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1、武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计目录1 喷雾式牛奶干燥控制系统简介 .11.1 喷雾干燥技术的发展 .11.2 喷雾干燥的过程 .12 喷雾式牛奶干燥控制系统的控制原理 .33 被控参数与控制参数的选择 .33.1 被控参数的选择 .33.2 控制参数的选择 .44 仪表选择及参数整定 .74.1 仪表的选择 .74.1.1 测温元件及变送器的选择 .84.1.2 调节阀的选择 .84.1.3 调节器的选择 .94.2 温度控制系统框图 .104.3 调节器的参数整定 .104.4 方案评价及改进方向 .125 心得体会 .13参考文献 .14武汉理工大学过程控制系统与仪表课程设计1
2、1 喷雾式牛奶干燥控制系统简介1.1 喷雾干燥技术的发展通过干燥脱去微生物生长所必需的水分来保存不同食品的方法已经使用了几个世纪。按照马可波罗在亚洲旅行的笔记记载，蒙古人通过在阳光下干燥牛乳以生产奶粉。在过去的 150 年左右的时间里，许多干燥食品的技术发展起来了，有一些就特别适合于乳粉生产。不容置疑，当今最重要的干燥方法是喷雾干燥，该原理可追溯到一个多世纪前的一项相关的专利，是通过雾化来改良干燥和浓缩的液态物料。尽管喷雾干燥的概念在 19世纪后期就存在了，但大多数乳粉生产直到 20 世纪中叶仍采用滚筒干燥。美国在第一次世界大战前后，Merril-Soul 和 Grey-Jensen 将喷雾干
3、燥的加工方法用于商业化生产，直到50 年以后，喷雾干燥才代替了滚筒干燥，成为最经典的乳粉生产方法。滚筒干燥仍然用于某些特殊的乳制品生产中，并且十分广泛地应用于食品工业的其它领域。喷雾干燥设备在 1901 年首次用于奶粉工业的生产，在 20 世纪 20 年代才真正用于奶粉工业的生产，20 世纪 40 年代末才在我国开始使用。最早的结构是属于压力箱式（卧式），物料的雾化为双流体式，动力消耗量大。到 1958 年，轻工部在黑龙江省推广畜力小型压力式喷雾干燥法生产奶粉，1955 年哈尔滨松花江牛奶厂首次用离心喷雾的方法生产奶粉。这两种形式的喷雾干燥设备当时都是平底结构，出粉是间歇式的，每工作一个班次人
4、工出粉一次。20 世纪 60 年代中期，箱式压力干燥设备出现了锥底带螺旋出粉器（搅龙）的结构形式。第一台立式多喷头压力喷雾干燥设备诞生在 20 世纪 70 年代初，它的出现使喷雾干燥设备的有效容积缩小近一半，而且不用搅龙，连续出粉。20 世纪 80 年代又生产了单喷头的立式压力喷雾干燥设备，它在奶粉工业中的应用事推动我国乳粉工业技术进步的一个关键环节，为促进我国奶粉工业的迅速发展奠定了基础。为提高牛奶液体干燥的速度，质量，提高牛奶液体转变为成品的生产效率，需要一套稳，准， 快的控制系统，因为喷雾干燥设备有可直接由溶液或悬浮体制得成分均匀的粉状产品的特殊优点，此课程设计要完成喷雾式牛奶干燥控制系
5、统设计。1.2 喷雾干燥的过程喷雾干燥包括浓缩物料微粒加热、表面水分汽化、微粒内部水分向表面扩散以及对干物料的加热。干燥过程可分为以下三个阶段。武汉理工大学过程控制系统与仪表课程设计2预热阶段。 浓缩物料的微粒与干燥介质接触的瞬间，干燥过程便开始进行，微粒表面的水分即开始汽化。微粒表面的温度如低于干燥介质的湿球温度，则干燥介质供给的热量使微粒表面迅速达到湿球温度；如微粒表面的温度高于干燥介质的湿球温度，则其表面温度因水分蒸发而迅速下降，直至达到汽化所需热量平衡，此时预热阶段结束，干燥速度迅速增大，进入恒速干燥阶段。恒速干燥阶段。 在恒速干燥阶段，微粒内部的水分不断向表面扩散，表面水分不断汽化，
6、水蒸气分压等于水的饱和蒸汽压，微粒表面温度等于干燥介质的湿球温度（一般为 5060） 。干燥速度取决于干燥介质的温度、湿度、气流状况。干燥介质温度与微粒表面湿球温度间温差越大、湿度越低，微粒在干燥介质中的分散性越好，干燥速度越大。恒速干燥阶段约 0.010.04s 内完成。降速干燥阶段。 当微粒内部水分扩散速度降至低于颗粒表面的蒸发速度，恒速干燥阶段即告结束，降速干燥阶段开始。在降速干燥阶段，物料颗粒温度将逐步超出干燥介质的湿球温度，并逐步接近干燥介质温度，干物料的水分含量也接近或等于该干燥介质状态的平衡水分。此阶段的干燥时间较恒速干燥阶段长，为 1030s 或更长。武汉理工大学过程控制系统与
7、仪表课程设计32 喷雾式牛奶干燥控制系统的控制原理喷雾干燥器的工作原理是：用喷雾的方法将物料喷成雾滴分散在热空气中，物料与热空气呈并流、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥目的。由于牛奶属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。图 2-1 喷雾式牛奶干燥控制系统喷雾式牛奶干燥控制系统如图 2-1 所示，浓缩的牛奶由高位槽流经过滤器 A 或 B，虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一
8、起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥温度进行严格控制。3 被控参数与控制参数的选择 3.1 被控参数的选择 即被控变量，在自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，如反应器、精馏设备的控制，或传热过程、燃烧过程的控制等。从定量分析和设计角度，控制对象武汉理工大学过程控制系统与仪表课程设计4只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参数的部分因素，并不是设备的全部。被控参数必须有足够大的灵敏度，容易被测量。选择被控参数时，必须考虑工艺合理性。被控参数的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因
9、素都要加以自动控制。所以，必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓“关键” 变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式：直接指标控制与间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控制；如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大
10、，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。考虑到一般情况下的测量水分的仪表精度较低，故选用间接参数，即干燥温度为被控参数，水分与温度一一对应，将温度控制在一定数值上。3.2 控制参数的选择在选定被控变量之后，要进一步确定控制系统的调节变量或操纵变量，即控制参数。实际上，被控变量与调节变量是放在一起综合考虑的。应对工艺进行分析，找出所有影响被控参数的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控参数的因素中选择一个对被控参数影响显著且便于控制的参数，作为控制参数，其它未被选中的因素则视为系统的干扰。控制参数的选取应遵循下列原则： （l）调节变量必须是工艺上允许调节的变量。 （2）调节变量应该是系统中所有输入变量中对被控变量影响最大的一个。调节通道的放大系数 K 要尽量大一些，时间常数 T 适当小些，滞后时间尽量小。 （3）不宜选择代表生产负荷的变量作为调节变量，以免引起产量波动。武汉理工大学过程控制系统与仪表课程设计5经过对喷雾式牛奶干燥控制系统的分析，可知影响干燥温度的因素有乳液流量 ，)(f1t旁路空气流量 ，和加热蒸汽流量 。选其中任意变量都可作为控制参数，均可构)(f2t )(f3t成温度控制系统。但并不是每个变
