第八章化工過程控制方案

化工儀表及自動化第八章典型化工單元的控制方案

第一頁，共六十一頁。內容提要流體輸送設備的自動控制離心泵的自動控制方案往復泵的自動控制方案壓氣機的自動控制方案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精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求1第二頁，共六十一頁。內容提要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2第三頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制一、離心泵的自動控制方案3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(shù)值上。

離心泵的流量控制大體的三種方法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。第四頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制4圖8-2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，而不應該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。注意圖8-1改變泵出口阻力調流量第五頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制52.控制泵的轉速圖8-3改變泵的轉速調流量圖8-3中曲線1、2、3表示轉速分別為n1、n2、n3時的流量特性，且有n1＞n2＞n3。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。第六頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制63.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。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，使總的機械效率降低，故很少采用。圖8-4改變旁路閥調流量第七頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制二、往復泵的自動控制方案7

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

（8-1）n－每分鐘的往復次數(shù)F－氣缸面積S－活塞沖程第八頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制81.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。圖8-5改變轉速的方案第九頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制92.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(jīng)濟性較差。圖8-6改變旁路流量第十頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制103.改變沖程s圖8-7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的調整可在停泵時進行，也有可在運轉狀態(tài)下進行的。第十一頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制三、壓氣機的自動控制方案11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。第十二頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制121.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。第十三頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制13圖8-9分程閥的特性圖8-8分程控制方案出口流量控制器控制吸入閥和旁路閥第十四頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制142.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。圖8-10控制壓縮機旁路方案第十五頁，共六十一頁。第一節(jié)流體輸送設備的自動控制153.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。第十六頁，共六十一頁。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181.控制載熱體的流量圖8-12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圖8-12改變載熱體流量控制溫度第十七頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制19傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算整理后，得移項后改寫為第十八頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制20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)。圖8-13換熱器串級控制系統(tǒng)第十九頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制212.控制載熱體旁路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。圖8-14用載熱體旁路控制溫度第二十頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制223.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。圖8-15用介質自身流量調溫度第二十一頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制234.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。圖8-16用介質旁路調溫度第二十二頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制24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。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第二十三頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制25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。圖8-17用蒸汽流量調溫度第二十四頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制262.控制換熱器的有效換熱面積圖8-18用凝液排出量調溫度圖8-19溫度-液位串級系統(tǒng)圖8-20溫度-流量串級系統(tǒng)第二十五頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制27兩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(chǎn)生負壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。第二十六頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制28控制換熱器的有效換熱面積法缺點：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：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。第二十七頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制291.控制冷卻劑的流量該方案不以液位為操縱變量，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。

圖8-25用冷卻劑流量控制溫度第二十八頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制302.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干擾包含在副環(huán)內，從而提高了控制質量。圖8-22溫度-液位串級控制第二十九頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制313.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。圖8-23用汽化壓力調溫度第三十頁，共六十一頁。第二節(jié)傳熱設備的自動控制32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。第三十一頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制一、精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求33圖8-24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1.干擾因素第三十二頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制2.精餾塔對自動控制的要求保證質量指標保證平穩(wěn)操作約束條件34第三十三頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制三、精餾塔的控制方案351.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。

圖8-25提餾段溫控的控制方案示意圖五個輔助控制系統(tǒng)1.塔底采出量2.塔頂流出液3.進料量4.塔頂壓力5.塔頂回流量第三十四頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制36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(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。第三十五頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制372.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。圖8-26精餾段溫控的控制方案示意圖五個輔助控制系統(tǒng)1.進料量2.塔頂壓力3.塔底采出量4.塔頂流出液5.再沸器的熱量第三十六頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制38精餾段溫控的主要特點與使用場合：

①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(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。②如果干擾首先進入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。第三十七頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制403.精餾塔的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(chǎn)品質量的影響。圖8-27ΔT-X曲線注意：溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關系。溫差和塔底輕組分濃度間的關系第三十八頁，共六十一頁。第三節(jié)精餾塔的自動控制414.按產(chǎn)品成分或物性的直接控制能利用成分分析器，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，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。第三十九頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制一、化學反應器的控制要求42(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y-轉化率轉化率和進出料的溫差成正比，通過控制溫差來控制轉化率第四十頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制43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(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。第四十一頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制44(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)。第四十二頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制二、釜式反應器的溫度自動控制45(1)控制進料溫度圖8-28改變進料溫度調釜溫物料經(jīng)預熱進入反應器第四十三頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制46(2)控制傳熱量由于大多數(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。圖8-29改變加熱劑或冷卻劑流量調釜溫第四十四頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制47(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。圖8-30釜溫與冷劑流量串級控制示意圖第四十五頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制48圖8-31釜溫與夾套溫度串級控制示意圖圖8-37釜溫與釜壓串級控制示意圖第四十六頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制三、固定床反應器的自動控制49

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：控制進料濃度控制進料溫度控制段間進入的冷氣量第四十七頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制50圖8-33改變進料濃度調反應器溫度圖8-34用載熱體流量調溫度第四十八頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制51圖17-35用旁路調溫度圖17-36用改變段間冷氣量調溫度第四十九頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制四、流化床反應器的自動控制52圖17-38流化床反應器原理示意圖圖17-39改變入口溫度調反應器溫度第五十頁，共六十一頁。第四節(jié)化學反應器的自動控制53圖17-41流化床差壓指示系統(tǒng)圖17-40改變冷劑流量調溫度第五十一頁，共六十一頁。例題分析1.試判斷圖17-42(a)、(b)控制方案是否正確。圖17-42泵的控制方案54第五十二頁，共六十一頁。例題分析解：要分析圖17-42所示控制方案是否正確,首先必須了解離心泵和往復泵的特性。圖17-42(a)是離心泵的流量控制方案。為了控制出口流量的大小,控制閥一般應該直接裝在出口管線上。這是因為離心泵吸入高度是有限的,如果控制閥裝在吸入管線上,會產(chǎn)生壓降,這樣一來,進口端壓力就有可能過低,因為液體氣化,使泵失去排液能力,這叫氣縛?；蛘邏旱匠隹诙擞旨彼倮淠?沖蝕厲害,這叫氣蝕。這兩種情況都要避免發(fā)生。所以控制閥一般不應安裝在離心泵的入口管線上。55第五十三頁，共六十一頁。例題分析圖17-42(b)為往復泵出口流量控制方案。從往復泵的特性來看,只要轉速一定,排出的流量是基本不變的。因此采用出口節(jié)流的方法來控制出口流量是不行的。56第五十四頁，共六十一頁。例題分析2.圖17-43所示的加熱器,如果兩側無相變,載熱體流量很大,且進出口溫差(T20-T21)很小時,采用圖示溫控方案是否合理?圖17-43加熱器控制方案57第五十五頁，共六十一頁。例題分析解：從分析對象(加熱器)的靜態(tài)特性來看，采用圖示控制方案是不合理的。設載熱體流量為F2，摩爾熱容為C2，冷流體流量為F1，摩爾熱容為C1。為了弄清主要問題，對圖17-43所示加熱器可忽略一些次要因素(如熱損失等)，則可列出熱量平衡式，即單位時間內冷流體吸收的熱量等于載熱體放出的熱量。58第五十六頁，共六十一頁。例題分析或式中由于載熱體流量F2已足夠大，且進出口溫差(T21-T20)已經(jīng)很小，這時，靠改變F2來改變冷流體出口溫度T11的靜態(tài)放大系數(shù)K很小，所以控制很不靈敏。當冷流體進口流量或溫度變化時，要想維持其出口溫度不變，靠圖17-43所示控制方案是很難做到的。59第五十七頁，共六十一頁。例題分析3.圖17-44所示為一放熱催化反應器。原料氣在預熱器內加熱后進入反應器。反應以后的反應氣作為預