化工仪表及自动化第11章综述

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1、化学工业出版社 化工仪表及自动化 第十一章 典型化工单元的控制方案 化学工业出版社 内容提要 n 流体输送设备的控制方案 n离心泵的控制方案 n往复泵的控制方案 n压气机的控制方案 n离心式压缩机的防喘振控制 n 传热设备的自动控制 n两侧均无相变化的换热器控制方案 n载热体进行冷凝的加热器自动控制 n冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 n 精馏塔的自动控制 n工艺要求 1 化学工业出版社 内容提要 n精馏塔的干扰因素 n精馏塔的控制方案 n 化学反应器的自动控制 n化学反应器的控制要求 n釜式反应器的温度自动控制 n固定床反应器的自动控制 n流化床反应器的自动控制 n 生化过程的控制 n常用生化

2、过程控制 n青霉素发酵过程控制 n啤酒发酵过程控制 2 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 n 一、离心泵的控制方案 3 离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于 某一给定的数值上。 离心泵的流量控制大体的三种方法离心泵的流量控制大体的三种方法 1. 1. 控制泵的出口阀门开度控制泵的出口阀门开度 当干扰作用使被控变量（流量）发生变化偏离给定 值时，控制器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流 量回到给定值。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 4 图11-1 改变泵出口阻力控制流量 图11-2 泵的流量特性曲线与管 路特性曲线 控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而

3、不应 该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。 注意注意 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 5 2.控制泵的转速 图11-3 改变泵的转速控制流量 图11-3中曲线1、2、3表 示转速分别为n1、n2、n3时的 流量特性，且有n1n2n3。 该方案从能量消耗的角度来衡 量最为经济，机械效率较高，但调 速机构一般较复杂，所以多用在蒸 汽透平驱动离心泵的场合，此时仅 需控制蒸汽量即可控制转速。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 6 3.3.控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路 图11-4 改变旁路阀控制流量 将泵的部分排出量重新送回到 吸入管路，用改变旁路阀开启度的 方法来

4、控制泵的实际排出量。 控制阀装在旁路上，压差大， 流量小，因此控制阀的尺寸较小。 该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量， 使总的机械效率降低，故很少采用。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 n 二、往复泵的控制方案 7 往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场合， 它是利用活塞在汽缸中往复滑行来输送流体的。 往复泵提供的理论流量可按下式计算 （11-1） n每分钟的往复次数； F气缸的截面积； S冲程。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 8 1.1.改变原动机的转速改变原动机的转速 图11-5 改变转速的方案 该方案适用于以蒸汽 机或汽轮机作原动机的场 合，

5、此时，可借助于改变 蒸汽流量的方法方便地控 制转速，进而控制往复泵 的出口流量。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 9 2.2.控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路 图11-6 改变旁路流量 该方案由于高压流 体的部分能量要白白消 耗在旁路上，故经济性 较差。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 10 3.3.改变冲程改变冲程 s s 图11-7 往复泵的特性曲线 计量泵常用改变冲程s来 进行流量控制。冲程s的调 整可在停泵时进行，也有可 在运转状态下进行的。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 n 三、压气机的控制方案 11 压力机的分类压力机的分类 其作用

6、原理不同可分为离心式和 往复式两大类； 按进、出口压力高低的差别，可 分为真空泵、鼓风机、压缩机等类 型。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 12 1.1.直接控制流量直接控制流量 对于低压的离心式鼓风机，一般可在其 出口直接用控制阀控制流量。由于管径较 大，执行器可采用蝶阀。其余情况下，为 了防止出口压力过高，通常在入口端控制 流量。因为气体的可压缩性，所以这种方 案对于往复式压缩机也是适用的。 为了减少阻力损失，对大型压缩机， 往往不用控制吸入阀的方法，而用调整导 向叶片角度的方法。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 13 图11-8 分程控制方案 图11-9

7、分程阀的特性 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 14 2.2.控制旁路流量控制旁路流量 图11-10 控制压缩机旁路方案 对于压缩比很高的多段 压缩机，从出口直接旁路回 到入口是不适宜的。这样控 制阀前后压差太大，功率损 耗太大。 为了解决这个问题，可 以在中间某段安装控制阀， 使其回到入口端，用一只控 制阀可满足一定工作范围的 需要。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 15 3.3.调节转速调节转速 压气机的流量控制可以通过调节原动机的转 速来达到，这种方案效率最高，节能最好。 问题问题在于调速机构一般比较复杂，没有前 两种方法简便。 化学工业出版社 第一节 流体

8、输送设备的控制方案 n 四、离心式压缩机的防喘振控制 16 1.1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象离心式压缩机的特性曲线及喘振现象 图11-11 离心式压缩机特性曲线 图11-12 喘振现象示意图 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 17 喘振喘振是出现压缩机工作点这种反复迅速突变这 一现象时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子 受到交变负荷，机身发生振动并波及到相连的管 线，表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。 喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小 是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被 输送气体的吸入状态，也是使压缩机产生喘振的 因素。一般讲，吸入气体的温度或压力越低，

9、压 缩机越容易进入喘振区。 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 2.2.防喘振控制方案防喘振控制方案 （1）固定极限流量法 对于工作在一定转速下的离心 式压缩机，都有一个进入喘振区的 极限流量QB，为了安全起见，规定 一个压缩机吸入流量的最小值QP， 且有QPQB。 图11-13 防喘振旁路控制 18 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 （2 2）可变极限流量法）可变极限流量法 图11-14 防喘振曲线 图11-14上的喘振 极限线是对应于不同 转速时的压缩机特性 曲线的最高点的连线 。只要压缩机的工作 点在喘振极限线的右 侧，就可以避免喘振 发生。 19 化学工业出版

10、社 第一节 流体输送设备的控制方案 安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式 表示 （11-2） 在时，工况是安全的。 经过换算，上述不等式可写成如下形式 20 （11-3） 化学工业出版社 第一节 流体输送设备的控制方案 21 图11-15 变极限流量防喘振控制方案 该方案控制器 FC的给定值是经过 运算得到的，因此 能根据压缩机负荷 变化的情况随时调 整入口流量的给定 值，而且由于这种 方案将运算部分放 在闭合回路之外， 因此可像单回路流 量控制系统那样整 定控制器参数。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 n 一、两侧均无相变化的换热器控制方案 22 1. 1. 控制载热体

11、的流量控制载热体的流量 图11-16 改变载热体流量控制温度 图11-16表示利用控制载热 体流量来稳定被加热介质出口 温度的控制方案。采用传热基 本方程式的工作原理。 若不考虑传热过程中的热损失 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 23 传热过程中传热的速率可按下式计算 整理后，得 移项后改写为 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 24 图11-17 换热器串级控制系统 如果载热体本身压 力不稳定，可另设稳压 系统，或者采用以温度 为主变量、流量为副变 量的串级控制系统。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 25 2.2.控制载热体旁路流量控制载热体旁路流量 图11-

12、18 用载热体旁路控制温度 采用三通控制阀来改变进入 换热器的载流体流量与旁路流量 的比例，可以改变进入换热器的 载热体流量，还可以保证载热体 总流量不受影响。 旁路的流量一般不用直通阀 来直接进行控制，因为在换热器 内部流体阻力小的时候，控制阀 前后压降很小，这样就使控制阀 的口径要选得很大，而且阀的流 量特性易发生畸变。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 26 3.3.控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量 图11-19 用介质自身流量控制温度 只能用在工艺介只能用在工艺介 质的流量允许变化质的流量允许变化 的场合。的场合。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 27

13、 4. 4. 控制被加热流体自身流量的旁路控制被加热流体自身流量的旁路 图11-20 用介质旁路控制温度 当被加热流体的总 流量不允许控制，而且 换热器的传热面积有余 量时，可将一小部分被 加热流体由旁路直接流 到出口处，使冷热物料 混合来控制温度。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 n 二、载热体进行冷凝的加热器自动控制 28 在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热 ，通过管壁加热工艺介质。如果要加热到200以上或 30以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。 这种传热过程分两段进行，先冷凝后降温。 当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为 传热速率方程式仍为 化学工业出版社 第二

14、节 传热设备的自动控制 29 当被加热介质的出口温度t2为被控变量时，常采用下述 两种控制方案。控制蒸汽流量和控制换热器的有效换热面积控制蒸汽流量和控制换热器的有效换热面积 1.1.控制蒸汽流量控制蒸汽流量 图11-21 用蒸汽流量控制温度 通过改变加热蒸汽量 来稳定被加热介质的出口 温度。当阀前蒸汽压力有 波动时，可对蒸汽总管加 设压力定值控制，或者采 用温度与蒸汽流量（或压 力）的串级控制。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 30 2.2.控制换热器的有效换热面积控制换热器的有效换热面积 图11-22 用凝液排出 量控制温度 图11-23 温度-液位串 级控制系统 图11-24

15、温度-流量 串级控制系统 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 31 控制蒸汽流量和控制换热器的有效换热面积控制蒸汽流量和控制换热器的有效换热面积 两种方案比较两种方案比较 控制蒸汽流量法 优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。 缺点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较 剧烈，有时凝液冷到100以下，这时加热器内蒸 汽一侧会产生负压，造成冷凝液的排放不连续， 影响均匀传热。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 32 控制换热器的有效换热面积法 缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大 的传热面积裕量。 优点：防止局部过热，对一些过热后会引起化 学变化的过敏性介质比较适用。另

16、外，由于蒸 汽冷凝后凝液的体积比蒸汽体积小得多，所以 可以选用尺寸较小的控制阀门。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 n 三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 33 1.1.控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量 图11-25 用冷却剂流量控制 温度 该方案不以液位为被控变量，但 液位不能过高，过高会造成蒸发空间 不足，使出去的氨气中夹带大量液氨 ，引起氨压缩机的操作事故。 这种控制方案带有上限液位报警 ，或采用温度-液位自动选择性控制 ，当液位高于某上限值时，自动把液 氨阀关小或暂时切断。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 34 2.2.温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制 图11-26 温度-液位串级控制 该方案的实质是改变传热 面积。但采用了串级控制，将 液氨压力变化而引起液位变化 的这一主要干扰包含在副环内 ，从而提高了控制质量。 化学工业出版社 第二节 传热设备的自动控制 35 3.