化工过程控制

化工流程的自动控制仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。强化化工流程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。化工流程自动化控制的优点：①、提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品质量或收率；②、保证化工流程安全、稳定的运行；③、对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；④、降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响；“CAC”－－－ComputerAidedControl“CAO”－－－ComputerAidedOperation化工流程中经常需要控制的部分工艺变量（参数）：温度压力流量液位搅拌转速PH值浊度、粘度、各种组份浓度对一个化工流程进行控制人工控制仪表和计算机控制（自动控制）自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、计算机装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观察、大脑判断决策、手动操作。计算机自动控制系统示意图化工过程（或化工设备）一次仪表二次仪表（物理量）（变送器）计算机控制装置4～20mA0～5V执行机构（自控阀门）计算机自动控制系统仪表（一次和二次仪表）计算机控制装置动作机构（自控阀门）计算机主机（硬件、软件）A/D、D/A（模入、模出）控制软件（平台软件及二次开发的控制应用软件）化工流程自控仪表的一些图形符号：自控参量代号：T——温度F——流量P——压力或真空度L——物位C——浓度pH——氢离子浓度A——分析V——黏度M——搅拌转速自控功能代号：I——指示 C——控制 Q——累积J——记录X——信号 T——调节L——联锁A——报警R——人工遥控

表示将位号为101的流量信号引入计算机自控系统，显示并控制该值。表示在设备附近就地加装仪表显示温度101，而不引入计算机自控系统。FIC101TI101例如：8.1化工流程自控控制的一些基本概念一、自动控制术语TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水要求：热流股温度控制在80±1℃1、被控对象（被控过程、被控设备）TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。上述例子中，被控对象就是换热器。2、被控变量（被控参数）定义：被控对象中需要保持规定数值的物理量。上述例子中，热流股的温度。TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水3、控制变量（操纵变量）定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值的某个物理量。上述例子中，加热蒸汽的流量。4、干扰变量（扰动变量）定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生变化的一些物理量。上述例子中，加热蒸汽的压力（温度）、冷流股的流量及温度。TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水5、设定值与控制精度设定值－－－被控变量的工艺规定值。（注意：对开环控制系统，控制变量也可以有设定值。）控制精度－－－设定值允许的波动范围。上述例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。80℃就是被控变量的设定值，±1℃就是对热流股温度的控制精度要求。对连续过程，设定值是一个定值温度（℃）时间80温度（℃）时间对间歇过程，设定值也可以是一个随时间而变的曲线（时变曲线）TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水6、控制偏差控制偏差－－－被控变量的设定值与其实际测量值之差。上述例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。如果实际检测为80.6℃，那么0.6℃就是控制偏差。偏差在控制精度以内－－－控制有效（成功控制），如80.9℃偏差在控制精度以外－－－控制失控，如81.2℃控制失效的原因有多种。二、控制系统类型计算机自动控制系统开环控制系统闭环控制系统TI换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水1、开环控制系统人工预先给定蒸汽流量值计算机控制装置TI换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水FI2、闭环控制系统TIC换热器冷流股热流股加热蒸汽冷凝水闭环控制系统作用原理：通过被控变量的检测值与其设定值的偏差（包括偏差正负方向），反过来通过计算机控制装置对控制变量进行操纵调节。开环控制系统与闭环控制系统的几点显著区别：①、闭环控制系统是按被控变量的检测值与其设定值的偏差去操纵（影响）控制变量；而开环控制系统是按照控制变量本身的设定值或干扰变量的大小去操纵（影响）控制变量。②、闭环控制系统在被控变量控制装置控制变量之间形成了相互影响的回路。即：控制变量可以改变到被控变量，反过来，被控变量的信息有可以指导控制变量的调节。而开环控制系统不存在此相互影响的回路。③、闭环控制系统必须有被控变量的检测，而开环控制系统可以没有被控变量的检测。化工流程的控制系统类型，绝大多数为闭合控制系统。关于化工流程控制回路的控制算法（控制器算法）◆普通固定PID算法；◆自校正PID算法；◆自适应控制算法；◆自校正控制算法；◆模糊（FUZZY）控制算法；◆专家控制系统算法；在化工流程的实际控制中，经常遇到一些干扰变量多、大滞后等问题，对控制回路的控制算法提出了挑战。◆……控制要求为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：抑止外部扰动的影响使过程在优化的工况下操作控制要求为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：抑止外部扰动的影响扰动—外界因素变化如原料和公用工程流量、温度和压力的波动对系统的影响。干扰不可避免过程变量x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部因素影响时，可能有两种变化：稳定系统的响应特性（1）稳定系统——在开始时受到外界的影响而波动，但随时间的变化，x无需外界干预就能稳定，即不需要利用控制机构就能回复到初值。过程变量x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部因素影响时，可能有两种变化：（1）稳定系统——在开始时受到外界的影响而波动，但随时间的变化，x无需外界干预就能稳定，即不需要利用控制机构就能回复到初值。（2）不稳定系统——受到外界的影响不能随着时间的变化恢复原状。不稳定系统的一种响应特性设在冷却围夹套的连柳续搅拌反沃应釜中，秀进行串联初反应:副反应夸为放热急反应，调其放热洒量通过历器壁传句给夹套遮中的冷仪剂。通出过分析僻，可知德反应放誓热量可惑用釜温撇T的S呼形函掠数A杆来表示蒜，而冷栏剂吸收阵的热量糊是釜温榆T的厨线性函斗数B。控制要求为了达到附设计的各登项要求，羞必须对生捆产装置进河行连续的贿监视和控吃制。控制玻系统应满英足两项基针本要求：抑止外鉴部扰动踢的影响使过程彩在优化鸡的工况抽下操作设在某店气固催狡化反应酿，其催筛化剂失滩活迅速蹈，需定肠期切换候，副反咬应的活续化能高罪于主反扩应。反述应器全钉年利润蔽：——每倒年反应仇器再生限次数——操作舟周期若反应器历高温操作察：反应选团择性低帽，原料铺消耗费粘用增加津；应采用傻变温操句作，在缘瑞操作周驾期内逐越步升温泥。反应速度讯低，产率铜低；同样兴产量，催酒化剂再生践费用增加若反应神器低温拳操作：最优化笑控制控制系统揭的设计要使点及步骤例如，号苯（B丙)和稳乙烯（蚂E）气雕相烃化股的反应抵方程式言如下：确定达挺到设计极要求所雁需测量他的参数乙苯二乙苯二甲苯甲苯反应采用异的催化剂可较易失活败，若苯过樱量能减缓砍催化剂的恋失活并能签提高反应昨的选择性世。试决定哀需测量的欣参数。苯和乙瞧烯气相晚烷基化岛流程图(1)产绩品数量：生产过欣程的产费品是乙恰苯，决恐定乙苯牵数量的虽控制因府素是原过料乙烯的流男量。为了富计量目的扫，应测量烦乙苯的流毙量；为了丝式控制的目余的应测量虚乙烯的进春料量。苯和鞋乙烯气嫁相烷基夹化流程男图(1)耗产品数切量：生产过取程的产屈品是乙犬苯，决侧定乙苯苏数量的站控制因理素是原抢料苯的流量菌。为了计娃量目的，谈应测量乙趟苯的流量肌；为了控矮制的目的遮应测量乙碰烯的进料牺量。(2)寨产品质棕量：乙苯的质午量由乙苯点精馏塔塔悉顶产品的闭组成决定蹄。为确保黄该组成为尚预期值，将测量参数钥有以下三当种方案：反馈控卸制前馈控钳制推断控制反馈控制乙苯精命馏塔产旗品质量费反馈控眠制----葵--利用伞被控变量怨的直接测孩量值调节里控制变量前馈控和制乙苯精馏准塔产品质技量前馈控霉制----愈-利用直仅接测量的沸扰动来调巧节被控制至变量的方君法推断控制乙苯精腥馏塔产亚品质量闪推断控钞制---利横用塔板温校度与馏出肺液组成的愤严格关系描，控制精舰馏塔塔顶醉出口组成(3)安止全：为了防止厌燃烧与爆小炸事故，必应防止设锯备的超温辫和超压。对于反应炼器R10膊1应测量潮其进出口竞温度和床口层温度，软并设置超漏温报警及顷紧急情况骡下切断乙浴烯进料的装装置。对于精橡馏塔应欣测量其号塔顶或锡塔釜的奔压力。(4)可棍操作可操作猜的基本症要求是永满足各林个设备泛内在的醒约束条据件。例如储罐忽不应溢流其或抽空，其精馏塔不融应液泛或灯漏液。因所此，应设东置储罐V内101，流V102赞，V10叫3的液面停测量，精选馏塔T1咐02，T流103的平压降测量迫等措施。(5)经遗济：优化控脖制设备均：例如骗反应器括R10猴1的优寺化控制嘴问题，音是否采列用优化裳控制要秩根据可事能性和煤经济评俯价结论益确定；在乙烯尊、苯、秘乙基苯男、冷却类水总管垂、蒸汽四总管等丝式管道上题设置流轰量计，畅为计算座车间成雨本提供践所必须瓜的产量柏和原料疏、辅助彻材料以饮及公用缩慧工程的师消耗量逐。重要毛的流量马计不仅就能提供恭和显示殊瞬间值钳，而且贯有累计刃功能。苯和乙扛烯气相担烷基化还流程图2)选择姑控制变量对于某个舰测量参数奔，可能有期多个可任恭意调节的吗输入变量袖，需选择专一个或多此个变量作舌为控制变扮量，即确世定控制方逃案。--深---该旱项工作是榨过程控制遗的核心内毙容。若有多嘱个方案炊可供选烟择而定些性分析提不能作洽出判断换时，则喜有必要豪进行动蓬态模拟蝴以得出报定量的忆结论。控制系滴统的设座计要点斗及步骤确定达章到设计举要求所普需测量陪的参数2)选誉择控制偏变量控制系统扩的设计要诞点及步骤确定达到时设计要求舱所需测量巷的参数3)确定厦调节器的悟调节规律目前广既泛应用富的调节隔规律有燃三种：比例调节比例积分录调节比例积欧分微分渡调节3)确定稳调节器的保调节规律比例调节按照被调辨参数值与品给定值的熔偏差大小恭和方向，捉发出与偏乐差成比例岩的控制信期号。例如：盘蚀管加热器桐处于稳态朋工况下的妨热量平衡窜式为：式中F烫、、C弟p、阿T1和T2分别是物叫料的流量曲、密度、纸热容、进致口和槽内颗温度。Q豪为蒸汽传纤递给物料唐的热量，规上标0表岭示稳定状仁态。若有外界需干扰T1升高，如约果不改变点Q，T2将随着蚂时间律t逐渐顽升高。设储槽垄内液体秒体积稳慌定为V集，则0要使偏差拴等于0，始需要按照仿T2与T20的偏差调策节Q。设涉控制规律错使Q的变灰化与偏差祖T2-T20成比例割，即比例增皮益比例反馈景控制的温饰度响应曲陪线比例调反节不适澡用于负载荷变化棵较大而霜又不允紧许有残罚余偏差猜的系统百。确定调城节器的沿调节规户律目前广牲泛应用让的调节带规律有易三种：比例调节比例积优分调节比例积脆分微分聋调节比例积分奴调节比例积案分调节蔽是指它慨的输出增不是与凳偏差保偏持比例鞠关系，肥而与偏哨差对时映间的积吉分保持泪比例关田系。即警：比例积虫分反馈目控制的规温度响贪应曲线比例积裹分调节金不适用裂于纯滞条后和惯煤性滞后蚊较大的慕系统。比例积潮分调节农适用于唱负荷变予化较大彩而又不红允许有资残余偏躬差的系纷统。确定调节醋器的调节和规律目前广极泛应用待的调节遍规律有佛三种：比例调珠节比例积分地调节比例积棋分微分伯调节微分调凉节规律之是：与比例恩积分调罢节相结蜻合，如窝果微分暖时间选上择恰当带，能提雪高惯性擦滞后较辟大的对兄象的调构节品质午，提高射系统的饿稳定性怜。第七章刮过程控霉制控制要处求：简单调节淘系统控制系乌统的设瓣计要点匆及步骤复杂调雾节系统抑制外祥部扰动拴，使过凯程在优首化的状肉态下操旧作压力控府制勒液位控号制烧温度控稠制流刘量控制串级控蛛制直分程控订制超摩驰控制月前袭馈控制简单调钻节系统压力控制液位控制温度控嫌制流量控围制压力控伸制有大量供不凝气承体的精姥馏塔压临力控制控制排放荒量调节下炸游压缩织机转速压力控制叹的方式取玩决于过程脆特征压力控植制有少量不乳凝气体的除精馏塔压悠力控制，雾可采用改达变塔顶蒸暴汽冷凝量缓的方法：调节冷剂边的流量；压力控制有少量要不凝气怜体的精私馏塔压岂力控制锅，可采渠用改变菊塔顶蒸曲汽冷凝黄量的方桶法：调节冷卷剂的流墙量；当不允披许调节姥冷剂流妇量时，庙可接三死通使一贸部分冷否剂不进邻入冷凝器器；简单调节雀系统压力控制液位控叔制温度控死制流量控住制液位控制气液两能相的界幼面控制姑，通常晚有三种事控制方脂案：用溢流保占持液面恒市定；液位控遵制气液两印相的界委面控制搞，通常脚有三种拳控制方絮案：用溢流保财持液面恒计定；用出料控械制液面稳落定；液位控制气液两父相的界遍面控制衔，通常报有三种递控制方贺案：用溢流盗保持液存面恒定肯；用出料谢控制液毁面稳定制；用进料焰控制液屡面稳定奇；液位控制两个液恐相的界献面控制收：对卧式容培器液位控制两个液相踢的界面控点制：对立式哭容器液位控制液相与其名他参数的暑交叉控制允：例如精暑馏塔塔尘釜液位开受再沸子器内供透热影响容较大，亲液位对宾塔釜排口出量调伏节不灵株敏时，贸应采用耐交叉控忧制。简单调节肝系统压力控意制液位控制温度控制流量控制温度控制热交换罚器温度通控制—丝式—也即拢传热量付Q的控足制——传热质面积；——传热糠温差；——传热系环数；在正常的陶物流流量尿和温度范浆围内变化锦很少传热量Q受的控制可坑通过调节道换热面积主A和蜂传热温差T来绞实现。温度控制热交换防器温度溪控制—效—也即民传热量祖Q的控图制无相变换咽热器通过奸改变冷（要热）介质稻或物料的杨流量调节钱物料出口虑温度。a)结控制冷洽热媒流巧量b)冷景热媒流量笋旁通c)碰改变物棵料流量温度控制热交换器拐温度控制扣——也即城传热量Q于的控制有相变止换热器废，若压核力不可弊调，则增温差一艳定，温加度调节融可通过贪改变换贡热面积凳实现；竞若压力成可调，洪如使用谎蒸汽加霜热，可损通过改价变蒸汽凶压力，步即冷凝事温度的挣办法来巾调节物遗料温度匹。a)赏调节蒸新汽压力温度控丽制热交换器掘温度控制汤——也即源传热量Q隔的控制有相变换娘热器，如偷使用蒸汽结加热，若另物料温度友低，且热班负荷低时残，蒸汽冷粮凝温度低堪于1000C,压漆力低于饱肯和蒸汽压喜力，可将诞调节阀装敬在凝液排戏出管道上典，通过凝母液排出量蝴的变化，燥调节有效凉传热面积送。b)挡调节有亚效传热升面温度控制2）精馏弹塔的温度坚控制——括若在线组增分分析技耀术复杂，纱靠人工分思析又不能碗及时得到欲控制信息法，可用温蠢度控制代片替质量控吨制。a)精馏伞段回流调探节控制温京度b)提才馏段调榴节蒸汽哗量控制差温度温度控制2）精备馏塔的蹄温度控随制——群若在线炒组分分电析技术绒复杂，假靠人工偷分析又浇不能及倍时得到卷控制信投息，可哲用温度创控制代侍替质量弄控制。对于一个卫精馏塔，裤精馏段和趁提馏段两搁者中只能蒜采用一个捞温度控制村，下列情爽况可采用极提馏段温植度控制：塔底产品随纯度要求绳比塔顶产港品的高；精馏段板衰上温度不传能很好的晒反映组成晶的变化或疤不灵敏；进料为液家相，进料崖的温度或爪组成的波移动对提馏由段的影响快较精馏段傍更迅速和轨显著，因虚而提馏段潮温控滞后春较小；精馏塔的速回流量取百决于塔釜候脱除轻组以分的要求榆时，回流除量大于塔梢顶脱除轻佛组分的实喝际需要；简单调节忘系统压力控制液位控制温度控家制流量控取制流