工业仪表及自动化控制 典型化工单元的控制方案 课件

工业仪表及自动化控制模块三典型化工单元的控制方案课程目标能力（技能）目标1.能正确精馏塔控制的工艺要求2.能分析精馏塔的干扰因素3.能分析精馏塔的控制方案4.能分析生化反应器的控制要求01知识目标021.掌握精馏塔的提馏段控温方案2.掌握精馏段控温方案3.掌握釜式反应器、固定床反应器、流化床反应器的控制方案精馏塔的自动控制化学反应器的自动控制目录升化过程的控制精馏塔的自动控制01精馏塔的自动控制

概述精馏过程是利用混合液中各组分挥发度的不同将各组分进行分离，并达到规定纯度要求。精馏塔是精馏过程的关键设备，被控变量多，操控变量多，所以控制方案繁多。

精馏塔的自动控制

一、工艺要求1.保证质量指标对于一个正常操作的精馏塔，一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应当取塔顶或塔底的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统。质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。2.保证平稳操作为了保证塔的平稳操作，必须把进塔之前的主要可控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。为了维持塔的物料平衡，必须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。塔内的持液量应保持在规定的范围内。控制塔内压力稳定，对塔的平稳操作是十分必要的。重点精馏塔的自动控制

一、工艺要求3.约束条件

为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。4.节能要求和经济性

在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。精馏塔的自动控制

二、精馏塔的干扰因素1.进料流量F的波动（＊）上工序设置液位均匀控制出料2.进料成分ZF的变化（＊）不可控干扰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）加入热量的变化5.冷却剂在冷凝器内除去热量的变化6.环境温度的变化图

精馏塔的物料流程图精馏塔的自动控制

三、精馏塔的控制方案1.精馏塔的提馏段温控

如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。提馏段温控的主要特点与使用场合（1）采用了提馏段温度作为间接质量指标，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达到规定值。（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。图

提馏段温控的控制方案示意图难点精馏塔的自动控制

三、精馏塔的控制方案2.精馏塔的精馏段温控

如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控精馏段温控的主要特点与使用场合（1）采用了精馏段温度作为间接质量指标，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格时，一般宜采用精馏段温控方案。（2）如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。图

精馏段温控的控制方案示意图精馏塔的自动控制

在采用精馏段温控或提馏段温控时，当分离的产品较纯时，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，但实际上却很难满足。解决这一问题的方法，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。精馏塔的自动控制

三、精馏塔的控制方案3.精馏塔的温差控制及双温差控制

采用温差作为衡量质量指标的间接变量，是为了消除塔压波动对产品质量的影响。温差与产品纯度之间并非单值关系。

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，作为控制器的测量信号（即控制系统的被控变量）。图

双温差控制方案精馏塔的自动控制

三、精馏塔的控制方案4.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指标控制。化学反应器的自动控制02化学反应器的自动控制

一、化学反应器的控制要求1.质量指标

化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成物的规定浓度。如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为以温度、压力等工艺变量作为间接控制指标，有时并不能保证质量稳定。当有干扰作用时，转化率和反应生成物组分等仍会受到影响。特别是在有些反应中，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，这就需要不断地根据工况变化去改变温度控制系统的给定值。在有催化剂的反应器中，由于催化剂的活性变化，温度给定值也要随之改变。化学反应器的自动控制

一、化学反应器的控制要求2.物料平衡

为使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种物料量恒定，配比符合要求。3.约束条件

对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，应当配备一些报警、联锁装置或设置取代控制系统。化学反应器的自动控制

二、釜式反应器的温度自动控制1.控制进料温度2.改变传热量由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现温度控制。图

改变进料温度控制釜温图

改变加热剂或冷却剂流量控制釜温化学反应器的自动控制

二、釜式反应器的温度自动控制3.串级控制为了针对反应釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。图

釜温与冷剂流量串级控制示意图图

釜温与夹套温度串级控制示意图图

釜温与釜压串级控制系统示意图化学反应器的自动控制

三、固定床反应器的自动控制

固定床反应器是指催化剂床层固定于设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以生成所需反应物。常见的温度控制方案有：改变进料浓度改变进料温度改变段间进入的冷气量化学反应器的自动控制

三、固定床反应器的自动控制图

改变进料浓度控制反应器温度图

用载热体流量控制温度化学反应器的自动控制

三、固定床反应器的自动控制图

用旁路控制温度图用改变段间冷气量控制温度图

用改变段间蒸汽量控制温度化学反应器的自动控制

四、流化床反应器的自动控制图

流化床反应器原理示意图图

改变入口温度控制反应器温度图

改变冷剂流量控制温度图

流化床差压指示系统生化过程的控制03生化过程的控制

一、常用生化过程控制1.发酵罐温度控制一般发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在30～50℃（±0.5℃）。过程操纵变量为冷却水量，一般不需加热（特别寒冷地区除外）。2.通气流量、罐压和搅拌转速控制图

发酵罐温度控制图

发酵罐搅拌转速、罐压（或流通气量）控制生化过程的控制

一、常用生化过程控制3.溶氧浓度控制

在发酵过程中必须控制溶解氧浓度，使其在发酵过程的不同阶段都略高于临界值，这样既不影响菌体的正常代谢，又不致为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。培养液的溶解氧水平其实质为供氧和需氧矛盾的结果。最常用的溶氧浓度控制方案：

改变搅拌速率；改变通气速率。图

改变搅拌转速的溶氧串级控制系统生化过程的控制

一、常用生化过程控制4.pH值控制

在发酵过程中为控制pH值而加入的酸碱性物料，往往就是工艺要求所需的补料基质，所以在pH控制系统中还须对所加酸碱物料进行计量，以便进行有关离线参数的计算。图

连续流加pH控制图

脉冲式流加pH控制生化过程的控制

一、常用生化过程控制5.自动消泡控制当电极检测到泡沫信号后，控制器便周期性地加入消泡剂，直至泡沫消失。

图

消泡控制生化过程的控制

二、青霉素发酵过程控制青霉素发酵过程中直接检测的变量有：温度、pH值、溶解氧、通气流量、转速、罐压、溶解CO2、发酵液体积、排气CO2、排气O2等。离线检测的参数有：菌体量、残糖量、含氮量、前体浓度和产物浓度等。相关性包括两个方面：理化相关和生物相关。生化过程的控制

三、啤酒发酵过程控制