化工儀表及自動化第10章

1、化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 化工儀表及自動化化工儀表及自動化第十章第十章 典型化工單元的控制方案典型化工單元的控制方案 任課教師：朱旭任課教師：朱旭化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案n 離心泵的控制方案離心泵的控制方案n 往復泵的控制方案往復泵的控制方案n 壓氣機的控制方案壓氣機的控制方案n 離心式壓縮機的防喘振控制離心式壓縮機的防喘振控制n 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制n 兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案n 載熱體進行冷凝的加熱器自動控制載熱體進行冷凝的加熱器自動控制n 冷卻劑進行汽化的冷卻

2、器自動控制冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制n 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制n 工藝要求工藝要求1化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 精餾塔的干擾因素精餾塔的干擾因素n 精餾塔的控制方案精餾塔的控制方案n 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n 化學反應器的控制要求化學反應器的控制要求n 釜式反應器的溫度自動控制釜式反應器的溫度自動控制n 固定床反應器的自動控制固定床反應器的自動控制n 流化床反應器的自動控制流化床反應器的自動控制n 生化過程的控制生化過程的控制n 常用生化過程控制常用生化過程控制n 青霉素發(fā)酵過程控制青霉素發(fā)酵過程控制n 啤酒發(fā)酵過程控制啤酒發(fā)酵過程控制

3、2化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案n 一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案3 離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。 當干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結(jié)果使流量回到給定值。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 4圖11-1 改變泵出口阻力控制流量圖11-2 泵的流量特性曲線與管路特性曲線 控制閥一般應該安裝在泵的出口管線上，而不應控制閥一般應該安裝在泵的出口管線上，而不應該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。

4、 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 52.2.控制泵的轉(zhuǎn)速控制泵的轉(zhuǎn)速圖11-3 改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量 圖11-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3時的流量特性，且有n1n2n3。 該方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟，機械效率較高，但調(diào)速機構(gòu)一般較復雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 6圖11-4 改變旁路閥控制流量 將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵的實際排出量。 控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。 該方案不經(jīng)濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總

5、的機械效率降低機械效率降低，故很少采用。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 二、往復泵的控制方案二、往復泵的控制方案7 往復泵往復泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，它是利用活塞在汽缸中往復滑行來輸送流體的。 往復泵提供的理論流量可按下式計算 h/m603nFsQ 理（11-1）化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 8圖11-5 改變轉(zhuǎn)速的方案 該方案適用于以蒸汽機或汽輪機作原動機的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進而控制往復泵的出口流量。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 9圖11-6 改變旁路流量 該方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經(jīng)濟性較差。 化學

6、工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 10圖11-7 往復泵的特性曲線 計量泵常用改變沖程s來進行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進行，也有可在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行的?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 三、壓氣機的控制方案三、壓氣機的控制方案11 其作用原理不同可分為離心式和往復式兩大類； 按進、出口壓力高低的差別，可分為真空泵、鼓風機、壓縮機等類型。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 12 對于低壓的離心式鼓風機低壓的離心式鼓風機，一般可在其出口直接用控制閥控制流量。由于管徑較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其余其余情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口入口端控制流量。因為氣體的可壓縮性，所以這種方案對于往復

7、式壓縮機也是適用的。 為了減少阻力損失，對大型壓縮機，往往不用控制吸入閥的方法，而用調(diào)整導向葉片角度的方法。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 14圖11-10 控制壓縮機旁路方案 對于壓縮比很高的多段壓縮機，從出口直接旁路回到入口是不適宜的。這樣控制閥前后壓差太大，功率損耗太大。 為了解決這個問題，可以在中間某段中間某段安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定工作范圍的需要。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 15 壓氣機的流量控制可以通過調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速來達到，這種方案效率最高，節(jié)能最好效率最高，節(jié)能最好。 在于調(diào)速機構(gòu)一般比較復雜復雜，沒有前兩種方法簡便。 化學工業(yè)出版社化學工

8、業(yè)出版社 n n 四、離心式壓縮機的防喘振控制四、離心式壓縮機的防喘振控制16圖11-11 離心式壓縮機特性曲線圖11-12 喘振現(xiàn)象示意圖化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案17是出現(xiàn)壓縮機工作點這種反復迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機忽進忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負荷，機身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計和壓力表的指針大幅度擺動。 喘振是離心式壓縮機固有的特性。負荷減小是離心式壓縮機產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。氣體的溫度

9、或壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n （1 1）固定極限流量法）固定極限流量法 對于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機，都有一個進入喘振區(qū)的極限流量QB，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機吸入流量的最小值QP，且有QPQB。 圖11-13 防喘振旁路控制18化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 圖11-14 防喘振曲線 圖11-14上的喘振極限線是對應于不同轉(zhuǎn)速時的壓縮機特性曲線的最高點的連線。只要壓縮機的工作點在喘振極限線的右側(cè)，就可以避免喘振發(fā)生。 19化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 21圖11-15 變極限流量防喘振控制方案 該方案控制器FC的給定值是經(jīng)過運算得到的

10、，因此能根據(jù)壓縮機負荷變化的情況隨時調(diào)整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運算部分放在閉合回路之外，因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制n 一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案22圖11-16 改變載熱體流量控制溫度 圖11-16表示利用控制載熱載熱體流量體流量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱基本方程式的工作原理。 若不考慮傳熱過程中的熱損失12222111ttcGTTcGQ化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控

11、制mtKFQmtKFttcG122223傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算1222tcGtKFtm整理后，得移項后改寫為化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 25圖11-18 用載熱體旁路控制溫度 采用三通控制閥來改變進入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。 旁路的流量一般不用直通閥來直接進行控制，因為在換熱器內(nèi)部流體阻力小的時候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 26圖11-19 用介質(zhì)自身流量控制溫度化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 27圖11-20

12、用介質(zhì)旁路控制溫度 當被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制21211GttcGQ28 在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200以上或30以下時，常采用一些有機化工物作為載熱體。 這種傳熱過程分兩段進行，先冷凝后降溫。 當僅考慮汽化潛熱時，熱量平衡方程式為 傳熱速率方程式仍為mtKFGQ2化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 29 當被加熱介質(zhì)的出口溫度t2

13、為被控變量時，常采用下述兩種控制方案。圖11-21 用蒸汽流量控制溫度 通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設(shè)壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 30圖11-22 用凝液排出量控制溫度圖11-23 溫度-液位串級控制系統(tǒng)圖11-24 溫度-流量串級控制系統(tǒng)化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 31控制蒸汽流量法 優(yōu)點：優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。缺點：缺點：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，有時凝液冷到100以下，這時加熱器內(nèi)蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影

14、響均勻傳熱。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 32控制換熱器的有效換熱面積法缺點：缺點：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點：優(yōu)點：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學變化的過敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的體積比蒸汽體積小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制33圖11-25 用冷卻劑流量控制溫度 該方案不以液位為被控變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨壓縮機的操作事故。 這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫

15、度-液位自動選擇性控制，當液位高于某上限值時，自動把液氨閥關(guān)小或暫時切斷?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 35圖11-27 用汽化壓力控制溫度 基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改變，于是相應的汽化溫度也就改變了。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 36 這種方案控制作用迅速，只要汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達到控制工藝介質(zhì)出口溫度的目的。但是由于控制閥安裝在氣氨出口管道上，故要求氨冷器要耐壓，并且當氣氨壓力由于整個制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一要求不能隨意加以控制時，這個方案就不能采用了。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制n 一、工

16、藝要求一、工藝要求37 對于一個正常操作的精餾塔，一般應當使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個產(chǎn)品達到規(guī)定的純度要求，另一個產(chǎn)品的成分亦應保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為此，應當取塔頂或塔底的產(chǎn)品質(zhì)量作被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)。 質(zhì)量控制系統(tǒng)需要能測出產(chǎn)品成分的分析儀表。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 38 為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須把進塔之前的主要可控干擾盡可能預先克服，同時盡可能緩和一些不可控的主要干擾。 為了維持塔的物料平衡，必須控制塔頂餾出液和釜底采出量，使其之和等于進料量，而且兩個采出量變化要緩慢，以保證塔的平穩(wěn)操作。 塔內(nèi)的持液量應保持在規(guī)定的范圍內(nèi)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定，對塔的平穩(wěn)操作

17、是十分必要的。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制39 為保證正常操作，需規(guī)定某些參數(shù)的極限值為約束條件?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制40 在精餾操作中，質(zhì)量指標、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標。 其中質(zhì)量指標是必要條件，在質(zhì)量指標一定的前提下，應在控制過程中使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 二、精餾塔的干擾因素二、精餾塔的干擾因素41圖11-28 精餾塔的物料流程圖1.進料流量F的波動（）2.進料成分ZF的變化（）3.進料溫度TF及進料

18、熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 三、精餾塔的控制方案三、精餾塔的控制方案42圖11-29 提餾段溫控的控制方案示意圖 如果采用以提餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標的間接指標，而以改變再沸器加熱量作為控制手段的方案，就稱為提餾段提餾段溫控溫控。化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 43（1）采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量達到規(guī)定值。（2）當干擾首先進入提餾段時，用提餾段溫控就比較及時，動態(tài)過程也比較快。 化學

19、工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 44 如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控精餾段溫控。 圖11-30 精餾段溫控的控制方案示意圖化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 45 采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況。當塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴格時，一般宜采用精餾段溫控方案。 如果干擾首先進入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 46 在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當分離的產(chǎn)品較純時，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對測溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實際上卻很難滿足

20、。解決這一問題的方法，是將測溫元件安裝在塔頂以下或塔底以上幾塊塔板的靈敏板上，以靈敏板的溫度作為被控變量。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 47 采用溫差作為衡量質(zhì)量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 圖11-31 T-x曲線化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 48圖11-32 雙溫差控制方案 雙溫差控制就是分別在精餾段及提餾段上選取溫差信號，然后將兩個溫差信號相減，作為控制器的測量信號（即控制系統(tǒng)的被控變量）。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 49 能利用成分分析器，例如紅外分析器、色譜儀、密度計、干點和閃點以及初餾點分析器等，分析出塔頂（或塔底）的產(chǎn)品成分并作為被控變量

21、，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制手段組成成分控制系統(tǒng)，就可實現(xiàn)按產(chǎn)品成分的直接指標控制?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n 一、化學反應器的控制要求一、化學反應器的控制要求50 化學反應器的質(zhì)量指標一般指反應的轉(zhuǎn)化率或反應生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為Hxgcyiio化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 51 以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標，有時并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。 當有干擾作用時，轉(zhuǎn)化率和反應生成物組分等仍會受到影響。 特別是在有些反應中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應關(guān)系，這就需要不

22、斷地根據(jù)工況變化去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值。 在有催化劑的反應器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 52 為使反應正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進入反應器的各種物料量恒定，配比符合要求。 對于反應器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 二、釜式反應器的溫度自動控制二、釜式反應器的溫度自動控制53圖11-33 改變進料溫度控制釜溫化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 54 由于大多數(shù)反應釜均有傳熱面，引入或移去反應熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。

23、圖11-34 改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n 三、固定床反應器的自動控制三、固定床反應器的自動控制57 固定床反應器固定床反應器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動的反應器，流體原料在催化劑作用下進行化學反應以生成所需反應物。 改變進料濃度 改變進料溫度 改變段間進入的冷氣量 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 58圖11-38 改變進料濃度控制反應器溫度圖11-39 用載熱體流量控制溫度化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 59圖11-40 用旁路控制溫度圖11-41 用改變段間冷氣量控制溫度圖11-42 用改變段間蒸汽量控制溫度化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n n

24、四、流化床反應器的自動控制四、流化床反應器的自動控制60圖11-43 流化床反應器原理示意圖圖11-44 改變?nèi)肟跍囟瓤刂品磻鳒囟然瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 61圖11-45 改變冷劑流量控制溫度圖11-46 流化床差壓指示系統(tǒng)化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 第五節(jié)第五節(jié) 生化過程的控制生化過程的控制n 一、常用生化過程控制一、常用生化過程控制62 一般發(fā)酵過程均為放熱過程，溫度多數(shù)要求控制在3050（0.5）。過程操縱變量為冷卻水量，一般不需加熱（特別寒冷地區(qū)除外）。 圖11-47 發(fā)酵罐溫度控制化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 63圖11-48 發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓（或流通氣量）控制化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 64 在發(fā)酵過程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過程