化工仪表及自动化 厉玉鸣第17章ppt课件

1、化工仪表及自动化第十七章 典型化工单元的控制方案 内容提要流体保送设备的自动控制离心泵的自动控制方案往复泵的自动控制方案压气机的自动控制方案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精馏塔的干扰要素及对自动控制的要求1内容提要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2第一节 流体保送设备的自动控制一、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1. 控制泵的

2、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 流体保送设备的自动控制4图17-2 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。 留意图17-1 改动泵出口阻力调流量第一节 流体保送设备的自动控制52.控制泵的转速图17-3 改动泵的转速调流量 图17-3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

3、制蒸汽量即可控制转速。 第一节 流体保送设备的自动控制63.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。 图17-4 改动旁路阀调流量第一节 流体保送设备的自动控制二、往复泵的自动控制方案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 17-1第一节 流体保送设备的自动控制81.改动原动机的转速 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作

4、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。图17-5 改动转速的方案第一节 流体保送设备的自动控制92.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耗费在旁路上，故经济性较差。 图17-6 改动旁路流量第一节 流体保送设备的自动控制103.改动冲程 s 图17-7 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 流体保送设备的自动控制三、压气机的自动控制方案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

5、备的自动控制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 流体保送设备的自动控制13图17-9 分程阀的特性图17-8 分程控制方案第一节 流体保送设备的自动控制142.控制旁路流量 对于紧缩比很高的多段紧缩机，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

6、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。 图17-10 控制紧缩机旁路方案第一节 流体保送设备的自动控制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 流体保送设备的自动控制16“喘振景象 当负荷降低到一定程度时,气体的排送会出现剧烈的振荡,从而引起机身的猛烈振动。这种景象称为“喘振。 喘振会呵斥事故,操作中必需防止喘振景象产生。 防喘振的控制方案有很多种,其中最简单的是旁路控制方案。第一节 流体保送设备的自动控制17旁路控制方案图17-11 简单的防喘振方案第

7、二节 传热设备的自动控制一、两侧均无相变化的换热器控制方案181. 控制载热体的流量 图17-12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。采用传热根本方程式的任务原理。 假设不思索传热过程中的热损失图17-12 改动载热体流量控制温度第二节 传热设备的自动控制19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20 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。 图17-13 换热器串级控制系统第二节 传热设备的自动控制212.控制载热体旁路 采用三通控制阀来改动进入换热器的载流体流量与旁路流量的

8、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。 图17-14 用载热体旁路控制温度第二节 传热设备的自动控制223.控制被加热流体本身流量 只能用在工艺介质的流量允许变化的场所。 图17-15 用介质本身流量调温度第二节 传热设备的自动控制234. 控制被加热流体本身流量的旁路 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，使冷热物料混合来控制温度。 图17

9、-16 用介质旁路调温度第二节 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24 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25 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 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。 图17-17 用蒸汽流

10、量调温度第二节 传热设备的自动控制262.控制换热器的有效换热面积图17-18 用凝液排出量调温度图17-19 温度-液位串级系统图17-20 温度-流量串级系统第二节 传热设备的自动控制27两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28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，由于蒸汽

11、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291.控制冷却剂的流量 该方案不以液位为支配变量，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。 图11-25 用冷却剂流量控制温度第二节 传热设备的自动控制302.温度与液位的串级控制 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扰包含在副环内，从而提高了控制质量。

12、 图17-22 温度-液位串级控制第二节 传热设备的自动控制313.控制汽化压力任务原理 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。 图17-23 用汽化压力调温度第二节 传热设备的自动控制32 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、精馏塔的干扰要素及对自动控制的要求33图17-24 精馏塔的物料流程图1进料流量F的动摇2进料成

13、分ZF的变化3进料温度及进料热焓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 1.干扰要素第三节 精馏塔的自动控制 2.精馏塔对自动控制的要求 保证质量目的 保证平稳操作 约束条件34第三节 精馏塔的自动控制三、精馏塔的控制方案351.精馏塔的提馏段温控 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，就称为提馏段温控。 图17-25 提馏段温控的控制方案表示图第三节 精馏塔的自动控制36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，

14、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372.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17-26 精馏段温控的控制方案表示图第三节 精馏塔的自动控制38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39 在采用精馏段温控或提

15、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403.精馏塔的温差控制 采用温差作为衡量质量目的的间接变量，是为了消除塔压动摇对产质量量的影响。 图17-27 T-X曲线留意：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414.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

16、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42(1)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43 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

17、值也要随之改动。 第四节 化学反响器的自动控制44(2)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45(1)控制进料温度图17-28 改动进料温度调釜温第四节 化学反响器的自动控制46(2)控制传热量 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17-29 改动加热剂或冷却剂流量调釜温第四节 化学反响器的自动控制47(3)串级控制

18、为了针对反响釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。图17-30 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48图17-31 釜温与夹套温度串级控制表示图图11-37 釜温与釜压串级控制表示图第四节 化学反响器的自动控制三、固定床反响器的自动控制49 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： 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 化学反响器的自动控制50图17-33 改动进料浓度调反响器温度图17-34 用载热体流量调温度第四节 化学反响器的自动控制51图17-35 用旁路调温

19、度图17-36 用改动段间冷气量调温度图17-37 用改动段间蒸汽量调温度第四节 化学反响器的自动控制四、流化床反响器的自动控制52图17-38 流化床反响器原理表示图图17-39 改动入口温度调反响器温度第四节 化学反响器的自动控制53图17-41 流化床差压指示系统图17-40 改动冷剂流量调温度例题分析 1.试判别图17-42(a)、(b)控制方案能否正确。图17-42 泵的控制方案54例题分析解：要分析图17-42所示控制方案能否正确,首先必需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,控制阀普通应该直接装在出口管线上。这是由于离心泵吸

20、入高度是有限的,假设控制阀装在吸入管线上,会产生压降,这样一来,进口端压力就有能够过低,由于液体气化,使泵失去排液才干,这叫气缚。或者压到出口端又急速冷凝,冲蚀厉害,这叫气蚀。这两种情况都要防止发生。所以控制阀普通不应安装在离心泵的入口管线上。 55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,只需转速一定,排出的流量是根本不变的。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2.图17-43所示的加热器,假设两侧无相变,载热体流量很大,且进出口温差(T20-T21)很小时,采用图示温控方案能否合理?图17-43 加热器控制方案57例题分析解：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，对图17-43所示加热器可忽略一些次要要素(如热损失等)，那么可列出