化工设计中的自控方案

一、离心泵
目的：将排出流量稳定在一定值上。 控制方案： 1、控制泵的出口阀门开度 阀门开度↑→ 管路阻力↓→ 流量↑ →压头↓ 泵的流量特性曲线：A 管路特性曲线：1、 2、3 注意：不能将控制阀装在泵的吸入管线上 特点： 简单可行，应用广泛。但小流量时效率低， 故要求排出量>=30%正常值。
H 3 A C3 1 2 C1 C2 FC
塔板
不同压力的情况如图 52和65块板上温度虽然变化，但温差维 持在2.8度左右。此时温差的变化只受组 分的纯度影响，消除了压力的微小波动 影响。 2、检测点的选取 一个放在塔顶（或塔底）附近塔板上 一个放在灵敏板附近 3、存在问题
52 65 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ℃ 苯-甲苯-二甲苯分离
两者之差△T 作为被控变量
当热流体的进出口温差较大时，应选择热流体流量F2为操纵变量 当热流体的流量足够大，改变F2控制T11已不灵敏，应选择冷流体流 量F1为操纵变量。
5.5精馏塔的自动控制
目的：利用混合物中各组分不同的挥发度进行组分分离。 特点：变量多且有关联情况，对象通道多，反应缓慢， 内在机理复杂且控制要求较高。 一、控制要求 1、质量指标 保证塔顶或塔底的产品纯度。 2、平稳操作 （1）平均进料量=平均出料量 （2）塔压P应恒定
6、控制偏差
控制偏差－－－被控变量的设定值与其实际测量值之差。例子中，热流股的温 度要求控制在80±1℃。 如果实际检测为80.6℃，那么0.6 ℃就是控制偏差。
加热蒸汽
TIC
冷流股 换热器 冷 凝 水
热流股
5.3 流体输送设备的控制方案
任务：输送流体和提高流体的压头。 离心泵 液体输送： 泵 往复泵 容积泵 旋转泵 气体输送： 控制要求： 流量压力的控制 保护设备不受损 特殊情况下的开停车，程序控制及联锁动作 风机、压缩机
3、约束条件 气体流速、塔的最高压力以及再沸器的加热温差限 制。
二、精馏塔的干扰因素 1、进料流量F的波动 （1）进料全部为液相 （2）进料全为气相 （3）进料为气相液相混合物 2、进料组分ZF变化 为不可控的干扰。 3、进料温度TF及热焓 QF变化 4、蒸汽加入热量的变化 5、回流量及冷剂量
蒸汽 F ZF TF QF 精 馏 塔
人工控制
对一个化工流程进行控制
仪表和计算机控制（自动控制）
自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、 计算机装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观 察、大脑判断决策、手动操作。
计算机自动控制系统示意图
化工过程（或化工设备） （物理量） 一次仪表 执行机构 （自控阀门） 二次仪表 （变送器） 4～20mA 0～5V 计算机控制装置 仪表（一次和二次仪表） 计算机主机（硬件、软件） A/D、D/A（模入、模出） 控制软件（平台软件及二次开 发的控制应用软件）
由泵的特性知，Q与管路阻力无关， 只与转速有关，故不能在出口处直 接安装调节阀调节阻力，否则会造 成泵损的后果。 控制方案：由公式：Q=60nFs 得出 1、改变原动机转速 2、改变冲程 3、控制泵的出口旁路
H
n1＞n2
n2 n1
Q
FC
FC
原动机 原动机
蒸汽
蒸汽
三、压气机的控制方案
往复式 离心式 控制方案： 1、直接节流（即直接在进口或出口处安装调节阀） 出口节流：类似于离心泵 （出口风压较小时采用） 进口节流：吸入阻力↑ （出口风压较大时采用） 进口压力↓ 输出压力↓ 2、旁路控制 3、改变转速n 真空泵 鼓风机 压缩机
（3）不能克服进料组分变化和负荷变化引起的塔板压降变化。 3、温差差值（双温差）控制 温差除受组分纯度影响外，还受负荷变化引起的压降变化影响， 而后者的影响同时作用于精馏和提镏段，故将两温差相减即可补 偿此影响。 4、新型控制 （1）内回流控制
定义：精馏段上一层塔板向下一层板流动的液体流量 控制要求：内回流恒定，进料变化时内回流应随之变化，且蒸汽量应随之变化。 相关因素 外回流LR的流量，内回流=LR+△L， 当塔顶蒸汽温度与外回流温度相同时，内回流=LR
被冷却介质 气氨 被冷却介质
气氨
TC TC
液氨
LS 选择性控制
LC 液氨 TC
LC
(LS)控制:负载敏感
例：
加热器，两侧无相变，冷、热流体都可为操纵变量， 应如何选择？
热流体 F2 T20 冷流体 T21 F1 T10
由热量平衡算式
F2C2（ T20- T21）= F1C1（ T11- T10）
C T11 T11 2 (T20 T21) F2 T10 F1C1 K 放大倍数
载热体放出（吸收）的热量=介质吸收（放出）的热量 Q=G1C1（ T1- T2）= G2C2（ t2- t1） 将Q=KF·△tm代入上式
t2
KFtm t1 G2C2
两侧流体平均温差△tm =[（ T1- T2 ）+（ t2- t1 ）]／2
一般是通过改变平均温差△tm来控制换热器出口温度。
①、提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品质量或收率； ②、保证化工流程安全、稳定的运行； ③、对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性； ④、降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响；
化工流程中经常需要控制的部分工艺变量（参数）：
温度 液位 压力 流量
搅拌转速
PH值 浊度、粘度、各种组份浓度
第五部分
化工设计中的自控流程
2016年05月· 武汉
目录
5.1 化工流程的自动控制 5.2 化工流程自控控制的一些基本概念 5.3 流体输送设备的控制方案 5.4 传热设备的自动控制 5.5 精馏塔的自动控制 5.6 化学反应器的自动控制
5.1化工流程的自动控制(PFD设计)
仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。 强化化工流程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。 化工流程自动化控制的优点：
（1）应用时应注意选点准确和温差给定合理。 （2）操作工况要稳定。
例：
左侧为产品纯度高时， 温差随产品纯度增加而减小 右侧为产品不很纯时， 温差随纯度恶化而减小。 即温差选得过大或操作不平稳， 均会引起温差调节失常。 若给定温差在2
△T
1 2 3 4 5
（以塔底产品为主）
轻组分x
受扰变化至3，则纯度过高，温差↓，则减少蒸汽量，使纯度↓ 若给定状态点在4 受扰变化至5时，纯度↓，但温差↓，故减少蒸汽量，将使纯度继续恶 化。此时只能手动遥控使工况稳定。 工作范围只能选择曲线最高点的左侧！
自动控制术语
1、被控对象（被控过程、被控设备）
定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。例子中，被控对象就 是换热器。
2、被控变量（被控参数）
定义：被控对象中需要保持规定数值的物理量。例子中，热流股的温度。
3、控制变量（操纵变量）
定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值 的某个物理量。例子中，加热蒸汽的流量。
适用于塔顶采用空气冷却器及回流量需要精确控制的场合。
5.6 化学反应器的自动控制
釜式反应器的温度自动控制 釜温与夹套温度串级 冷剂压力稳定，温度波动 釜温与冷剂流量串级 冷剂压力（流量）波动
冷剂 或热剂 TC T 1C TC TFC 2C
回流
冷却剂
q回
塔顶产品
q蒸
三、控制方案 1、提馏段温控 （1）塔底出料成分要求较高 （2）进料全为液相 （3）操作回流比较大 主控系统： 被控变量为提馏段温度， 操纵变量为再沸器加热量。 辅助控制： 2、精馏段温控 主控系统： 控制精馏段温度， 操纵变量为回流量。 辅助控制：
PC
LC
FC FC TC
计算机自动控制系统
计算机控制装置 动作机构（自控阀门）
化工流程自控仪表的一些图形符号：
序号 1 2 3 名称 变送器 就地安装仪表 机组盘装仪表 符号 序号 4 5 6 名称 控制室仪 表 孔板流量 计 转子流量 计 符号
自控参量代号： T——温度 L——物位 A——分析 F——流量 C——浓度 V——黏度 P——压力或真空度 pH——氢离子浓度 M——搅拌转速
4、干扰变量（扰动变量）
定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生变化 的一些物理量。例子中，加热蒸汽的压力（温度）、冷流股的流量及温度。
5、设定值与控制精度
设定值－－－被控变量的工艺规定值。 控制精度－－－设定值允许的波动范围。 例子中，热流股的温度要求控制在80±1℃。 80℃就是被控变量的设定值， ±1℃就是对热流股温度的控制精度要求。
载热体 载热体
如果载热体压力不稳定可用串级控制 2、控制载热体旁路流量 当载热体流量不允许变动时 注意 不用三通阀进行合流或分流控制， 用阀控制旁路和载热体都是不合理的。
TC
TC
FC 旁路 G2 t2 t1
3、控制被加热流体自身流量 4、控制被加热流体自身流量的旁路 当加热流体流量不允许变动时 二、载热体进行冷凝的加热器自动控制 1、控制蒸汽流量 蒸汽压力恒定： 蒸汽压力变化： 反应快 简单控制 串级控制
自控功能代号： I——指示 J——记录 L——联锁
例如：
FIC 101
C——控制 X——信号 A——报警
Q——累积 T——调节 R——人工遥控
表示将位号为101的流量信号引入计算机自控系统，显示并控制该值。 表示在设备附近就地加装仪表显示温度101，而不引入计算机自控系统。
TI 101
5.2 化工流程自控控制的一些基本概念
Q3 Q1 Q2
Q
2、控制泵的转速n n1＞n2 转速n↑ →压头H ↑ → 流量Q ↑ 优点：不需控制阀，不存在阀的 压头，机械效率高。 缺点：实施复杂 3、控制泵的出口旁路 优点：阀口可较小，调节方便。 缺点：旁路部分耗能于控制阀， 故机械效率低。
H
n1 n2
C1 C2
Q2 Q1 Q FC
二、往复泵的控制方案
TC
载热体
TC
被加热 流体
蒸汽
控制阀门较大
凝液
2、控制加热器的有效换热面积
蒸汽
控制缓慢
改善途径：
可选用较小的控制阀门
蒸汽
温度---液位串级控制 温度---流量串级控制
FC
TC 凝液
LC
TC
凝液
三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 常用的冷却剂： 液氨、乙烯、丙烯 控制方案： 1、控制冷却剂的流量 2、温度与液位串级控制
5.4 传热设备的自动控制
种类： 换热器、再沸器、冷凝器、加热器
载热 体 G1 T1
传热的目的： 1、使工艺介质达到规定的温度 2、在工艺过程中加入或除去一定的热量 3、用以改变物料的相态 TC 4、回收热量 一、两侧均无相变化的换热器控制方案 1、控制载热体流量 热量平衡算式
t2
G2 t1 T2
TC
Baidu NhomakorabeaLC
例
采用提馏段温控
进料波动且不可控
进料 FC TC 精 馏 塔
如蒸汽压力波动 可采用前馈—串级控制方案 保持塔底温度恒定 特点： 塔顶或塔底温度控制，简单易行， 但产品纯度较高时，各塔板间温差 很小，故测温元件的灵敏度要求较 蒸汽 高，且不能克服压力，杂质的干扰。 温差控制
1、目的： 克服压力波动引起的温度变化。当压力波动 引起各板上温度方向一致时，两板间温差变化不大