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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第八章第八章 典型化工单元的控制方案典型化工单元的控制方案 内容提要内容提要n流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制n离心泵的自动控制方案离心泵的自动控制方案n往复泵的自动控制方案往复泵的自动控制方案n压气机的自动控制方案压气机的自动控制方案n传热设备的自动控制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冷却剂进行汽化的冷却器自动控制n精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n精馏塔的干扰因素及对自动控制的要求精馏塔的干扰因素及对自动控
2、制的要求1内容提要内容提要n精馏塔的控制方案精馏塔的控制方案n化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求n釜式反应器的温度自动控制釜式反应器的温度自动控制n固定床反应器的自动控制固定床反应器的自动控制n流化床反应器的自动控制流化床反应器的自动控制2第一节第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制n一、离心泵的自动控制方案一、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。 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
3、泵的出口阀门开度控制泵的出口阀门开度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。 第一节第一节 流体输送设备的自动控制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 控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而不应控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而不应该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。 注意注意注意注意图8-1 改变泵出口阻力调流量第一节第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制52.2.控制泵的转速控制泵的转速图8-3
4、 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。 第一节第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制63.3.3.3.控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路 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。 该该方方案案不不经经济济，因因为为旁旁路路阀阀消消耗耗一一部部
5、分分高高压压液液体体能能量量，使总的机械效率降低，故很少采用。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第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制n二、往复泵的自动控制方案二、往复泵的自动控制方案7 往往复复泵泵多用于流量较小、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 （8-1）n每分钟的往复次数F气缸面积S活塞冲程第一节第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制81.1.1.1.改变原动机的转速改变原动机的转速改变原动机的转速改变原动机的转速 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，
6、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第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制92.2.2.2.控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路 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第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制103.3.3.3.改变冲程改变冲程改变冲程改变冲程 s 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。第一节第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制n三、压气
7、机的自动控制方案三、压气机的自动控制方案11压力机的分类压力机的分类 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。 第一节第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制121.1.1.1.直接控制流量直接控制流量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
8、。 第一节第一节 流体输送设备的自动控制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第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制142.2.2.2.控制旁路流量控制旁路流量控制旁路流量控制旁路流量 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，功率损耗太大。 为了解解决决这个问题，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第一节 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制153.3.3.3.调节转速调节转速
9、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。 问问问问题题题题在于调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。 第二节第二节 传热设备的自动控制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一、两侧均无相变化的换热器控制方案181. 1. 控制载热体的流量控制载热体的流量控制载热体的流量控制载热体的流量 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第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制19传热过程中传热的速率可按
10、下式计算整理后，得移项后改写为第二节第二节 传热设备的自动控制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第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制212.2.2.2.控制载热体旁路控制载热体旁路控制载热体旁路控制载热体旁路 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
11、流量特性易发生畸变。 图8-14 用载热体旁路控制温度第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制223.3.3.3.控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量 只只只只能能能能用用用用在在在在工工工工艺艺艺艺介介介介质质质质的的的的流流流流量量量量允允允允许许许许变变变变化化化化的场合。的场合。的场合。的场合。 图8-15 用介质自身流量调温度第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制234. 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 当被加热流体的总流量
12、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第二节 传热设备的自动控制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第二节 传热设备的自动控制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
13、用下述两种控制方案。1.1.1.1.控制蒸汽流量控制蒸汽流量控制蒸汽流量控制蒸汽流量 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第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制262.2.2.2.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第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制27两种方案比较两种方案比较控制蒸
14、汽流量法控制蒸汽流量法 优点：优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。缺缺点点：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。 第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制28控制换热器的有效换热面积法控制换热器的有效换热面积法缺缺点点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。优优点点：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。 第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n三、冷却
15、剂进行汽化的冷却器自动控制三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制291.1.1.1.控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量 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第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制302.2.2.2.温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制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
16、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第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制313.3.3.3.控制汽化压力控制汽化压力控制汽化压力控制汽化压力工作原理工作原理工作原理工作原理 基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。 图8-23 用汽化压力调温度第二节第二节 传热设备的自动控制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
17、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。 第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n一、精馏塔的干扰因素及对自动控制的要求一、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 1）进料流量）进料流量F的波动的波动（）（）（2 2）进料成分）进料成分ZF的变化的变化（）（3 3）进料温度及进料热焓）进料温度及进料热焓QF的变化的变化（4 4）再再沸沸器器加加热热剂剂（如如蒸蒸汽汽）加加入入热热量量的变化的变化（5 5）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化（6 6）环境温度的变化）环境温度的变化 1.1.1
18、.1.干扰因素干扰因素干扰因素干扰因素第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制 2. 2. 2. 2.精馏塔对自动控制的要求精馏塔对自动控制的要求精馏塔对自动控制的要求精馏塔对自动控制的要求 保证质量指标保证质量指标保证质量指标保证质量指标 保证平稳操作保证平稳操作保证平稳操作保证平稳操作 约束条件约束条件约束条件约束条件34第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n三、精馏塔的控制方案三、精馏塔的控制方案351.1.1.1.精馏塔的提馏段温控精馏塔的提馏段温控精馏塔的提馏段温控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
19、称为提馏段温控提馏段温控。 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.塔顶回流量第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制36提馏段温控的主要特点与使用场合：提馏段温控的主要特点与使用场合：提馏段温控的主要特点与使用场合：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。 第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制372.2.2.2
20、.精馏塔的精馏段温控精馏塔的精馏段温控精馏塔的精馏段温控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第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制38精馏段温控的主要特点与使用场合：精馏段温控的主要特点与使用场合：精馏段温控的主要特点与使用场合：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
21、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。 第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制403.3.3.3.精馏塔的温差控制精馏塔的温差控制精馏塔的温差控制精馏塔的温差控制 采用温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：注意：注意：注意：温差与产品纯温差与产品纯温差与产品纯温差与产品纯度之间并非单值关系。度之间并非单值关系。度之间并非单值关系。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第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制414.4.4.4.按产品成分或物性的直接控制按产品成分或物性的直接控制按
22、产品成分或物性的直接控制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。第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n一、化学反应器的控制要求一、化学反应器的控制要求42(1)(1)(1)(1)质量指标质量指标质量指标质量指标 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
23、第四节 化学反应器的自动控制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。 第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制44(2)(2)(2)(2)物料平衡物料平衡物料平衡物料平衡 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)(3)(3)(3)约束条件
24、约束条件约束条件约束条件 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。 第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n二、釜式反应器的温度自动控制二、釜式反应器的温度自动控制45(1)(1)(1)(1)控制进料温度控制进料温度控制进料温度控制进料温度图8-28 改变进料温度调釜温物料经预热进入反应器物料经预热进入反应器第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制46(2)(2)(2)(2)控制传热量控制传热量控制传热量控制传热量 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温度控制
25、。 图8-29 改变加热剂或冷却剂流量调釜温第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制47(3)(3)(3)(3)串级控制串级控制串级控制串级控制为了针对反应釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。图8-30 釜温与冷剂流量串级控制示意图第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制48图8-31 釜温与夹套温度串级控制示意图图8-37 釜温与釜压串级控制示意图第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n三、固定床反应器的自动控制三、固定床反应器的自动控制49 固固定定床床反反应应器器是指催化剂床层固定于设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以生成
26、所需反应物。常见的温度控制方案有：常见的温度控制方案有：常见的温度控制方案有：常见的温度控制方案有： 控制进料浓度 控制进料温度 控制段间进入的冷气量 第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制50图8-33 改变进料浓度调反应器温度图8-34 用载热体流量调温度第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制51图17-35 用旁路调温度图17-36 用改变段间冷气量调温度第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n四、流化床反应器的自动控制四、流化床反应器的自动控制52图17-38 流化床反应器原理示意图图17-39 改变入口温度调反应器温度第四节第四节 化学
27、反应器的自动控制化学反应器的自动控制53图17-41 流化床差压指示系统图17-40 改变冷剂流量调温度例题分析例题分析 1.试判断图17-42(a)、(b)控制方案是否正确。图17-42 泵的控制方案54例题分析例题分析解解解解：要分析图17-42所示控制方案是否正确,首先必须了解离心泵和往复泵的特性。 图17-42(a)是离心泵的流量控制方案。为了控制出口流量的大小,控制阀一般应该直接装在出口管线上。这是因为离心泵吸入高度是有限的,如果控制阀装在吸入管线上,会产生压降,这样一来,进口端压力就有可能过低,因为液体气化,使泵失去排液能力,这叫气缚。或者压到出口端又急速冷凝,冲蚀厉害,这叫气蚀。
28、这两种情况都要避免发生。所以控制阀一般不应安装在离心泵的入口管线上。 55例题分析例题分析 图17-42(b)为往复泵出口流量控制方案。从往复泵的特性来看,只要转速一定,排出的流量是基本不变的。因此采用出口节流的方法来控制出口流量是不行的。56例题分析例题分析2.图17-43所示的加热器,如果两侧无相变,载热体流量很大,且进出口温差(T20-T21)很小时,采用图示温控方案是否合理?图17-43 加热器控制方案57例题分析例题分析解解解解：从分析对象(加热器)的静态特性来看，采用图示控制方案是不合理的。 设载热体流量为F2，摩尔热容为C2，冷流体流量为F1，摩尔热容为C1。为了弄清主要问题，对
29、图17-43所示加热器可忽略一些次要因素(如热损失等)，则可列出热量平衡式，即单位时间内冷流体吸收的热量等于载热体放出的热量。 58例题分析例题分析或式中 由于载热体流量F2已足够大，且进出口温差(T21-T20)已经很小，这时，靠改变F2来改变冷流体出口温度T11的静态放大系数K很小，所以控制很不灵敏。当冷流体进口流量或温度变化时，要想维持其出口温度不变，靠图17-43所示控制方案是很难做到的。59例题分析例题分析3.图17-44所示为一放热催化反应器。原料气在预热器内加热后进入反应器。反应以后的反应气作为预热器内的载热体，放出部分热量后再进入下一工序。试问上述工艺过程应该采取什么控制方案，
30、才能使生产正常运行。图17-44 反应器60例题分析例题分析解解解解：分析放热反应器的特性，可知上述生产过程不加控制是不行的。如果没有任何控制系统，一旦原料气由于某种原因温度升高时，进入催化放热反应器后，会使反应加剧，放出更多热量，出来的反应气温度也相应升高,进入预热器后，使原料气的温度进一步升高，于是反应更加剧烈，反应气出口的温度也继续升高，这样就起正反馈的作用，使反应器失去控制，催化剂损坏，以致造成事故。 为了使生产正常进行,可采用图17-45所示的温度控制系统,来切断反应器内部这一正反馈通道。61例题分析例题分析 当原料气的温度升高时,通过温度控制器减少进入预热器的载热体(反应气)流量,从而保持反应器气体入口温度不变。这里采用三通(一进二出)控制阀是因为反应器出来的反应气总量(负荷)是不允许任意改变的,当预热器需要的载热体数量减少时,另一部分反应气仍可通过旁路进入下一工序。 图17-45 反应器温度控制62
