典型化工单元操作的自控方案

化工仪表及自动化
典型化工单元的控制方案
内容提要
流体输送设备的自动控制
离心泵的自动控制方案 往复泵的自动控制方案 压缩机的自动控制方案
传热设备的自动控制
两侧均无相变化的换热器控制方案 载热体进行冷凝的加热器自动控制 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制
精馏塔的自动控制
精馏塔的干扰因素及对自动控制的要求
1
内容提要
精馏塔的控制方案
化学反应器的自动控制
化学反应器的控制要求 釜式反应器的温度自动控制 固定床反应器的自动控制 流化床反应器的自动控制
2
第一节 流体输送设备的自动控制
一、离心泵的自动控制方案
离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于 某一给定的数值上。 离心泵的流量控制大体的三种方法
41
第四节 化学反应器的自动控制
一、化学反应器的控制要求
(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 生成物的规定浓度。 如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为
三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制
1.控制冷却剂的流量
该方案不以液位为操纵变量，但 液位不能过高，过高会造成蒸发空间 不足，使出去的氨气中夹带大量液氨， 引起氨压缩机的操作事故。 这种控制方案带有上限液位报警， 或采用温度-液位自动选择性控制， 当液位高于某上限值时，自动把液氨 阀关小或暂时切断。
图17-17 用蒸汽流量调温度
25
第二节 传热设备的自动控制
2.控制换热器的有效换热面积
图17-18 用凝液排出 量调温度
图17-19 温度-液位串 级系统
图17-20 温度-流量 串级系统
26
第二节 传热设备的自动控制
两种方案比较
控制蒸汽流量法
优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。
缺点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较 剧烈，有时凝液冷到100℃以下，这时加热器内蒸 汽一侧会产生负压，造成冷凝液的排放不连续， 影响均匀传热。
Q G1c1 t2 t1 G2
传热速率方程式仍为
Q G2 KFtm
24
第二节 传热设备的自动控制
当被加热介质的出口温度t2 为被控变量时，常采 用下述两种控制方案。
1.控制蒸汽流量
通过改变加热蒸汽量来稳定 被加热介质的出口温度。当阀前 蒸汽压力有波动时，可对蒸汽总 管加设压力定值控制，或者采用 温度与蒸汽流量（或压力）的串 级控制。
16
第一节 流体输送设备的自动控制
旁路控制方案
图17-11 简单的防喘振方案
17
第二节 传热设备的自动控制
一、两侧均无相变化的换热器控制方案
1. 控制载热体的流量
图17-12表示利用控制载热 体流量来稳定被加热介质出口 温度的控制方案。采用传热基 本方程式的工作原理。 若不考虑传热过程中的热损失
图17-3 改变泵的转速 调流量
5
第一节 流体输送设备的自动控制
3.控制泵的出口旁路
将泵的部分排出量重新送回到 吸入管路，用改变旁路阀开启度的 方法来控制泵的实际排出量。 控制阀装在旁路上，压差大， 流量小，因此控制阀的尺寸较小。
图17-4 改变旁路阀调 流量
该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量， 使总的机械效率降低，故很少采用。
1. 控制泵的出口阀门开度
当干扰作用使被控变量（流量）发生变化偏离给定 值时，控制器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流 量回到给定值。
3
第一节 流体输送设备的自动控制
图17-1 改变泵出口阻力 调流量
图17-2 泵的流量特性曲线 与管路特性曲线
注意 控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而不应 该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。
2.精馏塔的精馏段温控
如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标， 而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控。
图17-26 精馏段温控的控制方案示意图
37
第三节 精馏塔的自动控制
精馏段温控的主要特点与使用场合： ① 采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能 较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要 求比塔底严格时，一般宜采用精馏段温控方案。 ② 如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比 较及时。
32
第三节 精馏塔的自动控制
一、精馏塔的干扰因素及对自动控制的要求
1.干扰因素
（1）进料流量F的波动（＊） （2）进料成分ZF的变化（＊） （3）进料温度及进料热焓QF的变化 （4）再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量 的变化 （5）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化
图17-24 精馏塔的物料 流程图
（6）环境温度的变化
Q G1c1 T1 T2 G2c2 t2 t1
图17-12 改变载热体 流量控制温度
18
第二节 传热设备的自动控制
传热过程中传热的速率可按下式计算
Q KFtm
整理后，得
G2c2 t2 t1 G2c2 T1 T2 KFtm
KFt m t2 t1 G2c2
图17-5 改变转速的方案
8
第一节 流体输送设备的自动控制
2.控制泵的出口旁路
该方案由于 高压流体的部分 能量要白白消耗 在旁路上，故经 济性较差。
图17-6 改变旁路流量
9
第一节 流体输送设备的自动控制
3.改变冲程 s
计量泵常用改变冲 程s来进行流量控制。 冲程s的调整可在停泵 时进行，也有可在运转 状态下进行的。
移项后改写为
19
第二节 传热设备的自动控制
如果载热体本身压力 不稳定，可另设稳压系统， 或者采用以温度为主变量、 流量为副变量的串级控制 系统。
图17-13 换热器串级控制系统
20
第二节 传热设备的自动控制
2.控制载热体旁路
采用三通控制阀来改变进入换热 器的载流体流量与旁路流量的比例， 可以改变进入换热器的载热体流量， 还可以保证载热体总流量不受影响。 旁路的流量一般不用直通阀来直 接进行控制，因为在换热器内部流体 阻力小的时候，控制阀前后压降很小， 这样就使控制阀的口径要选得很大， 而且阀的流量特性易发生畸变。
第三节 精馏塔的自动控制
3.精馏塔的温差控制
采用温差作为衡量质量指标的间接变量，是为了消 除塔压波动对产品质量的影响。
注意：温差与产品纯 度之间并非单值关系。
图17-27 ΔT-X曲线
40
第三节 精馏塔的自动控制
4.按产品成分或物性的直接控制
能利用成分分析器，例如红外分析器、色谱仪、 密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等，分析出塔 顶（或塔底）的产品成分并作为被控变量，用回流量 （或再沸器加热量）作为控制手段组成成分控制系统， 就可实现按产品成分的直接指标控制。
35
第三节 精馏塔的自动控制
提馏段温控的主要特点与使用场合： （1）采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此 它能较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段温 度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到 规定值。 （2）当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就 比较及时，动态过程也比较快。
36
第三节 精馏塔的自动控制
4
第一节 流体输送设备的自动控制
2.控制泵的转速
图17-3中曲线1、2、3表 示转速分别为n1 、n2 、n3 时的 流量特性，且有n1＞n2＞n3。 该方案从能量消耗的角度 来衡量最为经济，机械效率较 高，但调速机构一般较复杂， 所以多用在蒸汽透平驱动离心 泵的场合，此时仅需控制蒸汽 量即可控制转速。
图11-25 用冷却剂流 量控制温度
29
第二节 传热设备的自动控制
2.温度与液位的串级控制
该方案的实质是改变传热 面积。但采用了串级控制，将 液氨压力变化而引起液位变化 的这一主要干扰包含在副环内， 从而提高了控制质量。
图17-22 温度-液位串级控制
30
第二节 传热设备的自动控制
3.控制汽化压力
38
第三节 精馏塔的自动控制
在采用精馏段温控或提馏段温控时，当分离 的产品较纯时，由于塔顶或塔底的温度变化很小， 对测温仪表的灵敏度和控制精度都提出了很高的 要求，但实际上却很难满足。解决这一问题的方 法，是将测温元件安装在塔顶以下或塔底以上几 块塔板的灵敏板上，以灵敏板的温度作为被控变 量。
39
工作原理 基于当控制阀的开度变化 时，会引起氨冷器内汽化压力 改变，于是相应的汽化温度也 就改变了。
图17-23 用汽化压力调 温度
31
第二节 传热设备的自动控制
这种方案控制作用迅速，只要汽化压力稍有变 化，就能很快影响汽化温度，达到控制工艺介质出 口温度的目的。但是由于控制阀安装在气氨出口管 道上，故要求氨冷器要耐压，并且当气氨压力由于 整个制冷系统的统一要求不能随意加以控制时，这 个方案就不能采用了。
图17-7 往复泵的 特性曲线
10
第一节 流体输送设备的自动控制
三、压气机的自动控制方案 压力机的分类
其作用原理不同可分为离心式和往复式两大类；
按进、出口压力高低的差别，可分为真空泵、鼓 风机、压缩机等类型。
11
第一节 流体输送设备的自动控制
1.直接控制流量
对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口直 接用控制阀控制流量。由于管径较大，执行器可采 用蝶阀。其余情况下，为了防止出口压力过高，通 常在入口端控制流量。因为气体的可压缩性，所以 这种方案对于往复式压缩机也是适用的。
图17-16 用介质旁路调温度
23
第二节 传热设备的自动控制
二、载热体进行冷凝的加热器自动控制
在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热， 通过管壁加热工艺介质。如果要加热到200℃以上或 30℃以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。 这种传热过程分两段进行，先冷凝后降温。 当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为
6
第一节 流体输送设备的自动控制
二、往复泵的自动控制方案
往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场合， 它是利用活塞在汽缸中往复滑行来输送流体的。 往复泵提供的理论流量可按下式计算
Q百度文库＝60nFs
m / h
3
（17-1）
7
第一节 流体输送设备的自动控制
1.改变原动机的转速
该方案适用于以蒸汽 机或汽轮机作原动机的场 合，此时，可借助于改变 蒸汽流量的方法方便地控 制转速。
27
第二节 传热设备的自动控制
控制换热器的有效换热面积法 缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大 的传热面积裕量。 优点：防止局部过热，对一些过热后会引起化 学变化的过敏性介质比较适用。另外，由于蒸 汽冷凝后凝液的体积比蒸汽体积小得多，所以 可以选用尺寸较小的控制阀门。
28
第二节 传热设备的自动控制
33
第三节 精馏塔的自动控制
2.精馏塔对自动控制的要求
保证质量指标 保证平稳操作
约束条件
34
第三节 精馏塔的自动控制
三、精馏塔的控制方案
1.精馏塔的提馏段温控
如果采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标， 而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。
图17-25 提馏段温控的控制方案示意图
图17-10 控制压缩机旁路方案
14
第一节 流体输送设备的自动控制
3.调节转速
压气机的流量控制可以通过调节原动机的 转速来达到，这种方案效率最高，节能最好。 问题在于调速机构一般比较复杂，没有前 两种方法简便。
15
第一节 流体输送设备的自动控制 “喘振”现象
当负荷降低到一定程度时,气体的排送会出现强烈的 振荡,从而引起机身的剧烈振动。这种现象称为“喘振”。 喘振会造成事故,操作中必须防止喘振现象产生。 防喘振的控制方案有很多种,其中最简单的是旁路控 制方案。
图17-14 用载热体旁路 控制温度
21
第二节 传热设备的自动控制
3.控制被加热流体自身流量
只能用在工艺介 质的流量允许变化 的场合。
图17-15 用介质自身流量调温度
22
第二节 传热设备的自动控制
4. 控制被加热流体自身流量的旁路
当被加热流体的总流 量不允许控制，而且换热 器的传热面积有余量时 ， 可将一小部分被加热流体 由旁路直接流到出口处 ， 使冷热物料混合来控制温 度。
为了减少阻力损失，对大型压缩机，往往不用 控制吸入阀的方法，而用调整导向叶片角度的方法。
12
第一节 流体输送设备的自动控制
图17-8 分程控制方案
图17-9 分程阀的特性
13
第一节 流体输送设备的自动控制
2.控制旁路流量
对于压缩比很高的多段压 缩机，从出口直接旁路回到入 口是不适宜的。这样控制阀前 后压差太大，功率损耗太大。 为了解决这个问题，可以 在中间某段安装控制阀，使其 回到入口端，用一只控制阀可 满足一定工作范围的需要。