化工仪表及自动化第11章.ppt

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1、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升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

2、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,5,2.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n1n2n3。,该方案从能量

3、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,6,3.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

4、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,8,1.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,9,2.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 流体输送设备的控制方案,10,3.改变冲程 s,图11-7 往复泵的特性曲线,计量泵常用改变冲程s来进行流量控制。冲程s的调整可在停泵时进行，也有可在运转状态下进行的。,第一节 流体输送设备的控制方案

5、,三、压气机的控制方案,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、压缩机等类型。,第一节 流体输送设备的控制方案,12,1.直接控制流量,对于低压的离心式鼓风机，一般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。其余情况下，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量。因为气体的可压缩性，所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。 为了减少阻力损失，对大型压缩机，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 流体输送设备的控制方案,13,图11-8 分程控制方案,图11-9 分程阀的特性,第一

6、节 流体输送设备的控制方案,14,2.控制旁路流量,图11-10 控制压缩机旁路方案,对于压缩比很高的多段压缩机，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。 为了解决这个问题，可以在中间某段安装控制阀，使其回到入口端，用一只控制阀可满足一定工作范围的需要。,第一节 流体输送设备的控制方案,15,3.调节转速,压气机的流量控制可以通过调节原动机的转速来达到，这种方案效率最高，节能最好。 问题在于调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。,第一节 流体输送设备的控制方案,四、离心式压缩机的防喘振控制,16,1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象,图11-11 离心式压缩

7、机特性曲线,图11-12 喘振现象示意图,第一节 流体输送设备的控制方案,17,喘振是出现压缩机工作点这种反复迅速突变这一现象时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷，机身发生振动并波及到相连的管线，表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。 喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸入状态，也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲，吸入气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。,第一节 流体输送设备的控制方案,2.防喘振控制方案,（1）固定极限流量法,对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流量QB，为了安全起见，规定一

8、个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QPQB。,图11-13 防喘振旁路控制,18,第一节 流体输送设备的控制方案,（2）可变极限流量法,图11-14 防喘振曲线,图11-14上的喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机特性曲线的最高点的连线。只要压缩机的工作点在喘振极限线的右侧，就可以避免喘振发生。,19,第一节 流体输送设备的控制方案,安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式表示,（11-2）,在,时，工况是安全的。,经过换算，上述不等式可写成如下形式,20,（11-3）,第一节 流体输送设备的控制方案,21,图11-15 变极限流量防喘振控制方案,该方案控制器FC的给定值是经过运算得到的

9、，因此能根据压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量的给定值，而且由于这种方案将运算部分放在闭合回路之外，因此可像单回路流量控制系统那样整定控制器参数。,第二节 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,22,1. 控制载热体的流量,图11-16 改变载热体流量控制温度,图11-16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。采用传热基本方程式的工作原理。,若不考虑传热过程中的热损失,第二节 传热设备的自动控制,23,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,24,图11-17 换热器串级控制系统,如果载热体本身压力不稳定，

10、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。,第二节 传热设备的自动控制,25,2.控制载热体旁路流量,图11-18 用载热体旁路控制温度,采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，可以改变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。 旁路的流量一般不用直通阀来直接进行控制，因为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。,第二节 传热设备的自动控制,26,3.控制被加热流体自身流量,图11-19 用介质自身流量控制温度,只能用在工艺介质的流量允许变化的场合。,第二节 传热设

11、备的自动控制,27,4. 控制被加热流体自身流量的旁路,图11-20 用介质旁路控制温度,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。,第二节 传热设备的自动控制,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制,28,在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热，通过管壁加热工艺介质。如果要加热到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行，先冷凝后降温。,当仅考虑汽化潜热时，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,29,当被加热介质的出口温度t2为被控变量时

12、，常采用下述两种控制方案。,1.控制蒸汽流量,图11-21 用蒸汽流量控制温度,通过改变加热蒸汽量来稳定被加热介质的出口温度。当阀前蒸汽压力有波动时，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。,第二节 传热设备的自动控制,30,2.控制换热器的有效换热面积,图11-22 用凝液排出量控制温度,图11-23 温度-液位串级控制系统,图11-24 温度-流量串级控制系统,第二节 传热设备的自动控制,31,两种方案比较,控制蒸汽流量法,优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。缺点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，有时凝液冷到100以下，这时加热器内蒸汽一侧

13、会产生负压，造成冷凝液的排放不连续，影响均匀传热。,第二节 传热设备的自动控制,32,控制换热器的有效换热面积法,缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。优点：防止局部过热，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、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制,33,1.控制冷却剂的流量,图11-25 用冷却剂流量控制温度,该方案不以液位为被控变量，但液位不能过高，过高会造成蒸发空间不足，使出去的氨气中夹带大量液氨，引起氨压缩机的操作事故。 这种控制方案带有上限液位报警，或

14、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。,第二节 传热设备的自动控制,34,2.温度与液位的串级控制,图11-26 温度-液位串级控制,该方案的实质是改变传热面积。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。,第二节 传热设备的自动控制,35,3.控制汽化压力,图11-27 用汽化压力控制温度,工作原理,基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。,第二节 传热设备的自动控制,36,这种方案控制作用迅速，只要汽化压力稍有变化，就能很快影响汽化温度，达到控制工艺介质出

15、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统一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、工艺要求,37,1.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。,第三节 精馏塔的自动控制,38,2.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

16、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。,第三节 精馏塔的自动控制,39,3.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。,第三节 精馏塔的自动控制,40,4.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。,第三节 精馏塔的自动控制,二、精馏塔的干扰因素,41

17、,图11-28 精馏塔的物料流程图,1.进料流量F的波动（）2.进料成分ZF的变化（）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,第三节 精馏塔的自动控制,三、精馏塔的控制方案,42,1.精馏塔的提馏段温控,图11-29 提馏段温控的控制方案示意图,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。,第三节 精馏塔的自动控制,43,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，

18、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。,第三节 精馏塔的自动控制,44,2.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。,图11-30 精馏段温控的控制方案示意图,第三节 精馏塔的自动控制,45,精馏段温控的主要特点与使用场合：, 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。 如果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,46,在

19、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。,第三节 精馏塔的自动控制,47,3.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。,图11-31 T-x曲线,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,48,图11-32 双温差控制方案,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

20、的测量信号（即控制系统的被控变量）。,第三节 精馏塔的自动控制,49,4.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。,第四节 化学反应器的自动控制,一、化学反应器的控制要求,50,1.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,第四节 化学反应器的自动控制,51,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

21、。 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。,第四节 化学反应器的自动控制,52,2.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。,第四节 化学反应器的自动控制,二、釜式反应器的温度自动控制,53,1.控制进料温度,图11-33

22、改变进料温度控制釜温,第四节 化学反应器的自动控制,54,2.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11-34 改变加热剂或冷却剂流量控制釜温,第四节 化学反应器的自动控制,55,3.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11-35 釜温与冷剂流量串级控制示意图,第四节 化学反应器的自动控制,56,图11-36 釜温与夹套温度串级控制示意图,图11-37 釜温与釜压串级控制系统示意图,第四节 化学反应器的自动控制,三、固定床反应器的自动控制,57,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

23、，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,第四节 化学反应器的自动控制,58,图11-38 改变进料浓度控制反应器温度,图11-39 用载热体流量控制温度,第四节 化学反应器的自动控制,59,图11-40 用旁路控制温度,图11-41 用改变段间冷气量控制温度,图11-42 用改变段间蒸汽量控制温度,第四节 化学反应器的自动控制,四、流化床反应器的自动控制,60,图11-43 流化床反应器原理示意图,图11-44 改变入口温度控制反应器温度,第四节 化学反应器的自动控制,61,图11-45 改变冷剂流量控制

24、温度,图11-46 流化床差压指示系统,第五节 生化过程的控制,一、常用生化过程控制,62,1.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3050（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）。,图11-47 发酵罐温度控制,第五节 生化过程的控制,63,2.通气流量、罐压和搅拌转速控制,图11-48 发酵罐搅拌转速、罐压（或流通气量）控制,第五节 生化过程的控制,64,3.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

25、为供氧和需氧矛盾的结果。,第五节 生化过程的控制,65,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11-49 改变搅拌转速的溶氧串级控制系统,第五节 生化过程的控制,66,4.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11-50 连续流加pH控制,图11-51 脉冲式流加pH控制,第五节 生化过程的控制,67,5.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11-52 消泡控制,第五节 生化过程的控制,二、青霉

26、素发酵过程控制,68,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。,第五节 生化过程的控制,三、啤酒发酵过程控制,69,啤酒发酵过程是一个微生物代谢过程。在发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、糖度和时间的变化。,啤酒发酵生产工艺对控制的主要要求是： 控制罐温在特定阶段时与标准的工艺生产曲线相符； 控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要； 控制结果不应与工艺要求相抵触，如局部过冷、破坏酵母沉降条件等。,第五节 生化过程的控制,70,图11-53 啤酒发酵温度控制曲线,图11-54 系统硬件结构,71,END,