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1、化工仪表及自动化,第八章 典型化工单元的控制方案,内容提要,流体输送设备的自动控制 离心泵的自动控制方案 往复泵的自动控制方案 压气机的自动控制方案 传热设备的自动控制 两侧均无相变化的换热器控制方案 载热体进行冷凝的加热器自动控制 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 精馏塔的自动控制 精馏塔的干扰因素及对自动控制的要求,1,内容提要,精馏塔的控制方案 化学反应器的自动控制 化学反应器的控制要求 釜式反应器的温度自动控制 固定床反应器的自动控制 流化床反应器的自动控制,2,第一节 流体输送设备的自动控制,一、离心泵的自动控制方案,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。,
2、离心泵的流量控制大体的三种方法,1. 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。,第一节 流体输送设备的自动控制,4,图8-2 泵的流量特性曲线与管路特性曲线,图8-1 改变泵出口阻力调流量,第一节 流体输送设备的自动控制,5,2.控制泵的转速,图8-3 改变泵的转速调流量,图8-3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。,第一节
3、 流体输送设备的自动控制,6,3.控制泵的出口旁路,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。,图8-4 改变旁路阀调流量,第一节 流体输送设备的自动控制,二、往复泵的自动控制方案,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。,n每分钟的往复次数,F气缸面积 S活塞冲程,第一节 流体输送设备的自动控制,8,1.改变原动机的转速,该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此
4、时，可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速。,图8-5 改变转速的方案,第一节 流体输送设备的自动控制,9,2.控制泵的出口旁路,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。,图8-6 改变旁路流量,第一节 流体输送设备的自动控制,10,3.改变冲程 s,图8-7 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。,第一节 流体输送设备的自动控制,三、压气机的自动控制方案,11,压力机的分类,其作用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。,第一节 流体输送设
5、备的自动控制,12,1.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。,第一节 流体输送设备的自动控制,13,图8-9 分程阀的特性,图8-8 分程控制方案,出口流量控制器控制吸入阀和旁路阀,第一节 流体输送设备的自动控制,14,2.控制旁路流量,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
6、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。,图8-10 控制压缩机旁路方案,第一节 流体输送设备的自动控制,15,3.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。 问题在于调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。,第二节 传热设备的自动控制,一、两侧均无相变化的换热器控制方案,18,1. 控制载热体的流量,图8-12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,图8-12 改变载热体流量控制温度,第二节 传热设
7、备的自动控制,19,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,第二节 传热设备的自动控制,20,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。,图8-13 换热器串级控制系统,第二节 传热设备的自动控制,21,2.控制载热体旁路,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。,图8-14 用载热体旁
8、路控制温度,第二节 传热设备的自动控制,22,3.控制被加热流体自身流量,只能用在工艺介质的流量允许变化的场合。,图8-15 用介质自身流量调温度,第二节 传热设备的自动控制,23,4. 控制被加热流体自身流量的旁路,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。,图8-16 用介质旁路调温度,第二节 传热设备的自动控制,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制,24,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
9、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,第二节 传热设备的自动控制,25,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。,1.控制蒸汽流量,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。,图8-17 用蒸汽流量调温度,第二节 传热设备的自动控制,26,2.控制换热器的有效换热面积,图8-18 用凝液排出量调温度,图8-19 温度-液位串级系统,图8-20 温度-流量串级系统,第二节 传热设备的自动控制,27,两种方案比较,控制蒸汽流量
10、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。,第二节 传热设备的自动控制,28,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。,第二节 传热设备的自动控制,三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制,29,1.控制冷却剂的流量,该方案不以液位为操纵变量，但液位不能过高，过高
11、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。,图8-25 用冷却剂流量控制温度,第二节 传热设备的自动控制,30,2.温度与液位的串级控制,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。,图8-22 温度-液位串级控制,第二节 传热设备的自动控制,31,3.控制汽化压力,图8-23 用汽化压力调温度,第二节 传热设备的自动控制,32,这种方案控制作用迅速，只要汽化压力稍有变化，就
12、能很快影响汽化温度，达到控制工艺介质出口温度的目的。但是由于控制阀安装在气氨出口管道上，故要求氨冷器要耐压，并且当气氨压力由于整个制冷系统的统一要求不能随意加以控制时，这个方案就不能采用了。,第三节 精馏塔的自动控制,一、精馏塔的干扰因素及对自动控制的要求,33,图8-24 精馏塔的物料流程图,（1）进料流量F的波动（） （2）进料成分ZF的变化（） （3）进料温度及进料热焓QF的变化 （4）再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量的变化 （5）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化 （6）环境温度的变化,1.干扰因素,第三节 精馏塔的自动控制,2.精馏塔对自动控制的要求,保证质量指标 保证平稳操作 约束条件,
13、34,第三节 精馏塔的自动控制,三、精馏塔的控制方案,35,1.精馏塔的提馏段温控,如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。,图8-25 提馏段温控的控制方案示意图,五个辅助控制系统,1.塔底采出量 2.塔顶流出液 3.进料量 4.塔顶压力 5.塔顶回流量,第三节 精馏塔的自动控制,36,提馏段温控的主要特点与使用场合：,（1）采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。 （2）当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就比较及时，动态过程也比较快。,第三
14、节 精馏塔的自动控制,37,2.精馏塔的精馏段温控,如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控。,图8-26 精馏段温控的控制方案示意图,五个辅助控制系统,1.进料量 2.塔顶压力 3.塔底采出量 4.塔顶流出液 5.再沸器的热量,第三节 精馏塔的自动控制,38,精馏段温控的主要特点与使用场合：, 采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要求比塔底严格时，一般宜采用精馏段温控方案。 如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。,第三节 精馏塔的自动控制,40,3.精馏塔的温差控制,采用温
15、差作为衡量质量指标的间接变量，是为了消除塔压波动对产品质量的影响。,图8-27 T-X曲线,注意：温差与产品纯度之间并非单值关系。,温差和塔底轻组分浓度间的关系,第三节 精馏塔的自动控制,41,4.按产品成分或物性的直接控制,能利用成分分析器，例如红外分析器、色谱仪、密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等，分析出塔顶（或塔底）的产品成分并作为被控变量，用回流量（或再沸器加热量）作为控制手段组成成分控制系统，就可实现按产品成分的直接指标控制。,第四节 化学反应器的自动控制,一、化学反应器的控制要求,42,(1)质量指标,化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成物的规定浓度。,如聚合釜出口温
16、差控制与转化率的关系为,y-转化率,转化率和进出料的温差成正比，通过控制温差来控制转化率,第四节 化学反应器的自动控制,43,以温度、压力等工艺变量作为间接控制指标，有时并不能保证质量稳定。 当有干扰作用时，转化率和反应生成物组分等仍会受到影响。 特别是在有些反应中，温度、压力等工艺变量与生成物组分间不完全是单值对应关系，这就需要不断地根据工况变化去改变温度控制系统的给定值。 在有催化剂的反应器中，由于催化剂的活性变化，温度给定值也要随之改变。,第四节 化学反应器的自动控制,44,(2)物料平衡,为使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种物料量恒定，配比符合要求。,(3)约束条件,对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，应当配备一些报警、联锁装置或设置取代控制系统。,第四节 化学反应器的自动控制,二、釜式反应器的温度自动控制,45,(1)控制进料温度,图8-28 改变进料温度调釜温,物料经预热进入反应器,第四节 化学反应器的自动控制,46,(2)控制传热量,由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现
