表面活性剂生产过程控制系统

绪论 (1)

2 工艺流程与控制参数简述 (2)

2.1工艺流程 (2)

2.2 工艺控制参数要求 (2)

3 生产控制过程分析与设计 (3)

3.1 疏水原料与环氧乙烷的比值控制 (3)

3.2原料预加热温度控制 (4)

3.3反应器温度控制 (6)

3.4反应器的压强控制 (9)

4仪器仪表的选择及仪表盘的设计 (11)

4.1 仪表选择原则 (11)

4.2 本系统的仪表选用 (11)

总结 (14)

参考文献 (15)

绪论

本系统主要讲述的是聚氧乙烷类非离子表面活性剂生产过程，通过控制进料比例以及化学反应器中温度、压力等化学反应条件来保证化学反应的顺利实现。此生产过程主要是通过比值控制，来严格控制两种原料的比例，通过温度-流量串级控制来控制反应器中的温度，并且用压力变送器、压力控制器构成单回路控制系统控制压力恒定，最终实现精确控制聚氧乙烷类非离子表面活性剂生产过程工艺参数的目的。

2 工艺流程与控制参数简述

2.1工艺流程

聚氧乙烷类非离子表面活性剂生产过程是将疏水原料经加热后喷入反应器中，此时根据原料量加入0.5％的环氧乙烷（环氧乙烷易燃烧和爆炸），在反应器中反应，此反应是在高温、压力和催化剂存在下进行，反应过程大量放热，通过热交换器维持反应器内温度150℃，压力0.05Mpa。当等计量的环氧乙烷加完后温度持续下降到100℃时将反应器内原料输出。

2.2 工艺控制参数要求

1）反应温度维持在150℃～175℃，温度误差大于±5℃时应会自动提示报警

2）反应器内压力维持在0.05～0.5MPa。

3）环氧已烷占原料量的0.5％。

3 生产控制过程分析与设计

3.1 疏水原料与环氧乙烷的比值控制

1）被控参数：疏水原料、环氧乙烷的输出物料流量Q

2）控制参数：阀门开度

3）根据工艺控制参数要求，环氧乙烷占疏水原料量的0.5％，为满足原料间规定的比例，选择单闭环比值控制系统，疏水原料是主动量1Q ，环氧乙烷为从动量2Q ，其比值200Q Q K 21==（由于它们之间的比值200K =非常大，当环氧乙烷的输出量发生变化时疏水原料的输出量将剧烈变化不利于系统的稳定，所以在此不应选择双闭环比值控制系统而应选择单闭环比值控制系统）。 图1所示为单闭环比值控制系统框图。由图可见，从动量2Q 是一个闭环随动控制系，主动量1Q 却是开环的，1Q 经比值器()s 1c W 作为2Q 的给定值，所以2Q 能按一定的比值K 跟随1Q 变化。当1Q 保持不变而2Q 受到扰动时，则可以通过2Q 的闭环进行定值控制，使2Q 调回到1Q 的给定值上，两者的流量在原数值上保持不变。当1Q 受到扰动时，即改变了2Q 的给定值，使2Q 跟随1Q 而变化，从而保证原设定的比值不变。当1Q 、2Q 同时受到扰动时，2Q 回路在克服扰动的同时，又根据新的给定值，使主、从动量()21,Q Q 在新的流量数值的基础上保持其原设定值的比例关系。

可见该控制方案的优点是能够确保K Q Q =12不变，方案结构简单，因而在工业生产自动化中得到广泛应用。

()S W C 1()S W C 2()S W V ()S W 0()

s W m 1()s W m 21

Q 2

Q 图1 单闭环比值控制系统框图 1

FT 2FT 2

c F FY

1

G 2

G

图2 带检测点的单闭环比值控制系统流程图

3.2原料预加热温度控制

1）被控参数：疏水原料温度

2）控制参数： 加热蒸汽阀门开度

3）该反应过程的温度控制为150°，预加热的对温度的要求精度并不高，所以原料温度达到80°-90°即可，可采用如图3所示的单

回路温度控制系统。

疏水原料计量槽

TT

003

TC

003

图3 单回路温度系统流程图

但这种简单的温度控制系统，其滞后时间较大，对温度控制质量有较大的影响，有时满足不了工艺的要求，为此可采以用串级控制系统方案，原料预加热阶段采用如图4所示串级系统。

疏水原料计量槽

TT

003

TC

003

PC

003

PT

003

给定

图4 预加热温度-压力串级控制系统流程图

该串级控制系统中，主被控参数为疏水原料的温度，副被控参数为疏水原料计量槽内的压力，控制参数为上图中加热阀门开度。就其主回路（外环）来看，是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动控制系统，与单回路控制系统相比，串级控制系统多了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器）但控制效果却有显著地提高。其原因在于往往压力的变化及测量比温度来的迅速，实际上压力变化是温度变化的前奏，因此建立一个温度——压力的串级控制系统，能够提前产生控制作用，有利于克服被控对象的滞后，提高温度的控制精度，该设计方案适用于压力变化远超前于温度变化的情形。

其系统框图如图5所示。

温度调节器流量控制器阀门被控过程1被控过程2

流量变送器

温度变送器

图5 温度-压力串级控制系统框图

3.3反应器温度控制

1）被控参数：

主被控参数：反应器内温

副被控参数：加热蒸汽流量

2）控制参数：加热阀门开度

3）化学反应器的温度控制是及其重要的，温度影响着化学反应速率、转化率等，是化学反应的重要条件，但由于目前大型石化企业所用的聚合反应釜，其容量相当庞大，反应的放热量大而传热效果往往又很差，控制其反应已经成为过程控制中的一个难题。因此在制定化学反应器的控制方案时我们要关注其以下两个特点：

a)在反应开始之前，反应物必须要升到指定的最低温度

b) 反应是放热反应

据此可知，本设计中需要将温度升到150℃～175℃以满足反应条件，待反应开始之后，由于该反应是放热反应，为了将反应器中度维持在150℃～175℃，则需要通过热交换器迅速的放热。

为此，可采用反应器内温为主被控参数、夹套温度为副被控参数的温度——流量串级控制系统，控制方案以及系统的方框图分别示于图6、图7所示。

温度控制器

流量

控制器

蒸汽阀反应器

流量

变送器

温度

变送器

图6 反应器内温控制系统框图

E-6热交换器

反应器

至下级生

产工艺

蒸汽

FT

003

FC

003

TT

003

TC

003

给定

图7反应器内温控制系统流程图

在该温度-流量串级控制系统中，假设蒸汽温度为某一恒定值，反应开始初，主温度调节器给定值为150℃，并将其输出作为副温度调节器的的给定，此时反应器温度需要升温，副温度调节器控制加热阀（蒸汽阀）动作，反应进行过程中，主调节器给定值不变，由于反应放热，此时通过副调节器调节蒸汽阀门开度，减小蒸汽流量，使得反应器内温度下降。

由于反应过程中放出大量的热，对反应器内温度控制产生很大扰动，而上述温度-流量串级控制系统不能及时的将热量冷却散去，控制效果并不是最佳的，根据分程控制的特点进行改进，加一个冷却阀，其系统流程图如图8所示能够达到更好的控制效果。

E-10E-11热交

换器

反应器

V-10V-9热水蒸汽给定

TT

003

TT 003TT

003TT 003

图8 反应器内温控制系统流程图

3.4反应器的压强控制

1）被控参数：反应器内压强

2）控制参数：图8中阀门开度

3）该反应要求反应过程中压力0.05～0.5MPa ，反应器压力对象是一个具有较大自平衡能力的对象，惯性很小，可近似认为是一个比例环节这样控制通道迟延和惯性比较小。如下图9为反应器的压强控制框图，图10为反应器的压强控制流程图。

调节器

调节阀-R(s)

Y(s)

变送器

被控过程干扰（原料

的反应放热

膨胀）

图9 反应器的压强控制框图

PC

P-2

PT 反应器

图10 反应器的压强控制流程图

4仪器仪表的选择及仪表盘的设计4.1 仪表选择原则

检测仪表（元件）控制阀的一般选用原则如下：

1)工艺过程的条件：工艺过程中的温度、压力、脉动等因素是决定仪表选型的主要条件，它关系到仪表选用的合理性、仪表的使用寿命及车间的防火防爆保安等问题。

2)操作上的重要性：各点检测的参数在操作上的重要性是仪表的指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能选定的依据。

3)经济型和统一性：根据投资的规模、便于维修和管理、选型时也要注意其统一性，尽可能用同一系列、统一规格型号以及同一生产厂家的产品。

4)仪表的使用和供应状况：所选仪表应是较为成熟、经现场使用证明可靠地，同时也应当货源充足。

4.2 本系统的仪表选用

1)温度变送器选择：

在本系统中，温度的控制是十分重要的，故对温度的检测要求也较高。系统对温度的控制要求是反应温度维持在150℃～175℃，温度误差大于±5℃时应会自动提示报警，可采用热电偶温度计，热电偶温度计在工业生产过程中使用极为广泛。它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，测量范围宽、适用于中、高温度测量，且响应时间较快等。可见选用热电偶温度计不仅可以准确的测量温度，而且其响应时间较快，还

可以适当的改善温度控制的滞后。具体型号可以选用WRN2-740化工专用隔爆型热电偶。温度报警可直接在控制其中设置。

其余仪表选型详见表一。

2)控制阀的选择：

控制阀的选择应从合理的选择阀型和阀体、阀内件的材质，正确确定控制阀的口径，选择合适的流量特性，控制阀的开闭形式等几个方面考虑。其中开闭形式的确定主要是从生产安全角度出发来考虑。当阀上控制信号或者气源中断时，应避免损坏设备和伤害人员。如事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小，则选用气开式，反之，应选用气闭式。

仪表盘的布置图见附录。

表1仪器仪表的选型

元器件名称型号参数数量

温度变送器WRN2-740 热电偶，温度范围0～500℃，防护等

级：IP54，防爆等级：dIIBT4

4

温度控制器AI-508

防护等级：表壳IP53，量程范围：-100～

230℃，0.3级精度

4

流量测量器2HQ3512 防护等级IP67，行程精度：<1%,转矩

精度：<10%，输出转速：5/14，全程时

间：30S

4

流量控制器7ME6910

环境温度0～500℃，外壳防护等级：

IP65，耐压：2MPa

3

开方器DJK1000

输入信号1-5v，DC环境温度0-50℃

3

比值控制器

BURKERT8

601 比列电磁阀，PWM频率无限可调，可

选RS232、RS485接口 1

压力变送器EJA430A 测量范围：0.14~14MPa，精度：±0.065%，防护等级：IP67，

防爆规格：IECEx

压力控制器D500/18D 调节范围：1-40Mpa，外壳防护等级：

IP65，环境温度：-25～55℃ 2

总结

方案评价及改进方向：本系统能将表面活性剂反应器温度进行严格控制，并且有较快的抗干扰能力减小纯滞后时间。改进主要针对对反应器压强和温度的控制的灵敏度的提高。

收获及体会：通过这次的课程设计，我又回顾了学过的过程控制系统，加深了一些印象，也使我在学习书本知识的同时学会了将书本上的知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己的能力和自己的学习热情。

通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，微分方程，校正仿真等问题，以及对一些软件例如VISIO、CAD绘图等常用设计软件的使用，会画系统流程图和传递函数方框图。这也就要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题，从另一个方面加强了我的自学能力。

通过这几天的设计，我认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能凭借一个人的力量解决所有的问题，在学习生活中团队配合是十分重要的。在这次的课程设计中，我们一起讨论，一起回顾以前学的过程控制相关知识，一起研究怎么画图，最终成功地研究出了成果，虽然由于经验不足，时间仓促，设计的不是很好，但是我们从中学到了很多有用的和宝贵的经验，我觉得这才是这次课程设计的目的所在。

参考文献

[1]莫彬，过程控制工程[M]，北京：化学工业出版社，1991.10

[2]孙洪成李大字，过程控制工程设计[M]，北京：化学工业出版社，2009.01

[3]邵裕森戴先中，过程控制工程[M]，北京：机械工业出版社，2005.05

[4]吴勤勤，控制仪表及装置[M]，北京：化学工业出版社，2007.01

[5]周泽魁，控制仪表与计算机控制装置[M]，北京：化学工业出版社，2002.09

[6]仪器设备的型号查询相关网站