典型化工单元的控制方案课件.ppt

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1、典型化工单元的控制方案,化工单元操作,三传动量、热量、质量一反化学反应,1,内容提要,流体输送设备的控制方案离心泵的控制方案往复泵的控制方案压气机的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精馏塔的自动控制工艺要求,2,内容提要,精馏塔的干扰因素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生化过程的控制常用生化过程控制青霉素发酵过程控制啤酒发酵过程控制,3,第一节 流体输送设备的控制方案,流体的输送设备是一个动量传递过程，流体在管道内流动，从泵或压缩机等设备获得能量，以克服流动阻力。泵液体的输送设备压缩机气体的输送设备流体输送设备的基本任务是输

2、送流体和提高流体的压头。对流体输送设备的控制，多数是属于流量或压力的控制。,4,第一节 流体输送设备的控制方案,一、离心泵的控制方案,5,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,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。,第一节 流体输送设备的控制方案,6,图11-1 改变泵出口阻力控制流量,图11-2 泵的流量特性曲线与管路特性曲线,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）。,注意,第一节 流体输送设备的控

3、制方案,7,2.控制泵的转速,图11-3 改变泵的转速控制流量,图11-3中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1n2n3。,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。,第一节 流体输送设备的控制方案,8,3.控制泵的出口旁路,图11-4 改变旁路阀控制流量,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。,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

4、很少采用。,第一节 流体输送设备的控制方案,二、往复泵的控制方案,9,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,第一节 流体输送设备的控制方案,10,1.改变原动机的转速,图11-5 改变转速的方案,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，进而控制往复泵的出口流量。,第一节 流体输送设备的控制方案,11,2.控制泵的出口旁路,图11-6 改变旁路流量,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。,第一节 流体输送设备的控制方案,12,3.改变冲程s

5、,图11-7 往复泵的特性曲线,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。,第一节 流体输送设备的控制方案,三、压气机的控制方案,13,压气机的分类,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。,第一节 流体输送设备的控制方案,14,1.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。 为了减少阻力损失，对大型压缩

6、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。,第一节 流体输送设备的控制方案,15,图11-8 分程控制方案,图11-9 分程阀的特性,第一节 流体输送设备的控制方案,16,2.控制旁路流量,图11-10 控制压缩机旁路方案,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。,第一节 流体输送设备的控制方案,17,3.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

7、，没有前两种方法简便。,第二节 传热设备的自动控制,化工生产的传热设备：换热器、再沸器、冷凝器、加热炉等传热目的不同，被控变量不同。多数情况下，被控变量是温度。,18,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,19,1. 控制载热体的流量,图11-16 改变载热体流量控制温度,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,第二节 传热设备的自动控制,20,传热过程中传热的速率可按下式计算,整理后，得,移项后改写为,第二节 传热设备的自动控制,21,图11-17 换热器串级控制系统,如果载热体本身压力不稳定

8、，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。,第二节 传热设备的自动控制,22,2.控制载热体旁路流量,图11-18 用载热体旁路控制温度,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。,第二节 传热设备的自动控制,23,3.控制被加热流体自身流量,图11-19 用介质自身流量控制温度,只能用在工艺介质的流量允许变化的场合。,第二节 传热

9、设备的自动控制,24,4. 控制被加热流体自身流量的旁路,图11-20 用介质旁路控制温度,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。,第三节 精馏塔的自动控制,一、工艺要求,25,1.保证质量指标,对于一个正常操作的精馏塔，一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应当取塔顶或塔底的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。,第三节 精馏塔的自动控制,26,2.保证平稳操作,为了保证塔的平稳

10、操作，必须把进塔之前的主要可控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。 为了维持塔的物料平衡，必须控制塔顶馏出液和釜底采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。 塔内的持液量应保持在规定的范围内。控制塔内压力稳定，对塔的平稳操作是十分必要的。,第三节 精馏塔的自动控制,27,3.约束条件,为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。,第三节 精馏塔的自动控制,28,4.节能要求和经济性,在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。 其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同时能量

11、消耗尽可能低一些。,第三节 精馏塔的自动控制,二、精馏塔的干扰因素,29,图11-28 精馏塔的物料流程图,1.进料流量F的波动（）2.进料成分ZF的变化（）3.进料温度TF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6.环境温度的变化,第三节 精馏塔的自动控制,三、常见精馏塔的控制方案,30,1.精馏塔的提馏段温控,图11-29 提馏段温控的控制方案示意图,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。,第三节 精馏塔的自动控制,31,提馏段温控的主要特点与使用场合：,（1）采用了提馏段温

12、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。,第三节 精馏塔的自动控制,32,2.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11-30 精馏段温控的控制方案示意图,第三节 精馏塔的自动控制,33,精馏段温控的主要特点与使用场合：, 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。 如果干扰首

13、先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。,第三节 精馏塔的自动控制,34,如采用精馏段温控或提馏段温控，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。,第四节 化学反应器的自动控制,一、化学反应器的控制要求,35,1.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,第四节 化学反应器的自动控制,46,以温度、压力等工艺变量作为间接控制指标，有时并不能保证质量

14、稳定。 当有干扰作用时，转化率和反应生成物组分等仍会受到影响。 特别是在有些反应中，温度、压力等工艺变量与生成物组分间不完全是单值对应关系，这就需要不断地根据工况变化去改变温度控制系统的给定值。 在有催化剂的反应器中，由于催化剂的活性变化，温度给定值也要随之改变。,第四节 化学反应器的自动控制,37,2.物料平衡,为使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种物料量恒定，配比符合要求。,3.约束条件,对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，应当配备一些报警、联锁装置或设置取代控制系统。,第四节 化学反应器的自动控制,二、釜式反应器的温度自动控制,38,1.控制进料温度,图11-3

15、3 改变进料温度控制釜温,第四节 化学反应器的自动控制,39,2.改变传热量,由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现温度控制。,图11-34 改变加热剂或冷却剂流量控制釜温,第四节 化学反应器的自动控制,三、固定床反应器的自动控制,40,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。,常见的温度控制方案有：,改变进料浓度 改变进料温度 改变段间进入的冷气量,第四节 化学反应器的自动控制,41,图11-38 改变进料浓度控制反应器温度,图11-39 用载热体流量控制温度,第四节 化学反应器的自

16、动控制,42,图11-40 用旁路控制温度,图11-41 用改变段间冷气量控制温度,图11-42 用改变段间蒸汽量控制温度,第四节 化学反应器的自动控制,四、流化床反应器的自动控制,43,图11-43 流化床反应器原理示意图,图11-44 改变入口温度控制反应器温度,第四节 化学反应器的自动控制,44,图11-45 改变冷剂流量控制温度,图11-46 流化床差压指示系统,第五节 生化过程的控制,一、常用生化过程控制,45,1.发酵罐温度控制,一般发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在3050（0.5）。过程操纵变量为冷却水量，一般不需加热（特别寒冷地区除外）。,图11-47 发酵罐温度控制,

17、第五节 生化过程的控制,46,2.通气流量、罐压和搅拌转速控制,图11-48 发酵罐搅拌转速、罐压（或流通气量）控制,第五节 生化过程的控制,47,3.溶氧浓度控制,在发酵过程中必须控制溶解氧浓度，使其在发酵过程的不同阶段都略高于临界值，这样既不影响菌体的正常代谢，又不致为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。 培养液的溶解氧水平其实质为供氧和需氧矛盾的结果。,第五节 生化过程的控制,48,最常用的溶氧浓度控制方案：,改变搅拌速率； 改变通气速率。,图11-49 改变搅拌转速的溶氧串级控制系统,第五节 生化过程的控制,49,4.pH值控制,在发酵过程中为控制pH值而加入的酸碱性物料，往往就是工艺要

18、求所需的补料基质，所以在pH控制系统中还须对所加酸碱物料进行计量，以便进行有关离线参数的计算。,图11-50 连续流加pH控制,图11-51 脉冲式流加pH控制,第五节 生化过程的控制,50,5.自动消泡控制,当电极检测到泡沫信号后，控制器便周期性地加入消泡剂，直至泡沫消失。,图11-52 消泡控制,第五节 生化过程的控制,二、青霉素发酵过程控制,51,青霉素发酵过程中直接检测的变量有：,温度、pH值、溶解氧、通气流量、转速、罐压、溶解CO2、发酵液体积、排气CO2、排气O2等。,离线检测的参数有：,菌体量、残糖量、含氮量、前体浓度和产物浓度等。,相关性包括两个方面：,理化相关和生物相关。,第五节 生化过程的控制,三、啤酒发酵过程控制,52,啤酒发酵过程是一个微生物代谢过程。在发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、糖度和时间的变化。,啤酒发酵生产工艺对控制的主要要求： 控制罐温在特定阶段时与标准的工艺生产曲线相符； 控制罐内气体的有效排放，使罐内压力符合不同阶段的需要； 控制结果不应与工艺要求相抵触，如局部过冷、破坏酵母沉降条件等。,