典型化工單元的控制方案

1、第十一章 典型化工單元的控制方案內容提要流體輸送設備的控制方案離心泵的控制方案往復泵的控制方案壓氣機的控制方案離心式壓縮機的防喘振控制傳熱設備的自動控制兩側均無相變化的換熱器控制方案載熱體進行冷凝的加熱器自動控制冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制精餾塔的自動控制工藝要求精餾塔的干擾因素精餾塔的控制方案化學反應器的自動控制化學反應器的控制要求釜式反應器的溫度自動控制固定床反應器的自動控制流化床反應器的自動控制升化過程的控制常用生化過程控制青霉素發(fā)酵過程控制啤酒發(fā)酵過程控制第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案一、離心泵的控制方案 離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數值上。 離心泵的流量控

2、制大體的三種方法1. 控制泵的出口閥門開度 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，控制結果使流量回到給定值。 注意 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）。 2.控制泵的轉速 圖11-3中曲線1、2、3表示轉速分別為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濟，機械效率較高，但調速機構一般較復雜，所以多用在蒸汽透平驅動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉速。 3.控制泵的出口旁路 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。

3、控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。該方案不經濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總的機械效率降低，故很少采用。二、往復泵的控制方案 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 （11-1）1.改變原動機的轉速 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速，進而控制往復泵的出口流量。 2.控制泵的出口旁路該方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經濟性較差。3.改變沖程 s 計量泵常用改變沖程s來進行流量控制。沖程s的調整可在停泵時進行，也有

4、可在運轉狀態(tài)下進行的。三、壓氣機的控制方案壓力機的分類 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。 1.直接控制流量 對于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。其余情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口端控制流量。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，而用調整導向葉片角度的方法。 2.控制旁路流量 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

5、了解決這個問題，可以在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。3.調節(jié)轉速 壓氣機的流量控制可以通過調節(jié)原動機的轉速來達到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。 問題在于調速機構一般比較復雜，沒有前兩種方法簡便。 四、離心式壓縮機的防喘振控制1.離心式壓縮機的特性曲線及喘振現(xiàn)象 喘振是出現(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)，也是使壓縮機產生喘振的因素

6、。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。 2.防喘振控制方案（1）固定極限流量法 對于工作在一定轉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。 （2）可變極限流量法圖11-14上的喘振極限線是對應于不同轉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，就可以避免喘振發(fā)生。 安全操作線近似為拋物線，其方程可用下列近似公式表示 （ 11-2）在 時，工況是安全的。經過換算，上述不等式可寫成如下形式 （11-3） 該方案控制器FC的給定值是經過運算得到的，因此能根據壓縮機負荷變化的

7、情況隨時調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。第二節(jié) 傳熱設備的自動控制一、兩側均無相變化的換熱器控制方案1. 控制載熱體的流量 圖11-16表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質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傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算整理后，得移項后改寫為 如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。 2.控制載熱體旁路流量 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，

8、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。 3.控制被加熱流體自身流量 只能用在工藝介質的流量允許變化的場合。 4. 控制被加熱流體自身流量的旁路 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。 二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制 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。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。

9、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 當被加熱介質的出口溫度t2為被控變量時，常采用下述兩種控制方案。1.控制蒸汽流量 通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。 2.控制換熱器的有效換熱面積兩種方案比較控制蒸汽流量法 優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。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，這時加熱器內蒸汽一側會產生負壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。 控制換熱器的有效換熱面積法缺點：

10、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：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。 三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制1.控制冷卻劑的流量 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，自動把液氨閥關小或暫時切斷。 2.溫度與液位的串級控制 該方案的實質是改變傳熱面積。但采用了串級控制，將液氨壓力變化而引起液位變化的這一主要

11、干擾包含在副環(huán)內，從而提高了控制質量。 3.控制汽化壓力工作原理 基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內汽化壓力改變，于是相應的汽化溫度也就改變了。 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。 第三節(jié) 精餾塔的自動控制一、工藝要求1.保證質量指標 對于一個正常操作的精餾塔，一般應當使塔頂或塔底產品中的一個產品達到規(guī)定的純度要求，另一個產品的成分亦應保持在規(guī)定的范圍內。為此，應當取塔頂或塔底的產品質量作

12、被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質量控制系統(tǒng)。 質量控制系統(tǒng)需要能測出產品成分的分析儀表。 2.保證平穩(wěn)操作 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。 塔內的持液量應保持在規(guī)定的范圍內?？刂扑葔毫Ψ€(wěn)定，對塔的平穩(wěn)操作是十分必要的。 3.約束條件 為保證正常操作，需規(guī)定某些參數的極限值為約束條件。4.節(jié)能要求和經濟性 在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是要控制的目標。 其中質量指標是必要條件，在質量指標一

13、定的前提下，應在控制過程中使產品產量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。 二、精餾塔的干擾因素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.冷卻劑在冷凝器內除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化 三、精餾塔的控制方案1.精餾塔的提餾段溫控 如果采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。 提餾段溫控的主要特點與使用場合： （1）采用了提餾段溫度作為間接質量指標，因此它能較直接地反映提餾段產品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產品的質量達到規(guī)定值。（2）當

14、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。 2.精餾塔的精餾段溫控 如果采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。 精餾段溫控的主要特點與使用場合： 采用了精餾段溫度作為間接質量指標，因此它能較直接地反映精餾段的產品情況。當塔頂產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。 在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當分離的產品較純時，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。解決這一問題的方法，是將測溫元件安裝在塔

15、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。 3.精餾塔的溫差控制及雙溫差控制 采用溫差作為衡量質量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產品質量的影響。 溫差與產品純度之間并非單值關系。 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）。 4.按產品成分或物性的直接控制方案 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）的產品成分并作為被控變量，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)按產品成分的直接指標控制。第四節(jié) 化學反應器

16、的自動控制一、化學反應器的控制要求1.質量指標 化學反應器的質量指標一般指反應的轉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化率的關系為以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標，有時并不能保證質量穩(wěn)定。 當有干擾作用時，轉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系，這就需要不斷地根據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。 2.物料平衡 為使反應正常，轉化率高，要求維持進入反應器的各種物料量恒定，配比符合要求。3.約束條件 對于反應器，要防止工藝變量進

17、入危險區(qū)域或不正常工況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設置取代控制系統(tǒng)。 二、釜式反應器的溫度自動控制1.控制進料溫度2.改變傳熱量 由于大多數反應釜均有傳熱面，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。 3.串級控制為了針對反應釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。三、固定床反應器的自動控制 固定床反應器是指催化劑床層固定于設備中不動的反應器，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。常見的溫度控制方案有： 改變進料濃度 改變進料溫度 改變段間進入的冷氣量 四、流化床反應器的自動控制第五節(jié) 生化過程的控制一、常用生化過程控制1.發(fā)酵罐溫度控制 一般發(fā)酵過程均為

18、放熱過程，溫度多數要求控制在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）。 2.通氣流量、罐壓和攪拌轉速控制3.溶氧濃度控制 在發(fā)酵過程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過程的不同階段都略高于臨界值，這樣既不影響菌體的正常代謝，又不致為維持過高的溶氧水平而大量消耗動力。 培養(yǎng)液的溶解氧水平其實質為供氧和需氧矛盾的結果。 最常用的溶氧濃度控制方案： 改變攪拌速率； 改變通氣速率。 4.pH值控制 在發(fā)酵過程中為控制pH值而加入的酸堿性物料，往往就是工藝要求所需的補料基質，所以在pH控制系統(tǒng)中還須對所加酸堿物料進行計量，以便進行有關離線參數的計算。 5.自動消泡控制 當電極檢測到泡沫信號后，控制器便周期性地加入消泡劑，直至泡沫消失。 二、青霉