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1、一、传热设备的控制 1、概述 根据工艺要求，温度的变化与控制需要传热过程，是工业生产过程极其重要的组成部分。 1）传热设备的结构类型 定义：实现冷热流体换热的设备。 分类：直接、间接 间壁式传热：列管式、蛇管式、夹套式、套管式,2）热量传递的三种方式 温度差是传热的的推动力。 （1）热传导 傅里叶定律：单位时间内出传到的热量与温度梯度和垂直于热流体方向的截面积成正比。 在单位时间内通过单层平壁传导的热量与导热系数、传热面积和平壁两侧的温差成正比，而与平壁的厚度成反比。,（2）对流传热 常见于流体与固体壁之间的传热，传热的速率与流体性质及流动边界的状况密切的相关。 传热膜系数是对流传热的主要参数
2、，对其影响因素有：流体的种类、性质、运动状况以及流体对流的状况。 一般来讲，蒸汽冷凝传热膜系数较大，液体的传热膜系数较小，而气体的传热膜系数最小。因此，在蒸汽加热器中必须注意冷凝水与蒸汽中不凝气体的排除问题。,（3）热辐射 热辐射：热能以电磁波的形式向空间发射，到达另一物体被部分吸收又转变为热能。 在热量传递过程中伴有能量形式的转化，与导热和对流传热的差异在于不需要任何介质进行传递。 工业上的两固体之间的相互热辐射，当一固体发射热，另一固体只能部分吸收并部分反射，多次吸收和反射的过程，使得热从高温传向低温物体。 净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身的性质有关。,在实际进行的传热过
3、程中，很少是以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成。 例如 间壁式传热：对流或热传导 管式加热炉：辐射室以辐射传热为主，对流室以对流为主。,3）传热设备的动态特点 （1）传热设备的分布参数特征 对象的输出（被控变量）不仅与时间有关，而且是物理位置的函数。 分布参数的分类： A、传热壁面两侧流体都无相变地进行传热，且两侧流体都没有轴向混合时，两侧的温度将是距离和时间的函数，也就是说，两侧都是分布参数对象，列管式、套管式换热器均属于此类。 B、两侧物流在传热过程中都有相变，两侧的温度可近似为集中参数，流体温度取决于所处的压力，而不是传热量。,C、一侧物流有相变，则相变侧为集中参数，另
4、一侧视为混合情况而定。 不少传热对象具有分布参数对象，遇到分布参数时须用偏微分方程来表示，但处理起来比较麻烦，此时也可用集中参数特性来近似，如可将进出口温度平均值作为流体温度来看待（简单，精度差）。 （2）纯滞后及滞后（时间常数）较大 工艺要求传热过程物质不接触，无物质交换，所以采用间壁式换热器。传热的过程属于多容对象，带有较大的滞后，可近似认为是具有纯滞后的多容对象。 测温元件的滞后，其保护套的滞后，给传热设备的自动控制增加了滞后时间。,二、换热器的控制 换热的目的有以下4种： 使工艺介质达到规定的温度使生产过程正常进行； 如：重油催化裂化原料油预热，要求温度在 160220之间。 在过程进
5、行中加入吸收的热量或除去放出的热量； 如：催化裂化再生器温度控制。 在工艺过程中改变物料状态； 如：常减压装置加热炉。 热量回收。 如：分馏塔塔底换热器。,为了保证出口温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节。有以下几个途径： 调载热体的流量 目的：改变传热速率方程中的传热系数和平均温差。 载热体在传热过程中不发生相变，主要改变传热系数； 载热体在传热过程中发生相变，主要改变平均温差。,特点：方案简单、适用于载热体上游压力平稳及负荷变化小的场合。 载热体上游压力不平稳时，采用温度与流量的串级控制（方案二） 当主要扰动为负荷、且对出口温度控制要求高，采用前馈-反馈控制（方案三）, 调节
6、传热平均温度差 注意：气氨出口调节阀的作用 阀开度变化时，汽化温度的变化改变了 传热平均温差。 液位控制回路的目的：维持液位不超限， 保证足够的蒸发空间。 特点：滞后小，反应迅速。, 调节传热面积 当 不变时，改变A 可以改变传热量。 调节阀的安装位置和作用： 位置：出口(冷凝液)管线上 作用：开度变化，液位变化，面积变化 缺点：冷凝液液位影响传热面积，变化 缓慢，是一滞后的过程，调节不及时，不利于控制器参数整定， 影响调节品质。 适用场合：适用于传热量小、被控温度 较低的场合 为改善对象特性，我们可以利用串级 控制系统的特点设计串级控制方案。（如右下图所示）, 采用旁路控制 部分工艺介质经换
7、热器，另一部分走旁路。 特点：反应迅速及时，该方案不适用于介质流量较大的场合，适合于能量回收系统。 采用一般直通阀，设计时旁路流量占总流量的1030%。 阀位控制系统（如右下图所示） 旁通量动态响应较快、控制及时，存在能量浪费。 旁路流量响应较快，提高了系统的动态品质，VPC的特点是作用缓慢，逐渐改变载热体阀的开度。最终的目标使旁路阀开度最小。,三、加热炉的控制 加热炉是石油化工生产过程的主要设备之一。 作用：工艺介质的升温或气化 结构形式：箱式炉、立式炉、圆筒炉 工作原理：燃料(油)分几路(雾化喷嘴)进入炉膛燃烧，炉膛火焰辐射给炉管，炉管经热传导和对流再传热给工艺介质。 对象特点：炉膛热容量
8、大、时间常数大、滞后时间长；属多容过程；可用一阶加纯滞后环节近似描述；理论分析比较困难。 操作特点：温度过高使炉管内物料可能分解、结焦，因此，严格控制加热炉出口温度。,1、加热炉的单回路控制 1）扰动分析 主要控制指标：工艺介质的出口温度。 操作手段：燃料油或燃料气的流量。 干扰因素：负荷量、进料温度、组分；燃料油(气)压力、性质、雾化状况；空气量，喷嘴阻力等。 2） 控制回路 主要控制系统：出口温度控制。 辅助控制系统： 工艺介质的流量控制系统；FC控制 燃料压力控制系统；P1C控制 燃料油雾化蒸汽压力控制。P2C控制 燃料油流量较平稳时，、两个回 路即可满足工艺要求。,流量波动较大时，单回
9、路不能保证良好雾化，可采用右下图两方案： 用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽； 燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制。（前提条件：管道应畅通）此外，还可采用流量比值控制。 由于加热炉负荷大、时间常数和滞后时间较大，故单回路控制很难满足要求，炉出口温度波动较大。,单回路控制适用场合 对炉出口温度要求不高的场合； 干扰较小，且不频繁的场合； 炉膛容量较小，滞后小的场合。,2、加热炉的串级控制 炉子出口温度对炉膛温度的串级控制； 炉子出口温度对燃料流量的串级控制； 炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制； 采用压力平衡式控制阀的控制。 炉出口温度对炉膛温度的串级控制,干扰（燃料压力、性质等
10、）先影响炉膛温度，继而影响炉出口温度，故炉膛温度比出口温度滞后小。 用副回路来克服干扰，减小对出口温度的影响。 优点：有利于克服燃料性质变化。 注意： 炉膛温度的检测点位置，选择有代表性且反应较快的点； 副控制器参数不应整定得过于灵敏； 副控制器不引入微分作用； 炉膛温度不应有大的波动； 炉膛温度测温元件及保护套管应耐高温。, 炉出口温度对燃料流量的串级（右下图所示） 优点：有利于克服燃料量变化。还可做出口温度、炉膛温度、燃料量三参数串级（如右上图所示）。 特点：关联回路多，实施困难。 出口温度对燃料阀后压力的串级 优点：当燃料量小、粘度大时，流量测量困难；而压力测量却比较方便。（如右下图所示
11、） 特点：应用较广。 应注意管道堵塞, 采用压力平衡式控制阀 这种阀本身兼有压力控制器功能，相当于炉出口温度对燃料压力的串级。 例如：催化裂化装置加热炉控制系统 要求：把原料油加热到一定温度送给反应器。 操作：开工时燃料为气体，出口温度控制浮动阀；而正常生产后燃料改为重质油，采用炉出口温度与燃料阀后压力串级。,举例：常减压装置加热炉控制系统 工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。 要求：炉出口温度稳定。,温度控制：炉出口温度对炉膛温度的串级控制,负荷控制：单回路流量控制,燃料干扰：单回路压力控制,催化裂解装置加热炉自动控制系统,反馈控制 实际生产中，有时会遇到进料量、进料温度变化频繁、幅度
12、较大， 炉子时间常数大、滞后时间长等情形。用单回路或串级均很难满足要求。 设计前馈 反馈控制系统 这里前馈主要用来克服进料流量（或温度）干扰。,3、加热炉的安全联锁保护系统 联锁保护系统的作用：为安全生产、防止事故。 燃气加热炉 工艺介质流量过小或中断，切断燃料气； 某种原因灭火时，切断燃料气； 燃料气压力不能过低，流量不能太小； 燃料压力不能过高，否则会引起脱气灭火。,LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量过低联锁装置； GL2：进料流量过低联锁装置。, 燃油加热炉 工艺介质流量过小或中断，切断燃料油； 燃料油压力过低会回火，流量不能太小； 燃料油压力过高会脱火； 雾化蒸汽压
13、力过低或中断，造成燃料油雾化不良无法燃烧。,9.2 精馏过程控制 板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、穿流塔、浮喷塔、浮舌塔 填料塔 增加气液两相的接触面积，乱堆填料，规整填料,精馏塔物料流程图,一、精馏塔的控制目标 精馏是应用极为广泛的传质过程。 目的是将混全液中的各组分进行分离，使之达到规定的纯度。 精馏是一个多参数输入和输出的对象，通道多，动态响应缓慢，内在机理复杂，参数间互相关联，控制又要求高的工程。精馏塔是工厂的制高点，控制也同样。,精馏的工艺要求 1. 质量指标 对于一个正常操作的精馏塔，一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应保持在规定的范围内。为
14、此，应当取塔顶或塔底的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。,2.保证平稳操作,为了保证塔的平稳操作，必须把进塔之前的主要可控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。 为了维持塔的物料平衡，必须控制塔顶馏出液和釜底采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。 塔内的持液量应保持在规定的范围内。控制塔内压力稳定，对塔的平稳操作是十分必要的。,3.节能要求和经济性,在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。 其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中使产品
15、产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。,4.约束条件,为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。防止泛液、漏液，压力限，临界温差限等。,液泛限：气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，称为“雾沫夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为液泛。气相速度的上限称为液泛限。（另外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛） 漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。 压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。 临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差越大，传热量越大，温差低于临界温差时
16、，给热系数急剧下降，不能保证正常传热。,二、精馏塔的静态特性和动态特性 塔操作影响因素 各种可能发生的扰动及其对生产指标的影响，扰动对产品纯度、回收率、能耗的影响都是通过物料平衡和能量平衡来影响的，并且物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。 物料平衡影响因素：进料流量、进料组成、 塔顶，塔底产品采出量及组成。 能量平衡影响因素：进料温度、再沸器加热量、 冷凝器冷却器、环境温度。 可控扰动：进料温度，再沸器加热蒸汽量，冷凝器冷却量，采出量。 不可控扰动：进料流量（主要扰动） ，进料组成（主要扰动） ，环境温度,1、精馏塔的静态特性,（1）全塔物料平衡,总物料平衡：F=D+B 轻组分平衡：F xF=D xD+B xB,联立,F为进料流量（kmol/h）; D为塔顶馏出液采出量（kmol/h）；B为塔底釡液采出量（kmol/h） xF，xD，xB分别表示进料、馏出液、釡液中轻组
