乙炔合成反应器温度控制系统的设计

1、本科生课程设计（论文） III 目录 第 1 章 绪论.1 1.1 醋酸乙烯的发展 .1 1.2 温度控制系统的重要性 .1 第 2 章 方案论证.2 第 3 章 硬件设计.5 第 4 章 软件设计.9 4.1 温度控制系统的设计 .9 4.2 主、副调节器正反作用方式的确定 .10 4.2.1 副调节器作用方式的确定.10 4.2.2 主调节器作用方式的确定.10 第 5 章 分析参数的整定.11 5.1 控制器参数的工程整定 .11 第 6 章 结论.13 参考文献.14 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 醋酸乙烯的发展 醋酸乙烯是一种无色透明、有强烈气味的液体，是世界

2、上产量最大的 50 种化工 原料之一10。醋酸乙烯单体(VAM)是醋酸及其衍生物中最主要的初级衍生物加工产 品，也是有机合成(聚合物工艺学)中的主导型原料之一，有较高的生产制备及衍生 加工的技术经济价值：作为醋酸的再加工物，醋酸乙烯的生产状况对醋酸行业的整 体发展具有日益显著的影响作用14。醋酸乙烯主要用来生产聚乙烯醇、 醋酸乙烯 共聚物等；聚乙烯醇的主要用途是生产维纶、 纺织浆料、粘合剂、涂料、 纸张增 强剂及涂层、 产业聚合助剂等12。 在工业化的过程中，一共出现过三种合成醋酸乙烯的方法，分别是石油乙烯法、 天然气乙炔法和电石乙炔法，三种方法各有利弊，下面我将三种方法介绍如下： （1）石油

3、乙烯法 用石油裂解联产得到的乙烯，通过多管型固定床反应器，合成醋酸乙烯。这种 方法在国内采用的比较多。 （2）天然气乙炔法 四川川维公司使用的是天然气乙炔法，顾名思义，原料就是平常常见的天然气， 这种技术多用固定床反应器，也是应用比较广泛的技术。 （3）电石乙炔法 在国内，还有一种比较常见的方法，就是电石乙炔法，它是用水与电石发生反 应产生乙炔，一般采用沸腾床反应器合成醋酸乙烯，国内大概有10家公司采用此种 方法进行生产。 1.2 温度控制系统的重要性 合成醋酸乙烯的反应是醋酸与乙炔通过吸附在活性炭上的醋酸锌的而发生的。 而首先就要使乙炔在活性炭表面上产生化学吸附，这个吸附温度最低也要 160

4、 左 右，所以要使反应能够进行起码也要将温度控制在 160 以上。 随着反应温度的提高，反应速度常数也增大，触媒的活性也就提高，空间收率 也就高，但同时付产品增加，反应液质量下降。所以选用反应温度要综合各项指标， 考虑到产品质量、产量、触媒的消耗等方面因素，并根据当时的主要矛盾来确定。 一般情况下每个列之间相差 10 左右能最大发挥触媒的作用。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 方案论证 被控变量的选择原则： 从间接标准参数的方面考虑，这个参数需要有充足的灵活性，这样才能更细 致的反应产品的质量程度。 在直接标准参数的选择上，作为首选的应该是质量标准参数。 当没有直接参数作为被控变量时，

5、我们可以选择一个和主要参数有直接对应 关系的间接标准参数作为参考和被控变量。 除了需要考虑被控变量的参数外，我们还需要综合考虑工艺的可实施性以及 国内外的生产水平及状况。 操作变量的选择原则： 作为控制变量，最基础和重要的一点就是变量具有可控性。 当扰动通道的放大倍数是一定时，我们选择的变量最好应该是通道放大倍数 中比较大的参数。 选择较小的控制时间通道参数有助于操作变量的记录，而比较大的扰动通道 时间参数也可以达到此目的。 选择较小的通道纯滞后时间。 还有一点需要注意的就是干扰点的选择接近控制阀，远离被控参数， 同样，除此之外，还需考虑工艺的可实施性以及生产水平。 控制阀的选择： 开闭形式的

6、选择。 口径大小的选择。 流量特性的选择。 结构形式的选择。 控制阀开闭形式的选择原则： 合成工段选用的为气动薄膜调节阀，控制阀接收电气转换器传来的信号，压力 与控制阀的开度成正相关，两者同时增大或减小，这种情况称为气开阀。同理，当 压力与控制阀的开度成负相关，则为气闭阀。当具体给定系统情况时，选择哪种形 式的控制阀，没有固定的模式，要根据具体的工艺流程及要求来考虑。一般来说， 要根据以下几条原则进行选择： 安全生产为第一要素。 在安全的基础上，要尽量提高质量水平。 降低成本，节省资源也需要考虑在内。 从实际出发，具体情况具体分析。 本科生课程设计（论文） 3 方案一： 利用简单控制系统来控制

7、过程温度。简单控制系统是指由一个测量元件及变送 器、一个控制器、一个调节阀和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制 的单闭环反馈控制系统。 单回路控制系统是最基本的控制系统，由于其结构简单，投资少，易于调整， 操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用十分广泛。 调节器被控对象 变送器 图 2.1 单回路调节 如图 2.1 所示为单回路调节，简单控制系统中的单回路控制系统来控制反应器 中的温度，单回路只有一个被控对象，结构简单投资少，调整方便，但由于此系统 要求较高，只用单回路控制系统无法精确控制反应器中的温度。 方案： 利用用串级控制系统来控制过程温度。 串级控制系统由于引

8、入副回路，使系统控制品质相对于但回路控制系统显著提 高。在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节 器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行 器动作，实现对主参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回 路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的 范围之内。 由于串级控制系统可以调节两个参数，可以把反应器中的温度做为主控制对象， 换热器中的温度作为副控制对象，由于主副各形成闭合回路，能使系统的精度大大 提高，若是利用单回路控制系统，虽然投资少，调整方便，但不能精确调整到要求 温度，而串级控制系统

9、虽然复杂，却可以利用它的优点，满足工业上很多要求。 当工业要求很高的时候，利用简单控制系统并不能满足工业要求，就可以有比 较复杂的串级控制系统。串级控制系统有很多优点：1.可用于容量滞后较大的过程 2.可用于纯滞后较大的过程。3.可应用于烦扰幅度大的过程。4.可应用于非线性过程， 醋酸、乙炔混合的一部分气体要通过换热器才能进入反应器中，但换热器有很大的 非线性，若是利用单回路控制系统，只可以通过改变调节器的整定参数来保证系统 的衰减率，但负荷变化随时反生，仅靠改变调节器的整定参数来适应此种情况是不 本科生课程设计（论文） 4 可行的。这时就可以用串级控制系统来消除非线性，由于它能根据负荷的变化

10、，自 动调整副调节器的设定值，使系统运行在新的工作点，最终使主被控参数保持平稳， 从而满足工艺要求。 醋酸装置的乙炔合成反应器，期中部温度是生产过程中的重要参数，为了保证 和恒气质量，工艺要求对它进行严格控制，由于在它的控制通道中，包括了一个换 热器和一个合成反应器，而这个换热器具有明显的非线性，所以使整个过程特性随 着负荷的变化而变化，具有较大的非线性。若采用但回路控制系统，当负荷变化大 时，为了保持系统原有衰减率不变，则必须不断相应地改变调节器的比例放大系数， 然而，这是不可能的。若采用串级控制，则选取反应器中部温度为主参数，换热器 出口温度为副参数。在副回路总包括了过程特性随负荷变化而变

11、化的那一部分。由 于串级控制系统的副回路对于负荷变化具有一定的自适应能力，负荷变化所引起副 回路特性的改变，会导致副回路衰减率发生变化，使副参数波动大一些，但是，此 时主调节器的输出会重新调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，所以对 整个系统的衰减率影响不大。实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持 平稳，达到生产工艺要求。 副调节器调节阀管壁反应 器 温度变送器 2 温度变送器 1 主调节器 图 2.1 醋酸乙烯合成反应器中温控制系统方框图 如图 2.1 所示，为根据方案二所设计的方框图，反应器中部温度为主被控量， 混合气体经换热后和没经过换热器的混合气体再次混合后的温度为副被控

12、量。两个 被控量分别通过两个变送器送到控制器中，在空过控制器对两个调节阀进行控制， 从而使反应器中的温度达到平衡。 本科生课程设计（论文） 5 第 3 章 硬件设计 3.1 合成反应器中温控制系统 （1）合成是乙炔和醋酸发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，醋酸乙烯的浓度要 求非常高，达到 99.9%以上。为保证合成气的质量，工艺要求对反应器反应温度进 行控制。合成反应器的中温要求 150 摄氏度。 （2）合成反应的简单工艺过程为乙炔气和醋酸气在混合器中混合后，分别经冷 路和有预热器加热的热路合成一定温度的混和气体热气体后，进入醋酸乙烯合成反 应器（沸腾床），在一定温度条件下，在以活性炭为载体的醋酸

13、锌的作用下，进行 合成化学反应。但在反应器反应温度控制系统的控制通道中包含了两个具有非线性 的热交换器，因而使整个对象的特性随负荷的变化而变化，采用单回路控制系统已 不能满足控制要求，为此，在热交换器的出口设置了一个温度监测点，并以他为副 变量组成一个温度与温度的串级控制系统。在串级控制系统方案中，由于热交换器 这个具有非线性特性的环节包含在副回路中，负荷的变化所引起的对象影响就被副 回路所克服，因此对主回路的影响就很小了。本系统采用串级回路控制，它能有效 的提高控制效率，完善单一控制不能全面控制的缺点，串级控制系统就是将两个单 回路控制系统以适当的方式整合为一个控制系统。它与单回路控制最大的

14、不同点是 其对控制的精密程度有了很大的提高，它所谓的“串级”是在结构上副回路的数量 有所增加，当存在干扰时，它具有保持稳定的性能。在工作性能方面，其有如下优 点： 对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 改善了控制系统的动态特性，提高了工作效率。 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。 （3）反应温度的控制是通过反应器入口的混合气的温度来控制的，即反应温度 有所上升时，则通过降低入口气体温度的方法来控制，可以通过调节第一预热加热 器的蒸汽量来调节，但由于传热滞后比较大，调节不灵敏，故增设了一套正逆阀装 置来调节反应器入口温度，混合气体从气体混合槽出来后分成两路，一路不加热， 称为冷路，另

15、一路经加热器，称为热路，在冷热路上各加一调节阀，用调节阀来调 节冷热路混合比例，就很容易调节反应器入口温度，也就比较容易调节反应器中温。 正逆阀有一个信号指挥，一个开，另一个就关，两开度加起来为100%。 主被控变量：合成反应器中温 本科生课程设计（论文） 6 副被控变量：热交换器的出口温度 操纵变量：冷热路气体混合比例 冷路控制阀：气闭阀 热路控制阀：气开阀 主控制器：反作用 副控制器：反作用 温度控制系统的硬件组成由控制器、变送器、执行器，根据图图 3.1 的结构图 所示，串级温度控制系统需要两个控制器（TC） ，两个变送器（TT）和两个执行器， 几个部分组合在一起便可组成一个对反应器和换

16、热器可控的温度控制系统。 图 2.1 系统结构图 元件选择： 1.变送器的选择 温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要 用于工业过程温度参数的测量和控制。 带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是 热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于 工业用热电阻 和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称 为变送器） ，有些变送器增加了显示单元，有些还具有 现场总线功能。 智能温度变送器是采用微处理器技术的新型现场变送类仪表，其精度，功能， 可靠性均比模拟变送器优越。它可输出模拟、数字混合信号或全数字信号

17、，而且 可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控 制系统。 本设计的温度控制系统中选用了 ST3000 温度变送器。 ST3000 温度变送器 是一种智能型两线制变送仪表。它将输入温度先好线性地转换成420mA 的直 流电流输出，同时也可输出符合 HART 协议的数字信号。该变送器能配接多种 合成气 换热器 换热器 TC1 TC2 T1T T 本科生课程设计（论文） 7 标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。仪表基本误差为0.1%。配合 PT100 的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控 制器就能准确的来调节阀门的开度。 2.控制器的

18、选择 控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控 制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。本文选择 ST-801S-96 温度控制 器，供电电压： AC / DC 85264V。以下为次控制器特点： 1 测量控制范围：温度 0120 显示精度 0.1 （ 100 ）检测精度： 0.5。 2 参数设置： 控制值：全量程 0100 回差：温度 130 传感器误差修正： 温度-50150 。显示方式：三位 LED 数码管显示，1 位小数。 3 加热控制：启动：温度设定温度（下限） ； 停止：温度设定温度（下限） 温度回差。 ； 4 风扇控制：启动：温度设定温度（上限）

19、； 停止：温度设定温度（上限） 温度回差。功率消耗： 5W。 5 负载继电器输出容量：AC220V /5A（阻性负载时）ST-801S- 96 型 二路 ST-802S- 96 型 四路 ST-803S- 96 型 六路 。 6 报警继电器触头容量：AC220V / 5A（阻性负载时）一路。 7 外形尺寸： 控制器 9696125mm 传感器 758028.5mm 安装方式：嵌入 式安装：在安装面板上开 91+0.591+0.5mm 孔，用安装支架将控制器固定在面板 上。 3.执行器的选择 自动控制系统里的执行器是指接受某种信号的控制，对外输出机械力或转矩的 装置。它不仅能驱动阀门的开闭，也可

20、以用来驱动其他需要力或位移的对象，是人 工远方控制的终端，也是自动调节系统和被调对象间的一个接口。其设计或选型的 正确与否直接影响控制或调节的效果。 电动执行器电动执行器，又称为电动执行机构。它是一种能提供直线或旋转运 动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。 本设计选择 ZKJ-210 电动执行器，工作原理 ：ZKJ 系列电动执行机构是工业过 程测量和控制系统的终端控制装置，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位 移、直线位移，控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统规定 状态工作。电动执行机构按控制方式分为比例和积分式。比例式执行机构由电动伺 服放大器和

21、积分式执行机构组成，它能够将系统的控制信号与关于输出轴位置的反 馈信号加以比较（闭环控制）以改变输出轴的行程，使之与输出信号成比例关系。 积分式执行机构由伺服电机、减速器及位置发送器组成，它能够与电动操作器配合 本科生课程设计（论文） 8 对阀门或其它调节机构实现远方操作。 主要技术参数 ZKJ 系列电动执行机构按照中华人民共和国国家标准 GB11922-89工业过程测量和 控制系统用电动执行机构的规定制造。 1. 输入信号:电子式:4-20mA DC 或 0-10mA DC,普通式:开关量 2. 输入通道电阻:250 欧姆 或 200 欧姆 3. 输入通道个数:普通型配放大器 3 个，电子式

22、 1 个。 4. 基本误差: 2.5%。 5. 回差: 1.5%。 6. 死区:3%。 7. 阻尼特性: 3 次半周期。 8. 电源电压:220V 或 380V ，50Hz。 9. 工作环境: 温度: -10 0 C - +55 0 C ，湿度 : 95%,周围空气不含有腐蚀性质。 如图 2.1 所示，一个控制器控制两个调节阀，这个控制就是控制信号的分段 即分程控制，在分成控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的， 调节器输出信号需要分成几个区段，本设计就是控制器控制两个调节阀，当反应器 中部温度达到反应温度时，化学反应开始，并不断有反应热产生，为了防止物料温 度过高引起事故，此时应使

23、调节器输出信号关闭进入换热器的阀门，同时控制冷却 气体的阀门打开，向反应器夹套加入冷却气体，使反应器温度保持在生产工艺要求 的范围。 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 软件设计 4.1 温度控制系统的设计 温度控制系统可以有多种设计方案，有基于单片机的，基于 PLC 的，还有基于 计算机和仪表的，本文利用温度仪表开做控制器。 在上述温控实例中, 器件工作时产生的热量将使器件本身工作温度升高, 最后达 到很高的基本稳定的温度。较高的温度将严重影响器件的各种性能参数, 也很可能 导致器件不能正常工作, 甚至损坏。温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定 的精度稳定在一个较低的水平上, 这样一

24、来就要求根据器件工作时的实际情况(如产 热量大小等) 采取一定的措施,随时将产生的热量即时散掉, 并且要求器件在单位时 间里产生的热量等于控制器在单位时间里吸收的热量, 若两者达到动态平衡, 则可以 保持器件工作温度的稳定。 在一定的控制系统中, 首先将需要控制的温度由传感器转换成一定的信号后再与 预先设定的值进行比较, 把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的 控制值, 将控制量送给控制系统进行相应的控制, 不停地进行上述工作, 从而达到自 动调节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时, 比较成熟且广泛使用的控 制方法是采用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法, 即

25、 PID 法, 其控制规律的数学模型为: 10 I P0 T 1 KV V dt de Tedte d 其中: K P 为比例系数; e 为差值信号；Ti 为积分常数; Td 为微分常数; V0、V0-1 为当时及前一时刻的控制量。 实现 PID 控制原理的具体方法因系统的不同而不同。在我们的系统中, 采用了 增量式计算方法, 而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中, 其控制规律的数学模型演化为: )()( 211100 iii d i I iiP eee T T e T T eeKUU 本科生课程设计（论文） 10 其中: T 为采集周期; ei、ei-1、ei-2 为此时

26、刻、前一时刻、再前一时刻的差值信 号。 这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号, 同时输出控制量的初始 设定值不必准确, 就能较快地进入稳定控制过程。 4.2 主、副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系有两个 回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。 4.2.1 副调节器作用方式的确定 出于生产工艺安全考虑，换热器调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故 障使调节阀损坏而处于全关状态，防止换热器内气体进入反应器，确保设备安全， 调节阀的 KV0。然后确定副被控过程的 K02，当调节阀开度正大，通过换热器的 气体

27、增大，反应器内温度上升，所以 K020。最后确定副调节器，为保证副回路是 负反馈，各环节放大洗漱乘机必须为真，所以副调节器大于，副调节器作用方式为 反作用方式。 4.2.2 主调节器作用方式的确定 当反应器中部温度升高， ，主被控过程 K010。为保证主回路为负反馈，各环节 放大系数乘机必须为正，所以副调节器的放大洗漱 K10，主调节器作用方式为反作 用方式。 从反应器安全角度考虑，调节阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断， 阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用凡是。 反之，为负作用方式，温度亦增加是正作用方式。测量变送单元作用方式均为正。 本科生课程设计（论

28、文） 11 第 5 章 分析参数的整定 5.1 控制器参数的工程整定 图 5.1 仿真调试 串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要三种。两步整定法、逐步逼近 法和一步整定法。 1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的 方法叫做两步整定法。 2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般 单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、 副回路最佳整定的一种方法。 我们是用稳定边界法来整定串级控制系统的参数。 上图为在过控实验室做的仿真调试结果，利用稳定边界法来整定参数

29、，首先取 本科生课程设计（论文） 12 Ti=，Td=0，根据广义对象他特性选择一个较大的比例度 P 值，并在工况稳定的情 况下，将控制系统投入自动状态。 然后等系统运行稳定后，对设定值施加一个节约绕懂，并减小 P，知道系统出 现等幅震荡临界震荡过程。记录下此时的 PM（临界比例度）和系统等幅震荡的 周期 TM。 最后根据所记录的 PM和 TM，按表做设定值的经验公式计算调节器的整定参数 P、Ti 和 Td，并按计算结果设置调节器参数，再在哦设定值扰动试验，观察过渡过 程曲线。 稳定边界法经验的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于临 界放大倍数 KM的一半。 表 5.1 稳定边界法整定参数计算表 整定参数 调节规律 P(%)TiTd P2PM PI2.2PM0.85TM PID1.7PM0.50 TM0.125 TM 根据上章公式得，PID 的主要参数是 KP、Ti 及 Td。其选择方法是: 首先根据 控制系统的特性确定 KP的极性。在本文中，其极性应为负，而不是的正极性；并且 实验发现， 本系统虽然属于具有延迟效应的温度控制系统，但 Kp 不能选择过大， 否则将不稳定。其次， Ti 及 Td 的选择相对而言就