第17章 化工仪表及自动化

化学工业出版社www.cip.com.cn化工仪表及自动化第十七章典型化工单元的控制方案化学工业出版社www.cip.com.cn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压气机的自动控制方案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化学工业出版社www.cip.com.cn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化学工业出版社www.cip.com.cn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3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。化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制4图17-2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）。注意图17-1改变泵出口阻力调流量化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制52.控制泵的转速图17-3改变泵的转速调流量图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。化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制63.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。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。图17-4改变旁路阀调流量化学工业出版社www.cip.com.cn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7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h/m603nFsQ＝理（17-1）化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制81.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。图17-5改变转速的方案化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制92.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改变旁路流量化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制103.改变冲程s图17-7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。化学工业出版社www.cip.com.cn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11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。化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制121.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。化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制13图17-9分程阀的特性图17-8分程控制方案化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制142.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。图17-10控制压缩机旁路方案化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制153.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。化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制16“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。化学工业出版社www.cip.com.cn第一节流体输送设备的自动控制17旁路控制方案图17-11简单的防喘振方案化学工业出版社www.cip.com.cn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181.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。12222111ttcGTTcGQ若不考虑传热过程中的热损失图17-12改变载热体流量控制温度化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制19mtKFQ传热过程中传热的速率可按下式计算mtKFTTcGttcG21221222整理后，得1222tcGtKFtm移项后改写为化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制20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化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制212.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。图17-14用载热体旁路控制温度化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制223.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化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制234.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。图17-16用介质旁路调温度化学工业出版社www.cip.com.cn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24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。21211GttcGQ当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为传热速率方程式仍为mtKFGQ2化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制25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。图17-17用蒸汽流量调温度化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制262.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-流量串级系统化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制27两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。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制28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。化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制291.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11-25用冷却剂流量控制温度化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制302.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-液位串级控制化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制313.控制汽化压力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用汽化压力调温度化学工业出版社www.cip.com.cn第二节传热设备的自动控制32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。化学工业出版社www.cip.com.cn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33图17-24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1.干扰因素化学工业出版社www.cip.com.cn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化学工业出版社www.cip.com.cn第三节精馏塔的自动控制三、精馏塔的控制方案351.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化学工业出版社www.cip.com.cn第三节精馏塔的自动控制36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。化学工业出版社www.cip.com.cn第三节精馏塔的自动控制372.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化学工业出版社www.cip.com.cn第三节精馏塔的自动控制38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