反应釜温度过程控制课程设计教程文件

反应釜温度过程控制

课程设计

过程控制系统课程设计

课题：反应釜温度控制系统

系别：电气与控制工程学院

专业：自动化

姓名：彭俊峰

学号： 092413238

指导教师：李晓辉

河南城建学院

2016年 6月 15日

目录

引言

反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。 (1)

1系统工艺过程及被控对象特性选取 (2)

1.1 被控对象的工艺过程

本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）为过程系统被控对象。反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm，釜底到上端盖法兰高度1376mm，反应器总容积

0.903m，耐压2.5MPa。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过

1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应器的工艺流程如图1-1所示。 . 2

1.2 被控对象特性描述 (4)

2 仪表的选取 (5)

2.1过程检测与变送器的选取 (5)

2.2执行器的选取 (7)

2.2.1执行器的选型 (8)

2.2.2调节阀尺寸的选取 (9)

2.2.3调节阀流量特性选取 (9)

2.3控制器仪表的选择 (10)

3.控制方案的整体设定 (12)

3.1控制方式的选择 (12)

G

S

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S

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（3-1） (13)

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3.2阀门特性及控制器选择 (13)

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3.3 控制系统仿真 (15)

4 报警和紧急停车设计 ................................................................................................................. 17

5 结论

本文根据釜式反应器的工艺流程和控制要求，设计了一套温度过程控制系统。在明确控制要求并且确定了被控量之后，为了取得更好的控制效果，在深入分析被控量的影响因素、影响因素之间的制约关系、被控量间的制约关系以及被控对象的特性的基础上，选用了PID 的数字式控制方法，FX2N-2LC 温度调节模块，通过MATLAB 仿真结果表明，有更好的控制效果；为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统。对于工艺流程、对象特

性及其它的一些细节问题， (18)

6 体会 (19)

参考文献 (20)

[1] 潘永湘.杨延西.赵跃 过程控制与自动化仪表（第二版） 机械工业出版社 2007 (20)

引言

反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程

的安全性。

由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方式，选用FX2N-PLC温度调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。

1系统工艺过程及被控对象特性选取

1.1 被控对象的工艺过程

本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）为过程系统被控对象。反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm，釜底到上端盖法兰高度1376mm，反应器总容积0.903m，耐压2.5MPa。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应器的工艺流程如图1-1所示。

图1-1 釜式反应器工艺流程图

该装置主要参数如表1-1所示。各个阀门的设备参数如表1-2所示，其中，D

g 为阀门公称直径、K

为国际标准流通能力。

v

表1-1 主要测控参数表

表1-2 设备参数表

由图1-1可以看出，该被控对象的反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下，在反应温度70±1.0℃发生反应，生成产物D。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。图1中，各参数含意如下：F4、F5 和F6 分别反应物A、B和催化剂 C 的进料流量，V4、V5 和V6 分别是A、B和C的进料阀。A为反应器内主产物D重量百分比浓度，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量为F9,由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液，由产物D与未反应的 A、B以及催化剂C组成。F7为夹套冷却水入口流量，由阀V7进行控制。F8为蛇管冷却水入口流量，由阀V8 进行控制。此外，在反应初期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。

1.2 被控对象特性描述

本设计中的被控对象主要是反应釜的温度部分。由于被控对象有其特殊特性，直接影响着操纵变量和控制方案的选取，因此对于被控变量的特性分析显得尤为重要。下面就针对反应釜反应温度分析和描述。

该反应属于放热反应，放热反应属于非自衡的危险过程，反应温度高将导致反应速度加快，释放出热量导致反应温度进一步升高，温度迅速升高的同时，反应压力也会迅速加大，从而有可能导致火灾或者爆炸事故。因此有必要对反应温度加以控制，其主要手段是控制夹套以及蛇管冷却水的流量。冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时（这种干扰在现场时有发生），即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走的热量减少，反应器中物料温度会上升。反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大的高阶特性。由于温度变化的滞后，用常规控制器进行调节效果不佳。