大小,控制閥一般應(yīng)該直接裝在出口管線上。這是因為離心泵吸入高度是有限的,如果控制閥裝在吸入管線上,會產(chǎn)生壓降,這樣一來,進口端壓力就有可能過低,因為液體氣化,使泵失去排液能力,這叫氣縛。或者壓到出口端又急速冷凝,沖蝕厲害,這叫氣蝕。這兩種情況都要避免發(fā)生。所以控制閥一般不應(yīng)安裝在離心泵的入口管線上。,55,例題分析,圖17-42(b)為往復(fù)泵出口流量控制方案。從往復(fù)泵的特性來看,只要轉(zhuǎn)速一定,排出的流量是基本不變的。因此采用出口節(jié)流的方法來控制出口流量是不行的。,56,例題分析,2.圖17-43所示的加熱器,如果兩側(cè)無相變,載熱體流量很大,且進出口溫差(T20-T21)很小時,采用圖示溫控方案是否合理?,圖17-43 加熱器控制方案,57,例題分析,解：從分析對象(加熱器)的靜態(tài)特性來看，采用圖示控制方案是不合理的。 設(shè)載熱體流量為F2，摩爾熱容為C2，冷流體流量為F1，摩爾熱容為C1。為了弄清主要問題，對圖17-43所示加熱器可忽略一些次要因素(如熱損失等)，則可列出熱