典型单元操作控制案例

第七章典型单元操作案例第一节流体输送设备的限制泵和压缩机是生产过程用来输送流体或者提高流体压头的一种重要的机械设备，泵是液体的输送设备，压缩机是气体的输送设备。流体输送设备自动限制的主要目的：一是为保证工艺流程所要求的流量和压力二是为确保机泵本身的平安运转一、离心泵的限制离心泵的工作原理是将机械能通过泵体内作高速旋转的叶片给液体以动能，再由动能转换成静压能,然后排出泵外。由于离心力的作用,使叶轮通道内的液体被排出时,叶轮进口处在负压状况之下,液体即被吸进。1．工作特性1)机械特性对于一个离心泵，其压头H和流量Q及转速n之间的关系，称为泵的机械恃性，以阅历公式表示则为：H=K1n2-K2Q2

式中，K1、k2——比例系数。特性曲线随着离心泵出口阀的开启，排出量就渐渐增大，使压头渐渐下降。假如将泵的出口阀完全关闭，由于叶轮与机壳有空隙，液体可在泵体内打循环，此时排出量Q=0，压头H达某一最高值，但不等于∞。依据这一原理，可用出口阀的开度变更来限制泵的出口流量。当然在泵运转过程中，不宜长期关闭出口阀门。因为此时液体在泵内打循环，其排量为零，泵所作的功将转化为热能，使泵内液体发热升温。2)管路特性实际工作点的位置考虑管网特性一一管网中流体和管网中阻力的关系:①管路两端静压差相应的压头hp②将液体提升确定高度所需的压头h1③管路摩擦损耗压头hf④限制阀两端压头hv管路特性:hp+h1+hf+hv

当流量系统达到稳定时，泵的特性曲线与管路特性曲线的交点，就是离心泵的工作点。2．离心泵的限制方案1)变更转速的限制方案变更泵的转速，从而变更流量特性曲线的形态，实现离心泵的调速，依据带动离心泵的动力机械性能而定。接受这种方案时，在液体输送管路上不需装设限制阀，因此不存在hv项的阻力损耗；从泵的特性曲线本身来看，机械效率也较高。

不论是电动机或联接机构的调速，都比较困难。多用于较大功率的状况。2)变更管路特性的限制方案常用的方法可以在泵出口管线上装一个限制阀.此方案限制阀应装在泵的出口管线上，不能装在吸入管线上。?---由于hv存在，可使泵入口压头更加下降，可能使液体部分气化，当气化不断发生时，就会使压头降低，流量下降，甚至液体送不出去。同时，液体在汲入端气化后，到排出端受到压缩而凝合，这部分空间有四周液体以极高速度来补充，产生猛烈的冲击力，甚至严峻到损坏叶轮和泵壳。3)变更旁路流量的限制方案变更旁路流量，即用变更旁路阀开启程度的方法来限制实际的排出量但旁路通道的那部分液体，由泵所供应的能量完全消耗于限制阀，因此总的机械效率较低。二、往复泵的限制往复泵及干脆旋转泵它们均是正位移形式的容积泵，是常见的流体输送设备，多用于流量较小、压头要求较高的场合。往复泵供应的理论流量可按下式计算：Q—理论流量,单位m3/h；n—每分钟的往复次数；F—汽缸的截面积，单位m2；S—活塞冲程，单位m。从泵体角度来说，影响往复泵出口流量变更的仅有n、F、S等三个参数，通过变更这三个参数来限制流量，泵的排出流量几乎与压头无关，因此不能在出口管线上安装限制阀限制流量，否则，一旦阀门关闭，泵简洁损坏。接受的流量限制方案有以下三种。Q=60nFS（m3/h）1．变更回流量变更旁路限制阀的开度大小来变更回流量的大小，达到稳定出口流量的目的。这种利用旁路返回来限制流量，虽然消耗功率较大，但由于限制方案简洁所以应用较广。2．变更原动力机的转速当原动力机用蒸汽机或汽轮机驱动，只要变更蒸汽量便可限制转速，从而限制往复泵的出口流量。假如泵是由电动机带动时，可干脆对电动机进行调速，或在电动机和泵的联接变速机构上进行限制。计量泵常用变更冲程来进行流量限制。冲程的调整可在停泵时进行，也有可在运转状态下进行。3．变更往复泵的冲程三、离心式压缩机的防喘振限制1．离心式压缩机特性曲线与喘振离心式压缩机的特性曲线是指压缩机的出口压力与入口压力之比与进口体积流量之间的关系曲线，其中压缩比是指确定压力之比。其特性曲线随着转速不同而上下移动，组成一组特性曲线。

而且每一条特性曲线都有一个最高点，如把各条曲线最高点连接起来得到一条表征产生喘振的极限曲线图中虚线的左侧是不稳定区，称为喘振（或飞动）区，在虚线的右侧则为正常运行区。右图是一条在某一固定转速n下的特性曲线。QB是对应于最大压缩比（P2/P1）B状况下的体积流量，它是压缩机能否稳定操作的分界点。由于压缩机在接着运转，此时压缩机又起先向管网中送气，流量增加，工作点由c变到D，D点对应流量QD大于QA,超过要求负荷量，系统压力被逼高，如压缩机工作点不能在A点稳定下来，就会不断地重复上述循环，使工作点由A→B→C→D→A反复快速地突变，好象工作点在"飞动"，故对这种现象称作压缩机的飞动。习惯上又称它为喘振。当压缩机正常运行工作点A，由于某种缘由压缩机减低负荷时，即QB<QA，于是压缩机的工作点将由A至B，假如负荷接着降低，则压缩比将下降，出口压力应减小可是与压缩机相连接的管路中气体并不同时下降，其压力在这一瞬间不变，这时管网中的压力反而大于压缩机出口处压力，气体就会从管网中倒流向压缩机，始终到管网中压力下降到低于压缩机出口压力为止，工作点由B下降到C。喘振是一种紧急现象。喘振是离心压缩机固有特性，每一台都有它确定的喘振区。因此只能实行相应的防喘振限制方案以防喘振的发生。2．防喘振限制方案离心式压缩机产生喘振现象的主要缘由是由于负荷降低，排气量小于极限值而引起的，只要使压缩机的吸气量大于或等于该工况下的极限排气量即可防止喘振。工业生产上常用的限制方案有固定极限流量法和可变极限流量法两种。1)固定极限流量限制方案在压缩机及管网确定的条件下，设法使压缩机运行恒久高于某一固定流量，使压缩机避开进入喘振区运行。取最大转速下的极限流量作为限制器的给定值，正常操作时，旁路限制阀处于关闭的状态。当减小负荷时，限制器的测量值小于给定值，限制器输出起先反向，而将旁路阀打开，使压缩机的一部分气体打循环，从而使限制器的测量值增加，直至与给定值相等。这样，防止喘振现象的发生。2)可变极限流量限制方案由于不同的转速下，压缩机的喘振极限流量是不同的，所以若按喘振极限曲线来限制压缩机，就可以使压缩机在任何转速条件下都不会发生喘振,而且节约了能量。这种限制方案,即是按某种计算函数来计算极限值，将使压缩机在不同的转速下，有不同的流量,其值均略大于该转速下的喘振极限流量值，这种方案对大功率压缩机，在生产负荷变更较多时，可以取得良好的经济效果。其次节传热设备的限制一、换热器的限制（两侧无相变）换热器自动限制的目的是保证换热器出口的工艺介质温度恒定在给定值上。若不考虑传热过程中的热损失，则热流体失去的热量应等于冷流体获得的热量，可用下列热量平衡方程式：Q=G1C1（T1o-T1i）=G2C2（T2i-T2o）Q——传热速率，J/S；G——质量流量，㎏/h；C——流体的平均定压比热容，J/（㎏∙℃）；T——温度，℃。式中的下标1为冷流体，2为载热体；i为入口；o为出口。传热过程中传热的速率可按下式计算：Q=KFm∆Tm式中：K——传热系数，W/（m2·℃）或；W/（m2·K）;Fm——传热面积,m2；∆Tm——平均温差,℃或K。与冷热流体出口、入口的温度有关。限制换热器介质出口温度，可通过变更换热器的热负荷，限制载热体的流量G2,限制载热体的流量大小就是变更传热速率方程式中的传热系数K及平均温差∆Tm，这种方案是工厂中最常用的一种限制方案。常接受以下几种限制方案。1．限制载热体流量假如载热体压力不稳,可另设稳压限制系统，或者接受温度对流量的串级限制系统，在这个串级系统中，温度为主变量、流量为副变量。2．限制载热体旁路流量当载热体是利用工艺介质回吸热量时，它的总流量是不允许变动的，可以将载热体分路一部分，以限制冷流体的出口温度T2o。分路一般可以接受三通阀来达到。如三通阀装在入口处则用分流阀，如三通阀装在出口处,则用合流阀。这样即可以变更进入换热器的载热体流量，又可以保证载热体总流量不受影响。这种方案在载热体为工艺主要介质时，极为常见。3．将工艺介质分路当工艺介质流量允许限制，而载热体流量不允许调整，可考虑用介质的出口温度限制介质的入口流量的方案。假如要使工艺介质流量和载热体流量均不允许限制，而且换热器传热面积有较大裕量时，可将工艺介质一小部分进行分路，一部分经换热器，另一部分旁路通过，然后两端混合起来，如图所示，假如载热体是利用回收热量系统，这是很有成效的限制方法。二、蒸汽加热器的限制在蒸汽加热器(steamheater)内蒸汽冷凝，由汽态变成液态,放出热量，传给工艺介质。在一般状况下,用蒸汽作为载热体。在低温时也可用乙烯、丙烯等烃类蒸气作载热体。在传热过程中，介质获得的热量是

Q=G1c1（T1o-Ti)但在载热体方面，要起相的变更（气相变为液相），则载热体放出热量为

Q=G2λ式中λ为饱和蒸汽的比汽化焓，J/㎏；至于传热速率关系式仍为：Q=KFm∆Tm蒸汽加热器的被控变量是工艺介质的出口温度T1o，常用的操纵变量从以上内在关系动身有两种：一是将限制阀装在蒸汽入口管线上，变更进入加热器的蒸汽流量G；二是将限制阀装在凝液出口管线上，变更冷凝有效面积。1．限制蒸汽的流量介质出口温度为被控变量，蒸汽流量为操纵变量。假如阀前蒸汽压力有波动,且变更较频繁，将影响限制质量满足不了工艺要求时，可对总管进行压力限制，或接受串级限制，既温度对阀后压力（或流量）的串级限制，即接受以压力为副环的串级限制。当负荷发生变更如进料流量增加，蒸汽冷凝速度增加，引起蒸汽加热器内压力降低即阀后压力降低，这样以阀后压力为副变量比接受流量为副变量的限制刚好。2．限制蒸汽加热器传热面积当被加热的工艺介质出口温度较低，加热器的传热面积裕量又较大时，这种限制蒸汽进入流量的方案就不宜接受了。可以限制蒸汽加热器传热面积。该方案由于限制阀装在凝液管路上，加热器内的压力基本上等于蒸汽源压力，不会造成负压。限制阀开度的变更，使冷凝液的排出量发生变更，而在冷凝液液面以下都是冷凝液，它在传热中不起相变，其给热系数远较液面上的汽相冷凝给热小，所以冷凝液液位的变更实质上等于传热面积的变更。这种限制传热面积的方法，传热量的变更比较和缓，可以防止局部过热，这对热敏性介质有好处但冷凝液流量至液位，是一个积分过程，因此限制起来比较迟钝，而且必须要有较大的传热面积，以便有限制余地。三、低温冷却器的限制以氨冷器为常见，下面以它为例介绍几种限制方案。1．限制冷剂的流量2．限制传热面积3．限制汽化压力四、加热炉的限制在生产过程中有各种各样的加热炉，按工艺用途来分有加热用的炉子及加热-反应用的炉子两类。对于加热用炉子，工艺介质受热升温或同时进行气化，其工艺介质温度的凹凸，会干脆影响后一工序的工况和产品质量，同时当炉子温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦，而烧坏炉管。加热炉平稳操作可以延长炉管运用寿命,因此加热炉出口温度必需严加限制。影响加热炉出口温度的干扰因素有：工艺介质进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油（或气）的流量、压力、成分,燃料油的雾化状况，空气过量状况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等等。为了保证炉出口温度稳定，加热炉主要限制系统以加热炉出口温度为被控变量，燃料油（或气）的流量作为操作变量，1．简洁限制方案2．加热炉的串级限制方案3．加热炉的前馈—反馈限制方案有时遇到生产负荷即进料流量、温度变更频繁,干扰幅度又较大，且又属不行控。串级限制难于满足工艺指标要求时，可接受前馈-反馈限制系统，如图7—28所示。前馈限制是克服进料流量（或温度）的干扰作用，而反馈限制克服其余干扰作用。第三节精馏塔的限制一、精馏塔工艺操作工艺要求1)质量指标塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定的纯度,另一产品成分亦应维持在规定范围内。2)物料平衡,能量平衡以保证塔的平稳操作，当然塔压是否恒定，对塔的平稳操作有很大影响。3)约束条件为了使塔正常操作，必需满足一些约束条件。例如：塔内部气相速度限。太低会使气液接触不好,塔板效率降低，太高会产生液泛现象，将完全破坏塔的操作。塔本身还有最高压力限，越过这个压力，容器的平安就没有保障。精馏塔二、精馏塔的干扰因素 1)进料量F波动的影响2)进料成分波动的影响3)进料温度波动的影响4)塔的蒸气速度和加热量波动的影响5)回流量及冷剂量波动的影响6)塔顶（或塔底）产品量的影响在实际生产过程中，由于不同的物料性质，不同的精馏方法对产品纯度的要求不同，可接受各种不同的限制方法。从上述干扰分析来看，有些干扰是可控的,有些干扰是不行控的。一般对可控的主要干扰可接受定值限制系统加以克服。然而对不行控的干扰，它们最终将反映在塔顶馏出物与塔底采出量的变更上。最干脆的产品质量指标就是产品成分。三、精馏塔的基本限制1．提馏段温度限制由主要限制系统和帮助限制系统两部分组成。提馏段温度限制系统,既提馏段温度为被控变量，其测温元件装在提馏段，塔釜热剂量为操作变量。由于这个限制系统的测温元件和限制手段都在塔的下部，所以它对克服首先进入提馏段的干扰比较有效。测温元件在提馏段，所以它能干脆地反映提馏段的产品质量状况。它的限制效果要比用回流量作为操纵变量来得快速、刚好。提馏段温度限制能较好地保证塔底产品的质量。1)主要限制系统2)帮助限制系统回流量的定值限制系统塔顶引出管线上设置压力限制系统，进料设置定值限制系统液位限制系统2．精馏段温度限制1)主要限制系统。精馏段温度限制系统，被控变量为精馏段温度，其测温元件在精馏段，操作变量为回流量。2)帮助限制系统再沸器加热量的定值限制。回流罐与塔釜液位限制进料量限制等精馏段温控的适用场合为：1)塔顶产品纯度比塔底要求严格；2)全部为气相进料。第四节锅炉设备的限制一、概述3．锅炉燃烧系统的限制锅炉设备的主要限制系统有三个。1．锅炉汽包液位限制2．蒸汽过热系统的限制二、锅炉汽包液位的限制锅炉汽包液位限制的目的是维持汽包中液位在工艺允许范围内，以保证锅炉的平安运行。前锅炉汽包水位限制常接受单冲量、双冲量及三冲量等三种限制方案1．单冲量液位限制系统适用于停留时间较长，负荷变更小的小型低压锅炉（一般为10吨/小时以下）蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加剧，汽泡量快速增加，形成汽包内液位上升的现象。这种上升的液位不代表汽包内贮液量的真实状况，所以称为“假液位”。这时液位限制系统测量值上升，限制器把去错误地关小给水限制阀，削减给水量，等到这种短暂的闪急汽化现象一旦平稳下来，由于蒸汽量增加，送入水量反而削减，将使水位严峻下降，波动很厉害，严峻时会使汽包水位降到紧急区内，甚至发生事故。产生“假液位”主要是蒸汽负荷量的波动，假如把蒸汽流量的信号引入限制系统，就可以克服这个主要干扰，这样就构成了双冲量限制系统。这是一个前馈--反馈限制系统。蒸汽流量是前馈量。借助于前馈的校正作用，可避开蒸汽量波动所产生的“假液位”而引起限制阀误动作，改善了限制质量，防止事故发生。2．双冲量限制系统双冲量限制系统的弱点是不能克服给水压力的干扰，当给水压力变更时，会引起给水流量的变更。一些大型锅炉则把给水流量的信号亦引入限制系统，以保持汽包液位稳定。这样，作用限制系统共有三个参数的信号，故称为三冲量限制系统。3．三冲量限制系统属于前馈—串级限制系统。蒸汽流量作为前馈信号,汽包水位为主变量，给水流量为副变量。三、过热蒸汽系统的限制过热蒸汽系统的限制过热蒸汽系统的限制的目的是保持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、一级过热器。过热蒸汽温度是锅炉汽水通道中温度最高的地方。过热器正常运行时的温度一般接近材料所允许的最高温度。假如过热蒸汽温度过高，则过热器简洁损坏，也会使汽轮机内部过度膨胀，严峻影响运行平安；过热蒸汽温度过低，则设备效率降低。同时使通过汽轮机最终几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。因此对过热器出口蒸汽温度应加以限制，使它不超出规定的范围。影响过热蒸汽温度的干扰因素很多，例如燃烧工况、蒸汽流量、减温水的流量和温度、流经过热器的烟气温度和流速等都会影响过热蒸汽温度。接受以减温器出口温度为副变量的串级限制系统双冲量限制系统，这种方案实质上是串级限制系统的变形。四、锅炉燃烧系统的限制锅炉燃烧系统的自动限制基本任务是使燃料燃烧时产生的热量，适应蒸汽负荷的须要。锅炉燃烧系统自动限制有三个主要作用：3)维持炉膛负压不变，应当使排烟量与空气量相协作。1)维持锅炉出口蒸汽压力的稳定。当负荷受干扰影响而变更时,通过限制燃料量使之稳定。2)保持燃料量和空气量按确定配比送入，即保持燃料燃烧良好。基本限制方案1.蒸汽压力限制2.燃料与空气的比值限制1）燃料与空气的单闭环比值限制2）具有逻辑提量的比值限制在比值限制系统中，有时负荷要常常须要提降，在提降过程中，为确保生产的正常进行，希望两流量之比始终大于（或小于）或等于所要求的比值，所以提出了逻辑提量问题。在锅炉中当负荷增加蒸汽压力下降时，燃料量也要增加，为了获得良好的燃烧效果，应先增加空气量，后增加燃料量；反之负荷减小蒸汽压力上升时，应先减小燃料量，后减小空气量；即负荷提降过程中，比值限制系统的动作具有确定的逻辑关系。具有逻辑提量的比值限制方案。3）燃料与空气的变比值限制3.炉膛负压限制当锅炉负荷变更不大时，可接受炉膛压力为被控变量，烟气量为操纵变量的简洁限制系统。当锅炉负荷变更较大时，应引入前馈，组成前馈—反馈限制系统第五节化学反应器的限制一、反应器的限制要求及被控变量的选择1．质量指标要使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的浓度。2．物料平衡和能量平衡为了使反应器能够正常运行，必需使反应器在生产过程中保持物料平衡和能量平衡。3．约束条件对于反应器，要防止工艺变量进入紧急区域或不正常工况。二、釜式反应器的限制1．限制进料温度进料经过预热器（或冷却器）进入釜式反应器。接受限制进入预热器（或冷却器）的加热剂（或冷却剂）流量，稳定釜内温度。对于带夹套的反应釜，可接受限制进入夹套的加热剂（或冷却剂）流量，稳定釜内温度2．限制夹套温度，但由于反应釜容量大，温度滞后严峻，特殊是进行聚合反应时，釜内物料粘度大，混合不匀整，传热效果差，很难使温度限制达到严格要求。这时就须要引入困难限制系统。3．串级限制系统串级限制系统对于进入副回路的干扰具有较强的克服实力及较好克服对象容量滞后大的问题，所以，反应釜依据主要干扰的不同状况，釜温与加热剂（或冷却剂）流量串级限制系统釜温与夹套温度串级限制系统三、固定床反应器的限制固定床反应器的工作方式是催化剂床层固定不动，流体原料通过催化剂床层，在催化剂作用下进行化学反应以生产所需物质。如二氧化硫转化为三氧化硫的接触器，合成氨生产中的变换炉，合成塔都属于这一类型。对于多段催化剂床层，往往要求分段进行温度限制，这样可使操作更趋合理，限制更为有效。1．限制进料浓度主要原料（即非过量的反应物）的浓度越高，对放热反应来说，反应后的温度也越高。如在硝酸生产中，氨氧化制取一氧化氮的过程是空气和氨分别进入混合器，然后通入氧化炉。这一反应基本上是不行逆的。为了使氨的浓度低于爆炸限度，空气是过量的。当氨的浓度在9～11%范围之内时，氨含量增高1%，将使反应温度提高60～70℃。最常用限制方案是通过变更氨气与空气流量的比值稳定氧化炉的温度。提高进料温度,将使反应器内温度上升。图所示方案中,进口物料与出口物料进行热交换，以便回收热量。2．限制进料温度图示方案是通过限制出料或进料旁路流量即变更进料温度稳定反应器的温度。3．限制段间进入的冷气量对于多段反应器，可将部分冷原料气干脆进入段间，与上一段反应后的热气体混合，以降低下一段入口气体的温度。在硫酸生产中，用二氧化硫转化为三氧化硫的固定反应器的温度限制方案如图由于一部分冷原料气经过一段催化剂层，所以原料气总的转化率有所降低。在合成氨生产工艺中，当用水蒸气与一氧化碳变换成氢气时，为了反应完全，进入变换炉的水蒸气往往是过量很多的，这时段间冷气接受水蒸气则不会降低一氧化碳的转化率，这种方案如图四、流化床反应器的限制流化床反应器的工作原理是，反应器底部装有多孔筛板，催化剂呈粉末状，放在筛板上，当从底部进入的原料气流速达到确定数值时，催化剂起先上升呈沸腾状，这种现象称为固体流态化。流化床反应器的限制与固定床反应器的限制相像，温度限制特殊重要的。限制流化床温度的方法有，通过限制热载体流量来变更原料进口温度可通过限制进入流化床的冷却剂流量来限制流化床反应器内的温度在流化床反应器内部，正常状况下，差压不能太大也不能太小，以防止发生催化剂下沉或冲跑的现象。为了刚好了解催化剂的沸腾状态，常设置差压