化工仪表及自动化第11章典型化工单元的控制方案ppt课件

1、化工仪表及自动化第十一章 典型化工单元的控制方案 内容提要流体保送设备的控制方案离心泵的控制方案往复泵的控制方案压气机的控制方案离心式紧缩机的防喘振控制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展冷凝的加热器自动控制冷却剂进展汽化的冷却器自动控制精馏塔的自动控制工艺要求1内容提要精馏塔的干扰要素精馏塔的控制方案化学反响器的自动控制化学反响器的控制要求釜式反响器的温度自动控制固定床反响器的自动控制流化床反响器的自动控制升化过程的控制常用生化过程控制青霉素发酵过程控制啤酒发酵过程控制2第一节 流体保送设备的控制方案一、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

2、一给定的数值上。 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 流体保送设备的控制方案4图11-1 改动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 控制阀普通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。 留意第一节 流体保送设备的控制方案52.控制泵的转速图11-3 改动泵的转速控制流量 图11-3中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1n2n3。 该方案从能量耗费的角度来衡量最为经济，机械效率较高，但

3、调速机构普通较复杂，所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场所，此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。 第一节 流体保送设备的控制方案63.控制泵的出口旁路图11-4 改动旁路阀控制流量 将泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改动旁路阀开启度的方法来控制泵的实践排出量。 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，由于旁路阀耗费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 流体保送设备的控制方案二、往复泵的控制方案7 往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场所，它是利用活塞在汽缸中往复滑行来保送流体的。 往复泵提供的实际流量可按下式计算 11-1第一节 流体保送设备

4、的控制方案81.改动原动机的转速图11-5 改动转速的方案 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场所，此时，可借助于改动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 流体保送设备的控制方案92.控制泵的出口旁路图11-6 改动旁路流量 该方案由于高压流体的部分能量要白白耗费在旁路上，故经济性较差。 第一节 流体保送设备的控制方案103.改动冲程 s 图11-7 往复泵的特性曲线 计量泵常用改动冲程s来进展流量控制。冲程s的调整可在停泵时进展，也有可在运转形状下进展的。第一节 流体保送设备的控制方案三、压气机的控制方案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

5、类； 按进、出口压力高低的差别，可分为真空泵、鼓风机、紧缩机等类型。 第一节 流体保送设备的控制方案121.直接控制流量 对于低压的离心式鼓风机，普通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。其他情况下，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量。由于气体的可紧缩性，所以这种方案对于往复式紧缩机也是适用的。 为了减少阻力损失，对大型紧缩机，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 流体保送设备的控制方案13图11-8 分程控制方案图11-9 分程阀的特性第一节 流体保送设备的控制方案142.控制旁路流量图11-10 控制紧缩机旁路方案 对于紧缩比很高

6、的多段紧缩机，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。 为理处理这个问题，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任务范围的需求。 第一节 流体保送设备的控制方案153.调理转速 压气机的流量控制可以经过调理原动机的转速来到达，这种方案效率最高，节能最好。 问题在于调速机构普通比较复杂，没有前两种方法简便。 第一节 流体保送设备的控制方案四、离心式紧缩机的防喘振控制161.离心式紧缩机的特性曲线及喘振景象图11-11 离心式紧缩机特性曲线图11-12 喘振景象表示图第一节 流体保送设备的控制方案17 喘振是出现紧缩机任务点这种反复迅速突变

7、这一景象时，由于气体由紧缩机忽进忽出，使转子遭到交变负荷，机身发生振动并涉及到相连的管线，表如今流量计和压力表的指针大幅度摆动。 喘振是离心式紧缩机固有的特性。负荷减小是离心式紧缩机产生喘振的主要缘由；此外，被保送气体的吸入形状，也是使紧缩机产生喘振的要素。普通讲，吸入气体的温度或压力越低，紧缩机越容易进入喘振区。 第一节 流体保送设备的控制方案2.防喘振控制方案1固定极限流量法 对于任务在一定转速下的离心式紧缩机，都有一个进入喘振区的极限流量QB，为了平安起见，规定一个紧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 流体保送设备的控制方案2可变极限流量法图

8、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紧缩机特性曲线的最高点的连线。只需紧缩机的任务点在喘振极限线的右侧，就可以防止喘振发生。 19第一节 流体保送设备的控制方案平安操作线近似为抛物线，其方程可用以下近似公式表示 11-2在时，工况是平安的。经过换算，上述不等式可写成如下方式2011-3第一节 流体保送设备的控制方案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，因此能根据紧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 传热设备的

9、自动控制一、两侧均无相变化的换热器控制方案221. 控制载热体的流量图11-16 改动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。采用传热根本方程式的任务原理。 假设不思索传热过程中的热损失第二节 传热设备的自动控制23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24图11-17 换热器串级控制系统 假设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。 第二节 传热设备的自动控制252.控制载热体旁路流量图11-18 用载热体旁路控制温度 采用三通控制阀来改动进入换热器的

10、载流体流量与旁路流量的比例，可以改动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。 旁路的流量普通不用直通阀来直接进展控制，由于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 传热设备的自动控制263.控制被加热流体本身流量图11-19 用介质本身流量控制温度 只能用在工艺介质的流量允许变化的场所。 第二节 传热设备的自动控制274. 控制被加热流体本身流量的旁路图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，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

11、合来控制温度。 第二节 传热设备的自动控制二、载热体进展冷凝的加热器自动控制28 在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热，经过管壁加热工艺介质。假设要加热到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展，先冷凝后降温。 当仅思索汽化潜热时，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29 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.控制蒸汽流量图11-21 用蒸汽流量控制温度 经过改动加热蒸汽量来稳定被加热介质的出口温度。当阀前蒸汽压力有动摇时，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。

12、 第二节 传热设备的自动控制302.控制换热器的有效换热面积图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 传热设备的自动控制31两种方案比较控制蒸汽流量法 优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。缺陷：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较猛烈，有时凝液冷到100以下，这时加热器内蒸汽一侧会产生负压，呵斥冷凝液的排放不延续，影响均匀传热。 第二节 传热设备的自动控制32控制换热器的有效换热面积法缺陷：控制通道长、变化缓慢，且需求有较大的传热面积裕量。优点：防止部分过热，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

13、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、冷却剂进展汽化的冷却器自动控制331.控制冷却剂的流量图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，过高会呵斥蒸发空间缺乏，使出去的氨气中夹带大量液氨，引起氨紧缩机的操作事故。 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 传热设备的自动控制342.温度与液位的串级控制图11-26 温度-液位串级控制 该方案的本质是改动传热面积。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

14、扰包含在副环内，从而提高了控制质量。 第二节 传热设备的自动控制353.控制汽化压力图11-27 用汽化压力控制温度任务原理 基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改动，于是相应的汽化温度也就改动了。 第二节 传热设备的自动控制36 这种方案控制造用迅速，只需汽化压力稍有变化，就能很快影响汽化温度，到达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一致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、工艺要求371.保证质量目的 对于一个正常操作的精馏塔，普通该当使塔顶或塔底产品中的一个产

15、品到达规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应坚持在规定的范围内。为此，该当取塔顶或塔底的产质量量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制系统需求能测出产品成分的分析仪表。 第三节 精馏塔的自动控制382.保证平稳操作 为了保证塔的平稳操作，必需把进塔之前的主要可控干扰尽能够预先抑制，同时尽能够缓和一些不可控的主要干扰。 为了维持塔的物料平衡，必需控制塔顶馏出液和釜底采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。 塔内的持液量应坚持在规定的范围内。控制塔内压力稳定，对塔的平稳操作是非常必要的。 第三节 精馏塔的自动控制393.约束条件 为保证正常操作，需规

16、定某些参数的极限值为约束条件。第三节 精馏塔的自动控制404.节能要求和经济性 在精馏操作中，质量目的、产品回收率和能量耗费均是要控制的目的。 其中质量目的是必要条件，在质量目的一定的前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同时能量耗费尽能够低一些。 第三节 精馏塔的自动控制二、精馏塔的干扰要素41图11-28 精馏塔的物料流程图1.进料流量F的动摇2.进料成分ZF的变化3.进料温度TF及进料热焓QF的变化4.再沸器加热剂如蒸汽参与热量的变化5.冷却剂在冷凝器内除去热量的变化6.环境温度的变化 第三节 精馏塔的自动控制三、精馏塔的控制方案421.精馏塔的提馏段温控图11-29 提馏段温控的

17、控制方案表示图 假设采用以精馏段温度作为衡量质量目的的间接目的，而以改动回流量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。 第三节 精馏塔的自动控制43提馏段温控的主要特点与运用场所： 1采用了提馏段温度作为间接质量目的，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到达规定值。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 精馏塔的自动控制442.精馏塔的精馏段温控 假设采用以精馏段温度作为衡量质量目的的间接目的，而以改动回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控。 图11-30 精馏段温控的控制方案表示图第三节 精馏塔的自动控制

18、45精馏段温控的主要特点与运用场所： 采用了精馏段温度作为间接质量目的，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厉时，普通宜采用精馏段温控方案。 假设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46 在采用精馏段温控或提馏段温控时，当分别的产品较纯时，由于塔顶或塔底的温度变化很小，对测温仪表的灵敏度和控制精度都提出了很高的要求，但实践上却很难满足。处理这一问题的方法，是将测温元件安装在塔顶以下或塔底以上几块塔板的灵敏板上，以灵敏板的温度作为被控变量。 第三节 精馏塔的自动控制473.精馏塔的温差控制及双温差控制 采用温差作为衡量质量目的的间接

19、变量，是为了消除塔压动摇对产质量量的影响。 图11-31 T-x曲线温差与产品纯度之间并非单值关系。第三节 精馏塔的自动控制48图11-32 双温差控制方案 双温差控制就是分别在精馏段及提馏段上选取温差信号，然后将两个温差信号相减，作为控制器的丈量信号即控制系统的被控变量。 第三节 精馏塔的自动控制494.按产品成分或物性的直接控制方案 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目的控制。第四节 化学反响器的自动控制一、化学反响器的控制要求

20、501.质量目的 化学反响器的质量目的普通指反响的转化率或反响生成物的规定浓度。如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为第四节 化学反响器的自动控制51 以温度、压力等工艺变量作为间接控制目的，有时并不能保证质量稳定。 当有干扰作用时，转化率和反响生成物组分等仍会遭到影响。 特别是在有些反响中，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，这就需求不断地根据工况变化去改动温度控制系统的给定值。 在有催化剂的反响器中，由于催化剂的活性变化，温度给定值也要随之改动。 第四节 化学反响器的自动控制522.物料平衡 为使反响正常，转化率高，要求维持进入反响器的各种物料量恒定，配比符合要求。3.约

21、束条件 对于反响器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，该当配备一些报警、联锁安装或设置取代控制系统。 第四节 化学反响器的自动控制二、釜式反响器的温度自动控制531.控制进料温度图11-33 改动进料温度控制釜温第四节 化学反响器的自动控制542.改动传热量 由于大多数反响釜均有传热面，引入或移去反响热，所以用改动引入传热量多少的方法就能实现温度控制。 图11-34 改动加热剂或冷却剂流量控制釜温第四节 化学反响器的自动控制553.串级控制为了针对反响釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。图11-35 釜温与冷剂流量串级控制表示图第四节 化学反响器的自动控制56图11-36 釜温与夹套温

22、度串级控制表示图图11-37 釜温与釜压串级控制系统表示图第四节 化学反响器的自动控制三、固定床反响器的自动控制57 固定床反响器是指催化剂床层固定于设备中不动的反响器，流体原料在催化剂作用下进展化学反响以生成所需反响物。常见的温度控制方案有： 改动进料浓度 改动进料温度 改动段间进入的冷气量 第四节 化学反响器的自动控制58图11-38 改动进料浓度控制反响器温度图11-39 用载热体流量控制温度第四节 化学反响器的自动控制59图11-40 用旁路控制温度图11-41 用改动段间冷气量控制温度图11-42 用改动段间蒸汽量控制温度第四节 化学反响器的自动控制四、流化床反响器的自动控制60图11-43 流化床反响器原理表示图图11-44 改动入口温度控制反响器温度第四节 化学反响器的自动控制61图11-45 改动冷剂流量控制温度图11-46 流化床差压指示系统第五节 生化过程的控制一、常用生化过程控制621.发酵罐温度控制 普通发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在30500.5。过程支配变量为冷却水量，普通不需加热特别冰冷地域除外。 图11-47 发酵罐温度控制第五节 生化过程的控制632.通气流量、罐压和搅拌转速控制图11-48 发酵罐搅