化工仪表及自动化第章

化工仪表及自动化第十一章典型化工单元的控制方案

内容提要流体输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压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行冷凝的加热器自动控制冷却剂进行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因素精馏塔的控制方案化学反应器的自动控制化学反应器的控制要求釜式反应器的温度自动控制固定床反应器的自动控制流化床反应器的自动控制生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第一节流体输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，而不应该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。注意第一节流体输送设备的控制方案52.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、n3时的流量特性，且有n1＞n2＞n3。

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。第一节流体输送设备的控制方案63.控制泵的出口旁路图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。第一节流体输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

（11-1）第一节流体输送设备的控制方案81.改变原动机的转速图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。第一节流体输送设备的控制方案92.控制泵的出口旁路图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。第一节流流体输送设设备的控制制方案103.改变冲程s图11-7往复泵的特特性曲线计量泵常用用改变冲程程s来进行流量量控制。冲冲程s的调整可在在停泵时进进行，也有有可在运转转状态下进进行的。第一节流流体输送设设备的控制制方案三、压气机机的控制方方案11压力机的分分类其作用原理不同可分为为离心式和和往复式两两大类；按进、出口压压力高低的差别，可可分为真空空泵、鼓风风机、压缩缩机等类型型。第一节流流体输送设设备的控制制方案121.直接控制流流量对于低压的的离心式鼓鼓风机，一一般可在其其出口直接接用控制阀阀控制流量量。由于管管径较大，，执行器可可采用蝶阀阀。其余情情况下，为为了防止出出口压力过过高，通常常在入口端端控制流量量。因为气气体的可压压缩性，所所以这种方方案对于往往复式压缩缩机也是适适用的。为了减少阻阻力损失，，对大型压压缩机，往往往不用控控制吸入阀阀的方法，，而用调整整导向叶片片角度的方方法。第一节流流体输送设设备的控制制方案13图11-8分程控制方方案图11-9分程阀的特特性第一节流流体输送设设备的控制制方案142.控制旁路流流量图11-10控制压缩机机旁路方案案对于压缩比比很高的多多段压缩机机，从出口口直接旁路路回到入口口是不适宜宜的。这样样控制阀前前后压差太太大，功率率损耗太大大。为了解决这这个问题，，可以在中中间某段安安装控制阀阀，使其回回到入口端端，用一只只控制阀可可满足一定定工作范围围的需要。。第一节流流体输送设设备的控制制方案153.调节转速压气机的流流量控制可可以通过调调节原动机机的转速来来达到，这这种方案效效率最高，，节能最好好。问题在于调速机机构一般比比较复杂，，没有前两两种方法简简便。第一节流流体输送设设备的控制制方案四、离心式式压缩机的的防喘振控控制161.离心式压缩缩机的特性性曲线及喘喘振现象图11-11离心式压缩缩机特性曲曲线图11-12喘振现象示示意图第一节流流体输送设设备的控制制方案17喘振是出现压缩缩机工作点点这种反复复迅速突变变这一现象象时，由于于气体由压压缩机忽进进忽出，使使转子受到到交变负荷荷，机身发发生振动并并波及到相相连的管线线，表现在在流量计和和压力表的的指针大幅幅度摆动。。喘振是离心心式压缩机机固有的特特性。负荷荷减小是离离心式压缩缩机产生喘喘振的主要要原因；此此外，被输输送气体的的吸入状态态，也是使使压缩机产产生喘振的的因素。一一般讲，吸吸入气体的的温度或压压力越低，，压缩机越越容易进入入喘振区。。第一一节节流流体体输输送送设设备备的的控控制制方方案案2.防喘喘振振控控制制方方案案（1）固固定定极极限限流流量量法法对于于工工作作在在一一定定转转速速下下的的离离心心式式压压缩缩机机，，都都有有一一个个进进入入喘喘振振区区的的极极限限流流量量QB，为为了了安安全全起起见见，，规规定定一一个个压压缩缩机机吸吸入入流流量量的的最最小小值值QP，且且有有QP＜QB。图11-13防喘喘振振旁旁路路控控制制18第一一节节流流体体输输送送设设备备的的控控制制方方案案（2）可可变变极极限限流流量量法法图11-14防喘喘振振曲曲线线图11-14上的的喘喘振振极极限限线线是是对对应应于于不不同同转转速速时时的的压压缩缩机机特特性性曲曲线线的的最最高高点点的的连连线线。。只只要要压压缩缩机机的的工工作作点点在在喘喘振振极极限限线线的的右右侧侧，，就就可可以以避避免免喘喘振振发发生生。。19第一一节节流流体体输输送送设设备备的的控控制制方方案案安全全操操作作线线近近似似为为抛抛物物线线，，其其方方程程可可用用下下列列近近似似公公式式表表示示（11-2）在时，，工工况况是是安安全全的的。。经过过换换算算，，上上述述不不等等式式可可写写成成如如下下形形式式20（11-3）第一一节节流流体体输输送送设设备备的的控控制制方方案案21图11-15变极极限限流流量量防防喘喘振振控控制制方方案案该方方案案控控制制器器FC的给给定定值值是是经经过过运运算算得得到到的的，，因因此此能能根根据据压压缩缩机机负负荷荷变变化化的的情情况况随随时时调调整整入入口口流流量量的的给给定定值值，，而而且且由由于于这这种种方方案案将将运运算算部部分分放放在在闭闭合合回回路路之之外外，，因因此此可可像像单单回回路路流流量量控控制制系系统统那那样样整整定定控控制制器器参参数数。。第二二节节传传热热设设备备的的自自动动控控制制一、、两两侧侧均均无无相相变变化化的的换换热热器器控控制制方方案案221.控制制载载热热体体的的流流量量图11-16改变变载载热热体体流流量量控控制制温温度度图11-16表示示利利用用控控制制载载热热体体流流量量来来稳稳定定被被加加热热介介质质出出口口温温度度的的控控制制方方案案。。采采用用传传热热基基本本方方程程式式的的工工作作原原理理。。若不不考考虑虑传传热热过过程程中中的的热热损损失失第二二节节传传热热设设备备的的自自动动控控制制23传热热过过程程中中传传热热的的速速率率可可按按下下式式计计算算整理理后后，，得得移项项后后改改写写为为第二二节节传传热热设设备备的的自自动动控控制制24图11-17换热热器器串串级级控控制制系系统统如果果载载热热体体本本身身压压力力不不稳稳定定，，可可另另设设稳稳压压系系统统，，或或者者采采用用以以温温度度为为主主变变量量、、流流量量为为副副变变量量的的串串级级控控制制系系统统。。第二二节节传传热热设设备备的的自自动动控控制制252.控制制载载热热体体旁旁路路流流量量图11-18用载载热热体体旁旁路路控控制制温温度度采用用三三通通控控制制阀阀来来改改变变进进入入换换热热器器的的载载流流体体流流量量与与旁旁路路流流量量的的比比例例，，可可以以改改变变进进入入换换热热器器的的载载热热体体流流量量，，还还可可以以保保证证载载热热体体总总流流量量不不受受影影响响。。旁路路的的流流量量一一般般不不用用直直通通阀阀来来直直接接进进行行控控制制，，因因为为在在换换热热器器内内部部流流体体阻阻力力小小的的时时候候，，控控制制阀阀前前后后压压降降很很小小，，这这样样就就使使控控制制阀阀的的口口径径要要选选得得很很大大，，而而且且阀阀的的流流量量特特性性易易发发生生畸畸变变。。第二二节节传传热热设设备备的的自自动动控控制制263.控制被被加热热流体体自身身流量量图11-19用介质质自身身流量量控制制温度度只能用用在工工艺介介质的的流量量允许许变化化的场场合。。第二节节传传热设设备的的自动动控制制274.控制被被加热热流体体自身身流量量的旁旁路图11-20用介质质旁路路控制制温度度当被加加热流流体的的总流流量不不允许许控制制，而而且换换热器器的传传热面面积有有余量量时，，可将将一小小部分分被加加热流流体由由旁路路直接接流到到出口口处，，使冷冷热物物料混混合来来控制制温度度。第二节节传传热设设备的的自动动控制制二、载载热体体进行行冷凝凝的加加热器器自动动控制制28在蒸汽汽加热热器中中，蒸蒸汽冷冷凝由由汽相相变液液相，，放热热，通通过管管壁加加热工工艺介介质。。如果果要加加热到到200℃以上或或30℃℃以下时时，常常采用用一些些有机机化工工物作作为载载热体体。这种传传热过过程分分两段段进行行，先先冷凝凝后降降温。。当仅考考虑汽汽化潜潜热时时，热热量平平衡方方程式式为传热速速率方方程式式仍为为第二节节传传热设设备的的自动动控制制29当被加加热介介质的的出口口温度度t2为被控控变量量时，，常采采用下下述两两种控控制方方案。。1.控制蒸蒸汽流流量图11-21用蒸汽汽流量量控制制温度度通过改改变加加热蒸蒸汽量量来稳稳定被被加热热介质质的出出口温温度。。当阀阀前蒸蒸汽压压力有有波动动时，，可对对蒸汽汽总管管加设设压力力定值值控制制，或或者采采用温温度与与蒸汽汽流量量（或或压力力）的的串级级控制制。第二节节传传热设设备的的自动动控制制302.控制换换热器器的有有效换换热面面积图11-22用凝液液排出出量控控制温温度图11-23温度-液位串串级控控制系系统图11-24温度-流量串串级控控制系系统第二节节传传热设设备的的自动动控制制31两种方方案比比较控制蒸蒸汽流流量法法优点：：简单易易行、、过渡渡过程程时间间短、、控制制迅速速。缺点：：需选用用较大大的蒸蒸汽阀阀门、、传热热量变变化比比较剧剧烈，，有时时凝液液冷到到100℃以下，，这时时加热热器内内蒸汽汽一侧侧会产产生负负压，，造成成冷凝凝液的的排放放不连连续，，影响响均匀匀传热热。第二节节传传热设设备的的自动动控制制32控制换换热器器的有有效换换热面面积法法缺点：：控制通通道长长、变变化迟迟缓，，且需需要有有较大大的传传热面面积裕裕量。。优点：：防止局局部过过热，，对一一些过过热后后会引引起化化学变变化的的过敏敏性介介质比比较适适用。。另外外，由由于蒸蒸汽冷冷凝后后凝液液的体体积比比蒸汽汽体积积小得得多，，所以以可以以选用用尺寸寸较小小的控控制阀阀门。。第二节节传传热设设备的的自动动控制制三、冷冷却剂剂进行行汽化化的冷冷却器器自动动控制制331.控制冷冷却剂剂的流流量图11-25用冷却却剂流流量控控制温温度该方案案不以以液位位为被被控变变量，，但液液位不不能过过高，，过高高会造造成蒸蒸发空空间不不足，，使出出去的的氨气气中夹夹带大大量液液氨，，引起起氨压压缩机机的操操作事事故。。这种控控制方方案带带有上上限液液位报报警，，或采采用温温度-液位自自动选选择性性控制制，当当液位位高于于某上上限值值时，，自动动把液液氨阀阀关小小或暂暂时切切断。。第二节节传传热设设备的的自动动控制制342.温度与与液位位的串串级控控制图11-26温度-液位串串级控控制该方案案的实实质是是改变变传热热面积积。但但采用用了串串级控控制，，将液液氨压压力变变化而而引起起液位位变化化的这这一主主要干干扰包包含在在副环环内，，从而而提高高了控控制质质量。。第二节节传传热设设备的的自动动控制制353.控制汽汽化压压力图11-27用汽化化压力力控制制温度度工作原原理基于当当控制制阀的的开度度变化化时，，会引引起氨氨冷器器内汽汽化压压力改改变，，于是是相应应的汽汽化温温度也也就改改变了了。第二节节传传热设设备的的自动动控制制36这种方方案控控制作作用迅迅速，，只要要汽化化压力力稍有有变化化，就就能很很快影影响汽汽化温温度，，达到到控制制工艺艺介质质出口口温度度的目目的。。但是是由于于控制制阀安安装在在气氨氨出口口管道道上，，故要要求氨氨冷器器要耐耐压，，并且且当气气氨压压力由由于整整个制制冷系系统的的统一一要求求不能能随意意加以以控制制时，，这个个方案案就不不能采采用了了。第三节节精精馏塔塔的自自动控控制一、工工艺要要求371.保证质质量指指标对于一一个正正常操操作的的精馏馏塔，，一般般应当当使塔塔顶或或塔底底产品品中的的一个个产品品达到到规定定的纯纯度要要求，，另一一个产产品的的成分分亦应应保持持在规规定的的范围围内。。为此此，应应当取取塔顶顶或塔塔底的的产品品质量量作被被控变变量，，这样样的控控制系系统称称为质质量控控制系系统。。质量控控制系系统需需要能能测出出产品品成分分的分分析仪仪表。。第三节节精精馏塔塔的自自动控控制382.保证平平稳操操作为了保保证塔塔的平平稳操操作，，必须须把进进塔之之前的的主要要可控控干扰扰尽可可能预预先克克服，，同时时尽可可能缓缓和一一些不不可控控的主主要干干扰。。为了了维维持持塔塔的的物物料料平平衡衡，，必必须须控控制制塔塔顶顶馏馏出出液液和和釜釜底底采采出出量量，，使使其其之之和和等等于于进进料料量量，，而而且且两两个个采采出出量量变变化化要要缓缓慢慢，，以以保保证证塔塔的的平平稳稳操操作作。。塔内内的的持持液液量量应应保保持持在在规规定定的的范范围围内内。。控控制制塔塔内内压压力力稳稳定定，，对对塔塔的的平平稳稳操操作作是是十十分分必必要要的的。。第三三节节精精馏馏塔塔的的自自动动控控制制393.约束束条条件件为保保证证正正常常操操作作，，需需规规定定某某些些参参数数的的极极限限值值为为约约束束条条件件。。第三三节节精精馏馏塔塔的的自自动动控控制制404.节能能要要求求和和经经济济性性在精精馏馏操操作作中中，，质质量量指指标标、、产产品品回回收收率率和和能能量量消消耗耗均均是是要要控控制制的的目目标标。。其中中质质量量指指标标是是必必要要条条件件，，在在质质量量指指标标一一定定的的前前提提下下，，应应在在控控制制过过程程中中使使产产品品产产量量尽尽量量高高一一些些，，同同时时能能量量消消耗耗尽尽可可能能低低一一些些。。第三三节节精精馏馏塔塔的的自自动动控控制制二、、精精馏馏塔塔的的干干扰扰因因素素41图11-28精馏馏塔塔的的物物料料流流程程图图1.进料料流流量量F的波波动动（＊＊））2.进料料成成分分ZF的变变化化（＊）3.进料料温温度度TF及进进料料热热焓焓QF的变变化化4.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的变变化化5.冷却却剂剂在在冷冷凝凝器器内内除除去去热热量量的的变变化化6.环境境温温度度的的变变化化第三三节节精精馏馏塔塔的的自自动动控控制制三、、精精馏馏塔塔的的控控制制方方案案421.精馏馏塔塔的的提提馏馏段段温温控控图11-29提馏馏段段温温控控的的控控制制方方案案示示意意图图如果果采采用用以以精精馏馏段段温温度度作作为为衡衡量量质质量量指指标标的的间间接接指指标标，，而而以以改改变变回回流流量量作作为为控控制制手手段段的的方方案案，，就就称称为为提馏段温温控。第三节精精馏塔塔的自动动控制43提馏段温温控的主主要特点点与使用用场合：：（1）采用了了提馏段段温度作作为间接接质量指指标，因因此它能能较直接接地反映映提馏段段产品情情况。将将提馏段段温度恒恒定后，，就能较较好地保保证塔底底产品的的质量达达到规定定值。（2）当干扰扰首先进进入提馏馏段时，，用提馏馏段温控控就比较较及时，，动态过过程也比比较快。。第三节精精馏塔塔的自动动控制442.精馏塔的的精馏段段温控如果采用用以精馏馏段温度度作为衡衡量质量量指标的的间接指指标，而而以改变变回流量量作为控控制手段段的方案案，就称称为精馏段温温控。图11-30精馏段温温控的控控制方案案示意图图第三节精精馏塔塔的自动动控制45精馏段温温控的主主要特点点与使用用场合：：①采用了精精馏段温温度作为为间接质质量指标标，因此此它能较较直接地地反映精精馏段的的产品情情况。当当塔顶产产品纯度度要求比比塔底严严格时，，一般宜宜采用精精馏段温温控方案案。②如果果干扰首首先进入入精馏段段，采用用精馏段段温控就就比较及及时。第三节精精馏塔塔的自动动控制46在采用精精馏段温温控或提提馏段温温控时，，当分离离的产品品较纯时时，由于于塔顶或或塔底的的温度变变化很小小，对测测温仪表表的灵敏敏度和控控制精度度都提出出了很高高的要求求，但实实际上却却很难满满足。解解决这一一问题的的方法，，是将测测温元件件安装在在塔顶以以下或塔塔底以上上几块塔塔板的灵灵敏板上上，以灵灵敏板的的温度作作为被控控变量。。第三节精精馏塔塔的自动动控制473.精馏塔的的温差控控制及双双温差控控制采用温差差作为衡衡量质量量指标的的间接变变量，是是为了消消除塔压压波动对对产品质质量的影影响。图11-31ΔT-x曲线温差与产产品纯度度之间并并非单值值关系。。第三节精精馏塔塔的自动动控制48图11-32双温差控控制方案案双温差控控制就是是分别在在精馏段段及提馏馏段上选选取温差差信号，，然后将将两个温温差信号号相减，，作为控控制器的的测量信信号（即即控制系系统的被被控变量量）。第三节精精馏塔塔的自动动控制494.按产品成成分或物物性的直直接控制制方案能利用成成分分析析器，例例如红外外分析器器、色谱谱仪、密密度计、、干点和和闪点以以及初馏馏点分析析器等，，分析出出塔顶（（或塔底底）的产产品成分分并作为为被控变变量，用用回流量量（或再再沸器加加热量））作为控控制手段段组成成成分控制制系统，，就可实实现按产产品成分分的直接接指标控控制。第四节化化学反反应器的的自动控控制一、化学学反应器器的控制制要求501.质量指标标化学反应应器的质质量指标标一般指指反应的的转化率率或反应应生成物物的规定定浓度。。如聚合釜釜出口温温差控制制与转化化率的关关系为第四节化化学反反应器的的自动控控制51以温度、、压力等等工艺变变量作为为间接控控制指标标，有时时并不能能保证质质量稳定定。当有干扰扰作用时时，转化化率和反反应生成成物组分分等仍会会受到影影响。特别是在在有些反反应中，，温度、、压力等等工艺变变量与生生成物组组分间不不完全是是单值对对应关系系，这就就需要不不断地根根据工况况变化去去改变温温度控制制系统的的给定值值。在有催化化剂的反反应器中中，由于于催化剂剂的活性性变化，，温度给给定值也也要随之之改变。。第四节化化学反反应器的的自动控控制522.物料平衡衡为使反应应正常，，转化率率高，要要求维持持进入反反应器的的各种物物料量恒恒定，配配比符合合要求。。3.约束条件件对于反应应器，要要防止工工艺变量量进入危危险区域域或不正正常工况况，应当当配备一一些报警警、联锁锁装置或或设置取取代控制制系统。。第四节化化学反反应器的的自动控控制二、釜式式反应器器的温度度自动控控制531.控制进料料温度图11-33改变进料料温度控控制釜温温第四节化化学反反应器的的自动控控制542.改变传热热量由于大多多数反应应釜均有有传热面面，引入入或移去去反应热热，所以以用改变变引入传传热量多多少的方方法就能能实现温温度控制制。图11-34改变加热热剂或冷冷却剂流流量控制制釜温第四节化化学反反应器的的自动控控制553.串级控制制为了针对对反应釜釜滞后较较大的特特点，可可采用串串级控制制方案。。图11-35釜温与冷冷剂流量量串级控控制示意意图第四节化化学反反应器的的自动控控制56图11-36釜温与夹夹套温度度串级控控制示意意图图11-37釜温与釜釜压串级级控制系系统示意意图第四节化化学反反应器的的自动控控制三、固定定床反应应器的自自动控制制57固定床反反应器是指催化化剂床层层固定于于设备中中不动的的反应器器，流体体原料在在催化剂剂作用下下进行化化学反应应以生成成所需反反应物。。常见的温温度控制制方案有有：改变进料料浓度改变进料料温度改变段间间进入的的冷气量量第四节化化学反反应器的的自动控控制58图11-38改变进料料浓度控控制反应应器温度度图11-39用载热体体流量控控制温度度第四节化化学反反应器的的自动控控制59图11-40用旁路控控制温度度图11-41用改变段段间冷气气量控制制温度图11-42用改变段段间蒸汽汽量控制制温度第四节化化学反反应器的的自动控控制四、流化化床反应应器的自自动控制制60图11-43流化床反反应器原原理示意意图图11-44改变入口口温度控控制反应应器温度度第四节化化学反反应器的的自动控控制61图11-45改变冷剂剂流量控控制温度度图11-46流化床差差压指示示系统第五节生生化过过程的控控制一、常用用生化过过程控制制621.发酵罐温温度控制制一般发酵酵过程均均为放热热过程，，温度多多数要求求控制在在30～50℃（±0.5℃）。过程程操纵变变量为冷冷却水量量，一般般不需加加热（特特别寒冷冷地区除除外）。。图11-47发酵罐温温度控制制第五节生生化过过程的控控制632.通气流量量、罐压压和搅拌拌转速控控制图11-48发酵罐搅搅拌转速速、罐压压（或流流通气量量）控制制第五节生生化过过程的控控制643.溶氧浓浓度控