第11章典型化工单元的控制方案

化工仪表及自动化
Measurement &Process control Technology
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第十一章 典型化工单元的控制方案
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生产过程的设备种类繁多，如流体输送 设备、传热设备、锅炉设备、精馏塔、化学 反应器等。
不同的设备及过程有不同的特性和控制 要求，同类设备的控制也会有很不相同的控 制方案。
其余两者则按照回流罐和再沸器的物料平衡，由液
位控制器进行控制。
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TC
TT
LT
LC
F
D
FC
VS
FT
LT
LC
B
图11－2 精馏段指标的控制方案一
根据精馏 段塔板温 度控制LR， 并保持VS 恒定
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根据精馏
段塔板温
度控制D， TT
并保持VS
恒定。
F
LC
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用温度作为质量指标的前提是塔内压力 恒定，虽然精馏塔一般有塔压控制系统，但 对于精密精馏等控制要求较高的场合，微小 压力波动将影响温度与组分之间的关系。如 苯－甲苯－二甲苯分离时，大气压力变化 6.67KPa，苯的沸点变化2℃，超过了质量指 标的规定，而这种情况是完全可能的。因此 必须对压力的波动加以补偿。
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F
TC
TT
FC FT
LR
LT LC B
LT
LC
D
根据精馏 段塔板温 度控制D， 并保持VS 恒定。
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图11－4 提馏段指标的控制方案一（a）
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图11－5 提馏段指标的控制方案一（b）
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B的采出量小 时较好，B不 合格时，可 以切断。对F 的波动控制 比较及时。
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图11－8 控制进料温度方案
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对于有传热面的反应釜，可以引入或移出反应 热来改变传热量实现温度控制。结构简单，但 控制滞后大。
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图11－9 改变传热量控制方案
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为了有效处理控制滞后，采用串级控制方案， 根据进入反应釜的主要扰动不同，可以采用釜 温与热剂（或冷剂）流量的串级控制。
精馏塔的控制目标一般从质量指标、产 品质量和能量消耗三个方面考虑。同时要把 各种约束条件考虑进去。
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（1）质量指标
一般应使塔顶或塔底产品之一达到规定 的纯度，另外一个产品的纯度应该维持在规 定的范围内；或者塔顶、塔底的产品均达到 一定的纯度要求。
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化学反应过程伴有化学物理现象，涉及 能量、物料平衡，以及物料动量、热量和物 质传递过程，因此化学反应器的操作一般比 较复杂。
化学反应器的自动控制关系到产品的质 量、产量和安全生产。
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1、反应器控制要求
化学反应器自动控制的基本要求是使化 学反应在符合预定要求的条件下自动进行。
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图11－10 反应釜串级控制方案一
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釜温与夹套温度串级控制。
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图11－11 反应釜串级控制方案二
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釜温与釜压串级控制。
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图11－12 反应釜串级控制方案三
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3、固定床反应器的控制
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，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。
LT
LR
TC D
FC
VS
FT
LT LC
在回流比 LR/D很大 时适用。
B 可实现全 回流。
图11－3 精馏段指标的控制方案二
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（2）提馏段指标的控制方案
当对釜液的成分要求较之对馏出液为高 时，要采用此方案；当对两者的质量要求相 近时，如果是液相进料，也采用此方案，原 因：在液相进料时，F的波动首先影响到XB， 用提馏段控制及时。
化工仪表及自动化
昆明理工大学 杨彪
2010~2011学年下
第三章
检测仪表及传感器
知识结构 第5章 自动控制仪表 第6章 执行器 第2章 过程特性
第3章 检测仪表与传感器
第4章 显示仪表
第1章自动控制系统基本概念
第7章 简单控制系统
第8章 复杂控制系统
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第9章昆明新理工型大控学制系统 第10章 计算机控制系统
（1）按精馏段指标的控制方案
对馏出液的纯度要求较之对釜液为高时（如
主要产品为馏出液）按精馏段指标进行控制，取精
馏段某点成分或温度为被控变量，而以LR、D或VS 为操纵变量。
这种方案可以保证XD，当扰动不大时，XB变 化也不大。
采用这种方案时，在LR、D、VS及B中选择一 个作为控制成分的手段，选另外一种保持流量恒定，
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（2）物料平衡
为了使反应正常，转化率高，要求维持 进入反应器的各种物料料恒定，配比符合要 求。因此，在进入反应器前，往往采用流量 定值或比值控制。对于有物料循环的反应系 统，还应该设置辅助控制系统。
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（3）约束条件
对于反应器，要防止工艺变量进入危险 或不正常工况。如在一些催化接触反应中， 温度过高或进料中某些杂质含量过高，将会 损坏催化剂；在流化床反应器中，流速过高， 会将固相吹走；而流速过低，又会让固相沉 淀。因此，应该配备报警、连锁装置或选择 性控制等。
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双温差控制
采用温差控制时，若进料流量变化，将引起塔 内成分变化和塔内压降发生变化，这两种情况都会 引起温差变化，前者使温差减小，后者使温差增大。 即此时温差与成分不再是单值函数关系。
采用温差差值控制后，由于进料流量波动引起 塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段温差同时 出现，用塔的上、下段温差的差值作为被控变量就 消除了压降变化的影响。
本章简单介绍精馏塔的控制与化学反应 器的控制。
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一、精馏塔的控制
精馏过程是现代化生产中应用极为广泛 的传质过程，其目的是利用混合液中各组分 挥发度的不同，将各组分进行分离并达到规 定的纯度要求。
精馏过程十分复杂，被控变量多，可选 的操纵变量也多，它们之间可以有各种不同 的组合。精馏对象通道多、反应缓慢、内在 机理复杂、变量之间相关。
设计化学反应器的自控方案，一般从质 量指标、物料平衡和约束条件等方面加以考 虑。
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（1）质量指标
化学反应器的质量指标一般指反应的转 化率或反应生产物的规定浓度。因此，应该 选取转化率或与之相关的可测变量作为被控 变量。
由于化学反应不是吸热就是放热，反应 过程总伴随热效应，所以温度是最能够表征 质量的间接控制指标。
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图11－6 提馏段指标的控制方案二
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当进料流量增加时，成比 例地增加再沸器的加热蒸 汽量和塔顶馏出液，就可 以基本保持塔顶和塔底的 产品成分不变。前馈克服 进料流量扰动的大部分， 小部分扰动由反馈克服。
图11－7 精馏塔的前馈－反馈控制
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二、化学反应器控制
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2、精馏塔控制问题分析
外部扰动 主要扰动：进料的流量,组成与温度等
环境温度变化 再沸器加热剂压力变化 冷却剂压力或温度变化
操纵变量
被控变量
塔顶采出量D 回流量 LR
塔底采出量B 再沸器上升蒸汽量VS
冷凝器冷却量 QC 塔顶汽相采出量 DV
精馏 过程
塔顶产品纯度xD 回流罐液位
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4、精馏塔控制方案
确定精馏塔的控制方案时，要考虑： 按物料和能量平衡进行控制 设置质量控制系统 静态和动态响应 考虑控制系统间的相关影响 考虑整个工艺生产过程的平稳操作
主要讨论顶部和底部产品都为液相且没 有侧线采出的情况。
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图11－17 改变段间进入的冷气量控制方案二
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4、流化床反应器的控制
塔底产品纯度 xB
塔底液位
LB
塔顶压力 P
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3、精馏塔质量指标（被控变量选择）
对于一个二元组分精馏塔来说，在一定 压力下，沸点与产品成分之间有单独的函数 关系。因此，如果压力恒定，塔板温度就反 映了成分。对多元精馏来说，比较复杂，但 石油化工中许多产品由一系列碳氢化合物的 同系物组成，在一定压力下，保持一定的温 度，成分的误差可以忽略。 以温度作为质量 指标时，必须保持压力恒定。
固定床反应器温度控制十分重要。任何 一个化学反应器都有自己的最合适温度，该 温度综合考虑了化学反应速度、化学平衡和 催化剂活性等因素，该温度还是转化率的函 数。
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温度控制首先要选择敏感点位置，把感 温元件安装在敏感点处，以便及时反映整个 催化剂床层温度的变化。多段的催化剂床层 往往要分段进行温度控制。常用的温度控制 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
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主要内容
精馏塔操作工艺分析 精馏塔操作工艺要求 精馏塔质量指标选取 精馏塔常规控制方案 精馏塔的前馈－反馈控制方案
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1、精馏塔操作工艺分析
原料
F ZFF
VR LR
精 馏 塔
VS
冷凝器 回流罐
xD D
塔顶产品
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（2）采用压力补偿的温度作为间接质量指标
温差控制 要求压力对这两点温度的影响接近。一
个检测点在塔顶，这里成分和温度变化比较 小；另一个放在灵敏板附近，成分和温度变 化比较大和灵敏。
与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对 产品质量的影响。
关键：选点正确，温差设置合理。
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（1）采用温度作为间接质量指标
塔顶（或塔底）温度控制
产品在塔顶采用塔顶温度控制，反之亦然。
灵敏板温度控制
灵敏板是指当塔的操作经受扰动作用时，塔内 各板的温度都发生变化，一直到新的稳态时，温度 变化最大的那块板称为灵敏板。
中温控制
取加料板稍上、稍下的塔板或加料板的温度作 为被控变量。
（2）产量指标
在产品达到一定的质量指标的前提下， 得到尽可能高的收率。收率通常定义为产品 产量与进料中该产品组分的量之比。
生产效率除了与产品的纯度及收率有关 外，还要考虑能量消耗等因素。
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（3）能量要求和经济指标
精馏塔消耗的能量主要是再沸器的加热 量和冷凝器的冷却量消耗。
在一定的纯度要求下，增加塔内的上升 蒸汽是有利于提高产品收率的，但同时增加 了再沸器的能量消耗。因此精馏塔的操作必 须从整个经济效率来衡量。
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（4）约束条件
为了保证正常操作，需规定某些参数的 极限值，并作为约束条件。如： 塔内气体流速，防止漏液和泛液 塔的操作压力 再沸器两侧间的温差不能超过临界值，否 则会导致给热系数下降，传热量降低。
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图11－15 改变旁路流量控制方案二
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硫酸生产中用SO2氧化成SO3，冷的一部分 原料气少经过一段床层，但原料气总的转化
率有所降低。
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图11－16 改变段间进入的冷气量控制方案一
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合成氨生产中，当用水蒸气与CO变换成氢气时， 为了使反应完全，进入变换炉的水蒸气往往是过 量的，此时段间冷气采用水蒸气不会降低CO的 转化率。
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硝酸生产过程， 改变氨和空气的 比值就相当于改 变进料的氨浓度
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图11－13 改变进料浓度控制方案
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原料进入反应器前需要预热，可通过改变进入换 热器的载热体流量，以控制反应床上的温度。
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图11－14 改变旁路流量控制方案一
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回流泵
再 沸 器
xB B
塔底产品
图11－1 精馏塔的物料流程
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精馏操作设备主要包括再沸器、冷凝器 和精馏塔，再沸器为混合物液相中的轻组分 转移提供能量，冷凝器将塔顶来的上升蒸汽 冷凝为液相并提供精馏所需的回流。精馏塔 实现混合物组分分离的主要设备。
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2、精馏塔操作工艺要求
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2、釜式反应器的控制
釜式反应器在化学工业中广泛应用，除 了用作聚合反应外，在有机燃料、农药等行 业还经常采用釜式反应器进行碳化、硝化、 卤化等反应。
釜式反应器的反应温度控制是实现釜式 反应器最佳操作的关键，常用的方案有：
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通过改变热剂（或冷剂）量来调节进入反 应釜的物料温度从而维持反应温度