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1、-目 录一.概述2-6页1.1化学反响器的根本介绍 2-3页1.2夹套式反响器的控制要求3 页1.3夹套式反响器的扰动变量3-4页1.4根本动态程式4-6页二控制系统案确实定6-7页三控制系统设计7-18页 3.1被控变量和控制变量的选择7-8页 3.2主、副回路的设计8-9页 3.3现场仪表选型9-12页 3.4主、副控制器正反作用选择12-13页 3.5控制系统框图13页 3.6分析被控对象特性及控制算法的选择13-14页 3.7控制系统整定及参数整定14-18页四课程设计总结18页五完毕语18页六参考文献19页一概述1.1 化学反响器的根本介绍反响器或称反响釜是化工生产中常用的典型设备，
2、种类很多。化学反响器在构造、物料流程、反响机理、传热、传质等面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控案差异也比较大。化学反响器可以按进出物料状况、流程的进展式、构造形式、传热情况四个面分类：一、按反响器进出物料状况可分为间歇式和连续式反响器通常将半连续和间歇生产式称为间歇生产过程。间歇式反响器是将反响物料分次获一次参加反响器中，经过一定反响时间后取出反响中所有的物料，然后重新加料在进展反响。间歇式反响器通常适用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品的生产，这类生产反响时间长活对反响过程的反响温度有格程序要求。连续反响器则是物料连续参加，化学反响连续不断地进展，产品不断的取出，是工
3、业生产最常用的一种。一些大型的、根本化工产品的反响器都采用连续的形式。二、从物料流程的进展式可分为单程与循环两类物料在通过反响器后不再进展循环的流程称为单程，当反响的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。如果反响速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反响器转化不完全，则必须在产品进展别离后，把没有反响的物料与新鲜物料混合后，再送送入反响器进展反响。这种流程称为循环流程。三、从反响器构造形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反响器等。四、从传热情况可分为绝热式反响器和非绝热式反响器。绝热式反响器与外界不进展热量交换，非绝热式反响器与外界进展热量交换。一般当反响过程的热效应大时，
4、必须对反响器进展换热，其换热式有夹套式、蛇管式、列管式等。如今用的最广泛的是夹套传热式，且采用最普通的夹套构造居多。随着化学工业的开展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反响设备的大型化。也大大促进了夹套反响器的反展。夹套式反响器是一类重要的化工生产设备，由于化学反响过程伴有多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反响器操作一般都比较复杂，夹套反响器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和平安生产。化工生产过程通常可划分为前处理、化学反响及后处理三个工序。前处理工序为化学反响做准备，后处理工序用于别离和精制反响产物，而化学反响工序通常是整个生产
5、过程的关键，因此在化学反响工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。设计夹套式反响器的控制案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个面考虑假设在本反响器中反响物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反响物。1.2 夹套式反响器的控制要求1.2.1质量指标夹套式反响器的质量指标一般是反响转化率或反响生成物的浓度。转化率是直接质量指标，如果转化率不能直接测量可选取与它相关的变量来计算间接反映出转化率的大小。如出口温度与转化率的关系为：式中y是转化率，、分别是进料温度和出料温度，是进料重度，C是物料的比热容，是进料浓度，H是单位质量进料的反响热。因为成分分析仪表价格高，维护困难等原因。通常采用温度
6、作为间接质量指标，有时辅以夹套式反响器的压力和处理量流量等控制系统，满足夹套式反响器正常操作的控制要求。1.2.2物料平衡和能量平衡为使反响正常操作，反响转化率高，需要保持进入夹套式反响器各种物料量份额或物料的配比符合要求。为此对进入夹套式反响器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此外局部物料循环的反响的过程中为保持原料的浓度和物料平衡需设置辅助控制系统。由于反响过程有热效应，因此应该设置相应的热量平衡控制系统。能量平衡控制要保持化学反响器的热量平衡。应使进入反响器的热量与流出的热量及反响生成热之间相互平衡。能量平衡控制对化学反响器来说是重要的，它关系到平安生产，也间接的保证了化学反响器的产
7、品质量到达了生产工艺要求。约束条件约束条件防止夹套式反响器的过程变量进入危险工作区或不正常工况。必须设置相应的参数反响到控制系统中。假设本设计是在一般条件下的反响器装置，没有爆炸危险，因此只涉及了反响液液位报警系统，在反响器反响液液位过高或过低时系统将发出报警信号。1.3夹套式反响器的扰动变量夹套式反响器的扰动变量有进料口反响液的流量、出料口生成液的流量、夹套中冷水的流量、冷却水温度变化、反响器压力等多个扰动变量，其中冷却水温度的变化是主要扰动。这些扰动变量有可控的和不可控的。当扰动变量作用下反响转化率或反响生成物组分与温度、压力等参数之间不出现单值函数关系时，需要根据工况变化补偿温度控制系统
8、的给定值。1.4 夹套式反响器动态数学模型绝大局部被控工业对象都是具有稳定性，是一个开环稳定的对象。通常，化学反响过程伴有强烈的热效应。有的是吸热，也有的是放热。然而本反响器的反响设置为放热反响。对于具有放热效应的对象，因外干扰式反响器温度升高，随着反响速度的加快，释放的热量也迅速增多，最终导致温度不断上升。因此对于这种具有正负反响性质的放热器，在外扰作用下，温度的变化将向两个极端向开展：一种是温度一直上升，最终使反响器急速终了；另一种是假设外扰先引起反响器温度下降，则温度不断下降，直到反响停顿。不少高分子聚合过程的情况就是如此，遂于这样的放热反响过程，如果没有适当的换热促使，将是一个开环不稳
9、定的对象。化学反响过程涉及物料、能量平衡、反响动力学等，利用动态数学模型可以更好的了解这些量的物理意义。以夹套式液相反响器为例，来说明反响器鼓励模型的建模思路。其中夹套式液相反响器装置如图1-1所示：图1-1 夹套式反响器 根本动态程式1根本假设两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度一样；传热系数U和比热Ca、Cb恒定不变；管壁热容忽略不计；外部绝热良好，即不考虑热损失。2系统根本程式的建立对管流体A列写微元d的热量衡算式：式中：同理可得外管流体B的热量衡算式：式中：2偏微分程的求解：在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式
10、精馏塔和吸收塔、管式和固定床式反响器等都属于分布参数对象，它们的动态程为偏微分程。偏微分程的求解法主要有传递函数法、分段集总化处理法、正交配置法和数值解法。对于较简单的自变量不大于两个，线性定常偏微分程，一般可以通过传递函数法求解。首先进展由时间域t到复域S的拉氏变换，在TA、TB取增量形式时，初始条件为0，由式可得：进展由距离域到复域的拉氏变换，边界条件如下：令AP=(1-2)2+4a1a2，则式(4.42)右端分母可写为：TA0对TA1 、TB1的传递函数,以及TB0对TA1 、TB1的传递函数可以表示成矩阵的形式： 模型的简化：有上式整理得被控对象传函为： ;二 控制系统案确定串级控制系
11、统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。它的主要特点是如下：1能迅速抑制进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力；2改善除主控制器以外的广义对象特性，使系统的工作频率提高；3串级系统可以消除副过程的非线性特性和忧郁调节阀流量特性不适合而造成的对控制质量的影响；4串级控制系统可以兼顾两个变量，更准确控制操作变量；5串级控制系统可以实现灵活的控制式，必要死可切除副调节器。根据设计题目为夹套式反响器温度串级控制控制系统设计，假设该反响器用于常态常压反响，因此选择控制案为夹套式反响器反响温度与夹套水温度构成的T-T串级控制案。图2-1 串级系统
12、控制流程图如图2-1所示；被控过程有三个热容器：即夹套中的冷却水、反响器壁和反响器中的物料。由于从干扰引起反响温度下降，到调节阀动作时温度升高，其间需要经过三个热容过程。控制通道的时间常数和容量滞后较大，最终使调节不及时而出现较大的偏差。图中控制器用于抑制干扰对夹套水温度的影响通过稳定夹套水温度来及时抑制干扰对反响温度产生的影响。但是控制器不能抑制干扰对的影响.因而也就不能保证符合工艺要求。为此要根据反响器的情况，适当改变的设定值。以确定夹套水温度能使稳定在工艺要求的数值上，即有控制器根据与的偏差来自动改变的设定值。三控制系统设计3.1 被控变量和控制变量的选择3.1.1 被控变量的选择 1主
13、被控变量的选择根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。夹套式反响器的工艺指标主要是反响器温度，利用反响器温度来衡量反响物之间反映的充分情况。因此，假设要反映工艺指标，夹套式反响器反响温度必须是T-T串级控制系统的主被控变量。2副被控变量的选择从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地抑制它，起到超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，吧对主变量影响最重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。同时冷却水温度变化是主要扰动，包括水温变化、水量变
14、化等多的扰动。因此采用夹套水温度作为副被控变量。这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。3.1.2控制变量的选择 控制变量是在系统中加以控制的变量。除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。在夹套式反响器中反响温度和夹套水温度构成的T-T串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取冷却水流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。3.2 主、副回路的设计3.2.1主回路的设计串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的设计原则进展。因此主回路应包括主要的质量指标等标准。因此确定了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能组成主回路。由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统主回路。如图3-1所示；图3-1 串级控制系统主回路3.2.2副回路的设计副回路可看作是一种新的动态环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。从构造上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如从整个对象中选取一局部作为父对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如选择福参数。首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反响灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。由此86-99可设
