典型化工单元的控制

1、化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化第十一章第十一章 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 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n离心泵的控制方案离心泵的控制方案n往复泵的控制方案往复泵的控制方案离心式压缩机的防喘振控制离心式压缩机的防喘振控制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工艺要求工艺要求1内容提要内容

2、提要n精馏塔的干扰因素精馏塔的干扰因素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n 升化过程的控制升化过程的控制n常用生化过程控制常用生化过程控制n青霉素发酵过程控制青霉素发酵过程控制n啤酒发酵过程控制啤酒发酵过程控制2第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n 一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案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

3、数值上。 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 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案4图11-1 改变泵出口阻力控制流量图11-2 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）。 第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案52.2.控制泵的转速控制泵的转速图11-3 改变泵的转速控制流量 图11-3中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、

4、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 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案6图11-4 改变旁路阀控制流量 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。 第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n 二、往复泵的控制方案二、往复泵的控制方案

5、7 往复泵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。 往复泵提供的理论流量可按下式计算 h/m603nFsQ 理（11-1）第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案8图11-5 改变转速的方案 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速，进而控制往复泵的出口流量。 第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案9图11-6 改变旁路流量 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。 第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案10图11-7 往

6、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 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n 三、离心式压缩机的防喘振控制三、离心式压缩机的防喘振控制16图11-11 离心式压缩机特性曲线图11-12 喘振现象示意图第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案17是出现压缩机工作点这种反复迅速突变这一现象时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷，机身发生振动并波及到相连的管线，表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。 喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送

7、气体的吸入状态，也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲，吸入气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。 第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案（1 1）固定极限流量法）固定极限流量法 对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流量QB，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QPQB。 图11-13 防喘振旁路控制18第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案图11-14 防喘振曲线 图11-14上的喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机特性曲线的最高点的连线。只要压缩机的工作点在喘振极限线的右侧，就可以避免喘振发生。 19第一

8、节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案12112TbQapp12112TbQapp安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式表示 （11-2）在时，工况是安全的。经过换算，上述不等式可写成如下形式1221appbkrp20（11-3）第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案21图11-15 变极限流量防喘振控制方案 该方案控制器FC的给定值是经过运算得到的，因此能根据压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量的给定值，而且由于这种方案将运算部分放在闭合回路之外，因此可像单回路流量控制系统那样整定控制器参数。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

9、、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22图11-16 改变载热体流量控制温度 图11-16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12222111ttcGTTcGQ第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制mtKFQmtKFttcG122223传热过程中传热的速率可按下式计算1222tcGtKFtm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24图11-17 换热器串级控制系统 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

10、量的串级控制系统。 第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制25图11-18 用载热体旁路控制温度 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。 第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制26图11-19 用介质自身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27图11-20 用介质旁路控制温度 当被加热流体的总流量不允许控制

11、，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。 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21211GttcGQ28 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mtKFGQ2第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制29 当被加热介质的出口温度t2为被控变量时，常采

12、用下述两种控制方案。图11-21 用蒸汽流量控制温度 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。 第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制30图11-22 用凝液排出量控制温度图11-23 温度-液位串级控制系统图11-24 温度-流量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31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。缺点：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

13、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32控制换热器的有效换热面积法缺点：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：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33图11-25 用冷却剂流量控制温度 该方案不以液位为被控变量，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。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制34图11-26 温度-液位串级控制 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。 第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的