丙烯腈流化床反應(yīng)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、丙烯腈生產(chǎn)流化床反應(yīng)器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)By 第2小組報(bào)告內(nèi)容 1 背景介紹背景介紹 1.1 丙烯腈生產(chǎn)方法 1.2 流化床反應(yīng)器 2 控制系統(tǒng)參數(shù)選擇及依據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)選擇及依據(jù) 2.1 影響反應(yīng)過程的因素 2.2 控制變量和操縱變量的選擇 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)方框圖 3.2 工況設(shè)定 3.3 儀表選型 4 控制系統(tǒng)仿真及性能評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)仿真及性能評(píng)價(jià) 5 總結(jié)總結(jié)1.1 丙烯腈生產(chǎn)背景及方法 丙烯腈丙烯腈：重要的有機(jī)化工原料，應(yīng)用于合成樹脂、合成纖維及合成橡膠的生產(chǎn)。 生產(chǎn)方法生產(chǎn)方法：丙烯氨氧化法以丙烯、氨、空氣、和水為原料，按其一定量配比進(jìn)入流化床或固定床反應(yīng)器，在催

2、化劑的作用下，400-500溫度和常壓下，生產(chǎn)丙烯腈。副產(chǎn)品有乙腈，氫氰酸和硫酸銨。優(yōu)點(diǎn)：原料易得廉價(jià)，設(shè)備投資少，產(chǎn)品質(zhì)量高，工藝流程簡(jiǎn)單1.1 丙烯腈生產(chǎn)背景及方法 反應(yīng)方程式反應(yīng)方程式：主反應(yīng)：CH=CH-CH3 + NH3 +O2 CH2=CH-CN + 3H2O副反應(yīng)：CH2=CHCH3 + 3NH3 + 3O2 3HCN + 6H2O (1/6)CH2=CHCH3 +NH3 +O2 CH3CN + 3H2O (1/7)CH2=CHCH3 + O2 CH2=CHCHO + H2O (1/100)CH2=CHCH3 + O2 3CO2 + 3H2O (1/4) 以上副反應(yīng)都是強(qiáng)放熱反應(yīng)

3、，且副反應(yīng)的生成必降低目的產(chǎn)物的收率，給分離和精制帶來困難，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，除考慮工藝流程的合理和設(shè)備強(qiáng)化，關(guān)鍵在于控制影響反應(yīng)的因素，尤其是溫度。1.2 流化床反應(yīng)器 液態(tài)的丙烯與液氨經(jīng)過氣化后，在管路中匯合后經(jīng)反應(yīng)器底部的丙烯、氨分布器進(jìn)入反應(yīng)器，壓縮空氣經(jīng)反應(yīng)器底部的空氣分布器進(jìn)入反應(yīng)器，一定的流動(dòng)速度使催化劑顆粒呈懸浮狀態(tài)，三種物料在處于流化狀態(tài)下的催化劑的作用下，生成丙烯腈。 強(qiáng)放熱反應(yīng)，傳熱性能好，氣相反應(yīng)，能較好保證溫度均勻1.2 流化床反應(yīng)器 一般控制方法：通過調(diào)節(jié)換熱器進(jìn)水量和穩(wěn)定反應(yīng)物料的流量以控制流化床濃相區(qū)溫度2.1 影響反應(yīng)過程的因素 原料的配比原料的配比 氨比：

4、當(dāng)氨比小于1時(shí)，有較多的副產(chǎn)物丙烯醛生成，用量過多不經(jīng)濟(jì)，既增加氨消耗和用來中和的硫酸的消耗量，從而加重了氨中和塔的負(fù)擔(dān)。因此，丙烯：氨丙烯：氨=1：1.1-1.2 氧比：氧由空氣帶入，為保護(hù)催化劑，實(shí)際采用丙烯與丙烯與氧的摩爾比約氧的摩爾比約為為1:2-3（大于理論值1:1.5） 水比：不參與反應(yīng)，但可促使產(chǎn)物從催化劑表面解吸，避免丙烯腈深度氧化，防止爆炸，清除催化劑表面積炭，過多降低設(shè)備生產(chǎn)能力，增加動(dòng)力消耗。1：3效果較好2.1 影響反應(yīng)過程的因素 線速度線速度 氣流速度在臨界流化速度和帶出速度之間，床層膨脹，顆粒懸浮，劇烈翻騰，做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，床層處于流化狀態(tài)，增加催化劑和氣流的接觸面積

5、及催化劑的利用率,實(shí)現(xiàn)床層溫度均勻。因此，物料流量要保證物料達(dá)到流化狀態(tài)。2.1 影響反應(yīng)過程的因素 溫度溫度 低于350，幾乎不生成丙烯腈 過高：合成物深度氧化，生成較多CO2；持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間高溫，縮短催化劑壽命 實(shí)際生產(chǎn)：溫度控制在460左右，丙烯腈收率取得最大值2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 被控變量被控變量：流化床反應(yīng)器的溫度+物料流量 必須保持在一定的范圍內(nèi) 對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量（收率）有很強(qiáng)的影響 反應(yīng)器內(nèi)的溫度擾動(dòng)很大一部分來自物料溫度和流量的擾動(dòng)串級(jí)控制，流量為副參數(shù)，溫度為主參數(shù) 操縱變量操縱變量：三種物料的流量 對(duì)于被控變量有較大影響 能快速影響被控變量的輸入 能直接影響被控變量 被測(cè)變量被測(cè)

6、變量：溫度+三種物料的流量 溫度測(cè)點(diǎn)：濃相區(qū)底部?jī)蓚€(gè)區(qū)各設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)3.1 控制系統(tǒng)方框圖注：假設(shè)物料溫度、壓力不變 丙烯流量丙烯流量：質(zhì)量濃度99.5%以上，年工作日：330天，回收率98%，年產(chǎn)一萬噸，則丙烯腈原料液的流量應(yīng)該為1294.8kg/h,丙烯腈物質(zhì)的量流量為24kmol/h,可大致取丙烯流量為26kmol/h. 氨比氨比：1.15：1 空比空比：10.5：1 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度：460左右3.2 工況設(shè)定 變送器變送器：測(cè)量原件將參數(shù)檢測(cè)出來之后，由變送裝置把測(cè)量元件的信號(hào)轉(zhuǎn)化成一定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如4-20mAZ直流電流 溫度變送器溫度變送器即變送溫度信號(hào)的裝置溫度傳感器變送器一體化

7、溫度變送器3.3.1 溫度變送器選型 一體化溫度變送器一體化溫度變送器特點(diǎn)特點(diǎn) 超小型 通用性強(qiáng) 二線制 420mA DC 輸出 抗干擾能力強(qiáng) 測(cè)量精度高 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好 溫度模塊內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂澆注工藝 適于惡劣和危險(xiǎn)場(chǎng)所 一體化設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理 采用熱電偶溫變 可免用補(bǔ)償導(dǎo)線 降低成本 液晶、數(shù)碼管多種功能方便現(xiàn)場(chǎng)適時(shí)監(jiān)控 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度 70 時(shí)，變送器和現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表可采用分離（隔離）式安裝 防爆等級(jí)： dIIBT4 、 dIIBT5 防護(hù)等級(jí)： IP54 3.3.1 溫度變送器選型3.3.1 溫度變送器選型溫度：400-500 選分度號(hào)分度號(hào)E的鎳鉻的鎳鉻-銅鉻熱電偶銅鉻熱電偶最終選定型

8、號(hào)為: SK-SBWREY240BKF鎳鉻-銅鉻熱電偶 液晶顯示 固定螺紋 防爆式 鎧裝元件 防腐型 SK-SBW一體化溫度變送器3.3.2 PID調(diào)節(jié)器選型 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器與各類傳感器、變送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測(cè)量顯示，并配合各種執(zhí)行器對(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電動(dòng)、氣動(dòng)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄。接受變送器信號(hào)接受變送器信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行器信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行器信號(hào)PID調(diào)節(jié)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行函數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)信號(hào)進(jìn)行函數(shù)轉(zhuǎn)換江蘇蘇科儀表有限公司生產(chǎn)的SK808/900系列中的智能調(diào)節(jié)器3.3.2 PID調(diào)節(jié)器選型主要技術(shù)指標(biāo)：基本誤差：基本誤差：0.5F

9、S或或 0.2FS1個(gè)字個(gè)字分分 辨辨 力：力：1/20000、14位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器顯示方式：雙排四位顯示方式：雙排四位LED數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示采樣周期：采樣周期：0.5S報(bào)警輸出：二限報(bào)警，報(bào)警方式為測(cè)量值上限、下限及偏差報(bào)警，繼電報(bào)警輸出：二限報(bào)警，報(bào)警方式為測(cè)量值上限、下限及偏差報(bào)警，繼電器輸出觸點(diǎn)容量器輸出觸點(diǎn)容量 AC220V/3A控制輸出：繼電器觸點(diǎn)輸出控制輸出：繼電器觸點(diǎn)輸出固態(tài)繼電器脈沖電壓輸出（固態(tài)繼電器脈沖電壓輸出（DC12V/30mA）單相單相/三相可控硅過零觸發(fā)三相可控硅過零觸發(fā)單相單相/三相可控硅移相觸發(fā)三相可控硅移相觸發(fā)模擬量模擬量420mA、010mA、1

10、5V、05V 控制輸出控制輸出通訊輸出：接口方式通訊輸出：接口方式-隔離串行雙向通訊接口隔離串行雙向通訊接口RS485/RS422/RS232/Modem波特率波特率-3009600bps內(nèi)部自由設(shè)定內(nèi)部自由設(shè)定饋電輸出：饋電輸出：DC24V/30mA電電 源：開關(guān)電源源：開關(guān)電源 85265VAC 功耗功耗4W以下以下3.3.2 PID調(diào)節(jié)器選型代碼說明SK-808/900 智能PID調(diào)節(jié)儀外型尺寸A 橫式16080125mmA/S 豎式80160125mmB 方式9696110 mmC 橫式9648110 mmC/S 豎式4896110 mmD 方式7272110 mm報(bào)警輸出B B1-1

11、個(gè)報(bào)警點(diǎn)，B2-2個(gè)報(bào)警點(diǎn)控制輸出N 無控制輸出L 繼電器控制輸出G 固態(tài)繼電器輸出K1 單相可控硅過零觸發(fā)K2 三相可控硅過零觸發(fā)K3 單相可控硅移相觸發(fā)K4 三相可控硅移相觸發(fā)X1 4-20mA輸出X2 0-10mA輸出X3 1-5V輸出X4 0-5V輸出通訊輸出P 微型打印機(jī)R 串行通訊RS232S 串行通訊RS485變送器配電電源 無饋電輸出V12 帶DC12V饋電輸出V24 帶DC24V饋電輸出供電電源 220VAC供電W DC24V供電輸入信號(hào)Sn 見輸入信號(hào)類型表選型表：選型表：參數(shù)提示符輸入信號(hào)內(nèi)容參數(shù)提示符輸入信號(hào)內(nèi)容tc-KK型rtd0-400tc-SS型1000Pt100

12、0tc-EE型bA1BA1tc-bB型bA2BA2tc-tT型0-500-50mAtc-nN型0-5V0-5Vtc-jJ型1-5V1-5VP100Pt1000-200-20mAC100Cu1000-100-10mACu50Cu504-204-20mA根據(jù)以上表，結(jié)合變送器的輸出方式及執(zhí)行器的輸入方式，我們選擇C/B1/X1/R/V24/W/Cu50代碼組合的調(diào)節(jié)器。輸入類型表：輸入類型表：3.3.2 PID調(diào)節(jié)器選型3.3.3 流量計(jì)選型部分部分流量計(jì)流量計(jì)的比較的比較如如下下圖圖所所示示：差流壓 量 式計(jì)節(jié)流式孔板液、氣、蒸汽50100012需直管段，壓損大噴嘴50500需直管段，壓損中等文

13、丘里管1001200需直管段，壓損小均速管液、氣、蒸汽2590001需直管段，壓損小轉(zhuǎn)子流量計(jì)液、氣41502垂直安裝靶式流量計(jì)液、氣、蒸汽1520014需直管段，容 流 積量式計(jì)橢園齒輪流量計(jì)液104000.20.5無直管段要求，需裝過濾器，壓損中等3.3.3 流量計(jì)選型部分部分流量計(jì)的比較如流量計(jì)的比較如下下圖所示圖所示：速流度量式計(jì)渦輪流量計(jì)液、氣4600 0 . 1 0.5需直管段，裝過濾器渦街流量計(jì)液、氣15010000.51需直管段電磁流量計(jì)導(dǎo)電液體62000 0 . 5 1.5直 管 段 要求 不 高 ，無壓損超聲波流量計(jì)液、氣101需直管段，無壓損3.3.3 流量計(jì)選型 流量計(jì)

14、的比較如上圖所示，可選擇均速管、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、靶式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。 綜合考慮測(cè)量精度、成本控制等因素，選擇氣體渦輪流量計(jì)氣體渦輪流量計(jì)，如圖： 氣體渦輪流量計(jì)部分參數(shù) 公稱口徑：管道式：DN4DN200 插入式：DN100DN2000 精度等級(jí)：管道式：0.5級(jí)，1.0級(jí) 插入式：1.5級(jí)、2.5級(jí)，高精度的可達(dá)0.2級(jí) 環(huán)境溫度：-2050 介質(zhì)溫度：測(cè)量液體：-20120 測(cè)量氣體： -2080 大氣壓力：86KPa106KPa 公稱壓力：1.6 Mpa 、2.5Mpa 、6.4Mpa 、25Mpa使用時(shí)根據(jù)管道公稱直徑等因素進(jìn)行口徑選擇根據(jù)管道公稱直徑等因素進(jìn)行口徑選擇

15、。3.3.3 流量計(jì)選型 由于預(yù)設(shè)的流量較大，閥前后壓差較大，選擇高精度電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥壓降損失小，輸出力穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，流量系數(shù)大，流量特性精度高，調(diào)節(jié)范圍廣。 以下圖所示的上海某公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品為例:3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型 高精度電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥高精度電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型 高精度電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥高精度電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型 流量系數(shù)的計(jì)算流量系數(shù)的計(jì)算 為使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)緩和，選用等百分比流量特性，此時(shí)只要閥桿行程變化相同，所引起的流量變化的相對(duì)值總是相等的。 介質(zhì)為氣體，粗取P1=25bar，P2=10bar，可得丙烯和氨氣的流量系數(shù)為2.23和3.14

16、，空氣流量系數(shù)為37.07。3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型 調(diào)節(jié)閥口徑的調(diào)節(jié)閥口徑的選擇選擇所以，依據(jù)流量系數(shù)范圍，對(duì)于丙烯和氨，選調(diào)節(jié)閥口徑為DN25，配用執(zhí)行機(jī)構(gòu)為381 LS/XA-20，正常工作時(shí)閥門開度為27.9%和39.3%;3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型 調(diào)節(jié)閥口徑的調(diào)節(jié)閥口徑的選擇選擇對(duì)于空氣，選調(diào)節(jié)閥口徑為DN65，配用執(zhí)行機(jī)構(gòu)為381 LS/XA-50，正常工作時(shí)閥門開度為74.1%。3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)參數(shù)3.3.4 調(diào)節(jié)閥選型4.1 Simulink 仿真4.1 Simulink 仿真 PID參數(shù)整定 副回路臨界比例法 比值控制 主回路4.1 Simulink 仿真 PID參數(shù)整定原則 先P后I后D 增大P，加快響應(yīng)，減少靜差，較大超調(diào)，穩(wěn)定性降低 增大I，減少超調(diào)，減少振蕩，靜差時(shí)間延長(zhǎng) 增大D，加快響應(yīng)，減少超調(diào)，穩(wěn)定性增加4.2 性能評(píng)價(jià)4.2 性能評(píng)價(jià) 超調(diào)量：0.35調(diào)節(jié)時(shí)間（5%）：7穩(wěn)態(tài)誤差：0滿足要求5 總結(jié)本次任務(wù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)丙烯腈流化床反應(yīng)器溫度細(xì)調(diào)的控制系統(tǒng)：把三種物料的進(jìn)料流量作為副參數(shù)，反應(yīng)器的溫度作為主參數(shù)，在流量受到擾動(dòng)時(shí)副回路及比值控制回路可迅速反應(yīng)，穩(wěn)定三種物料流量，以減少可能造成的溫度波動(dòng)，從而有效保證了反應(yīng)的進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用串級(jí)調(diào)節(jié)，流量受干擾發(fā)生變化時(shí)，在主