第11章典型化工单元的控制方案

化工仪表及自动化昆明理工大学杨彪2010~2011学年下第三章检测仪表及传感器15:37:07昆明理工大学知识结构第5章自动控制仪表第6章执行器第2章过程特性第3章检测仪表与传感器第4章显示仪表第1章自动控制系统基本概念第7章简单控制系统第8章复杂控制系统第9章新型控制系统第10章计算机控制系统15:37:07昆明理工大学化工仪表及自动化Measurement&ProcesscontrolTechnology15:37:09昆明理工大学第十一章典型化工单元的控制方案15:37:09昆明理工大学生产过程的设备种类繁多，如流体输送设备、传热设备、锅炉设备、精馏塔、化学反应器等。不同的设备及过程有不同的特性和控制要求，同类设备的控制也会有很不相同的控制方案。本章简单介绍精馏塔的控制与化学反应器的控制。15:37:09昆明理工大学一、精馏塔的控制精馏过程是现代化生产中应用极为广泛的传质过程，其目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离并达到规定的纯度要求。精馏过程十分复杂，被控变量多，可选的操纵变量也多，它们之间可以有各种不同的组合。精馏对象通道多、反应缓慢、内在机理复杂、变量之间相关。15:37:09昆明理工大学主要内容精馏塔操作工艺分析精馏塔操作工艺要求精馏塔质量指标选取精馏塔常规控制方案精馏塔的前馈－反馈控制方案15:37:09昆明理工大学1、精馏塔操作工艺分析回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐SVBxBDDxRVRLFZFF图11－1精馏塔的物料流程15:37:09昆明理工大学精馏操作设备主要包括再沸器、冷凝器和精馏塔，再沸器为混合物液相中的轻组分转移提供能量，冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相并提供精馏所需的回流。精馏塔实现混合物组分分离的主要设备。15:37:09昆明理工大学2、精馏塔操作工艺要求精馏塔的控制目标一般从质量指标、产品质量和能量消耗三个方面考虑。同时要把各种约束条件考虑进去。15:37:09昆明理工大学（1）质量指标一般应使塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度，另外一个产品的纯度应该维持在规定的范围内；或者塔顶、塔底的产品均达到一定的纯度要求。15:37:09昆明理工大学（2）产量指标在产品达到一定的质量指标的前提下，得到尽可能高的收率。收率通常定义为产品产量与进料中该产品组分的量之比。生产效率除了与产品的纯度及收率有关外，还要考虑能量消耗等因素。15:37:09昆明理工大学（3）能量要求和经济指标精馏塔消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。在一定的纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品收率的，但同时增加了再沸器的能量消耗。因此精馏塔的操作必须从整个经济效率来衡量。15:37:09昆明理工大学（4）约束条件为了保证正常操作，需规定某些参数的极限值，并作为约束条件。如：塔内气体流速，防止漏液和泛液塔的操作压力再沸器两侧间的温差不能超过临界值，否则会导致给热系数下降，传热量降低。15:37:09昆明理工大学2、精馏塔控制问题分析再沸器上升蒸汽量精馏过程塔顶采出量D回流量塔底采出量B冷凝器冷却量QC塔顶汽相采出量DV塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位塔顶压力P外部扰动进料的流量,组成与温度等操纵变量被控变量RLSV再沸器加热剂压力变化冷却剂压力或温度变化环境温度变化主要扰动：15:37:09昆明理工大学3、精馏塔质量指标（被控变量选择）对于一个二元组分精馏塔来说，在一定压力下，沸点与产品成分之间有单独的函数关系。因此，如果压力恒定，塔板温度就反映了成分。对多元精馏来说，比较复杂，但石油化工中许多产品由一系列碳氢化合物的同系物组成，在一定压力下，保持一定的温度，成分的误差可以忽略。以温度作为质量指标时，必须保持压力恒定。15:37:09昆明理工大学（1）采用温度作为间接质量指标塔顶（或塔底）温度控制产品在塔顶采用塔顶温度控制，反之亦然。灵敏板温度控制灵敏板是指当塔的操作经受扰动作用时，塔内各板的温度都发生变化，一直到新的稳态时，温度变化最大的那块板称为灵敏板。中温控制取加料板稍上、稍下的塔板或加料板的温度作为被控变量。15:37:09昆明理工大学用温度作为质量指标的前提是塔内压力恒定，虽然精馏塔一般有塔压控制系统，但对于精密精馏等控制要求较高的场合，微小压力波动将影响温度与组分之间的关系。如苯－甲苯－二甲苯分离时，大气压力变化6.67KPa，苯的沸点变化2℃，超过了质量指标的规定，而这种情况是完全可能的。因此必须对压力的波动加以补偿。15:37:09昆明理工大学（2）采用压力补偿的温度作为间接质量指标温差控制要求压力对这两点温度的影响接近。一个检测点在塔顶，这里成分和温度变化比较小；另一个放在灵敏板附近，成分和温度变化比较大和灵敏。与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响。关键：选点正确，温差设置合理。15:37:09昆明理工大学双温差控制采用温差控制时，若进料流量变化，将引起塔内成分变化和塔内压降发生变化，这两种情况都会引起温差变化，前者使温差减小，后者使温差增大。即此时温差与成分不再是单值函数关系。采用温差差值控制后，由于进料流量波动引起塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段温差同时出现，用塔的上、下段温差的差值作为被控变量就消除了压降变化的影响。15:37:09昆明理工大学4、精馏塔控制方案确定精馏塔的控制方案时，要考虑：按物料和能量平衡进行控制设置质量控制系统静态和动态响应考虑控制系统间的相关影响考虑整个工艺生产过程的平稳操作主要讨论顶部和底部产品都为液相且没有侧线采出的情况。15:37:09昆明理工大学（1）按精馏段指标的控制方案对馏出液的纯度要求较之对釜液为高时（如主要产品为馏出液）按精馏段指标进行控制，取精馏段某点成分或温度为被控变量，而以LR、D或VS为操纵变量。这种方案可以保证XD，当扰动不大时，XB变化也不大。采用这种方案时，在LR、D、VS及B中选择一个作为控制成分的手段，选另外一种保持流量恒定，其余两者则按照回流罐和再沸器的物料平衡，由液位控制器进行控制。15:37:09昆明理工大学DLCTCBLCFCFLTTTLTFTSV图11－2精馏段指标的控制方案一根据精馏段塔板温度控制LR，并保持VS恒定15:37:09昆明理工大学DLCFBLCFCTCLTFTTTLTSVRL图11－3精馏段指标的控制方案二根据精馏段塔板温度控制D，并保持VS恒定。在回流比LR/D很大时适用。可实现全回流。15:37:09昆明理工大学（2）提馏段指标的控制方案当对釜液的成分要求较之对馏出液为高时，要采用此方案；当对两者的质量要求相近时，如果是液相进料，也采用此方案，原因：在液相进料时，F的波动首先影响到XB，用提馏段控制及时。15:37:09昆明理工大学DLCTCBLCFCLTRLFTTTLTF图11－4提馏段指标的控制方案一（a）根据精馏段塔板温度控制D，并保持VS恒定。15:37:09昆明理工大学图11－5提馏段指标的控制方案一（b）15:37:09昆明理工大学图11－6提馏段指标的控制方案二B的采出量小时较好，B不合格时，可以切断。对F的波动控制比较及时。15:37:09昆明理工大学图11－7精馏塔的前馈－反馈控制当进料流量增加时，成比例地增加再沸器的加热蒸汽量和塔顶馏出液，就可以基本保持塔顶和塔底的产品成分不变。前馈克服进料流量扰动的大部分，小部分扰动由反馈克服。15:37:09昆明理工大学二、化学反应器控制化学反应过程伴有化学物理现象，涉及能量、物料平衡，以及物料动量、热量和物质传递过程，因此化学反应器的操作一般比较复杂。化学反应器的自动控制关系到产品的质量、产量和安全生产。15:37:09昆明理工大学1、反应器控制要求化学反应器自动控制的基本要求是使化学反应在符合预定要求的条件下自动进行。设计化学反应器的自控方案，一般从质量指标、物料平衡和约束条件等方面加以考虑。15:37:09昆明理工大学（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产物的规定浓度。因此，应该选取转化率或与之相关的可测变量作为被控变量。由于化学反应不是吸热就是放热，反应过程总伴随热效应，所以温度是最能够表征质量的间接控制指标。15:37:09昆明理工大学（2）物料平衡为了使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种物料料恒定，配比符合要求。因此，在进入反应器前，往往采用流量定值或比值控制。对于有物料循环的反应系统，还应该设置辅助控制系统。15:37:09昆明理工大学（3）约束条件对于反应器，要防止工艺变量进入危险或不正常工况。如在一些催化接触反应中，温度过高或进料中某些杂质含量过高，将会损坏催化剂；在流化床反应器中，流速过高，会将固相吹走；而流速过低，又会让固相沉淀。因此，应该配备报警、连锁装置或选择性控制等。15:37:09昆明理工大学2、釜式反应器的控制釜式反应器在化学工业中广泛应用，除了用作聚合反应外，在有机燃料、农药等行业还经常采用釜式反应器进行碳化、硝化、卤化等反应。釜式反应器的反应温度控制是实现釜式反应器最佳操作的关键，常用的方案有：15:37:09昆明理工大学图11－8控制进料温度方案通过改变热剂（或冷剂）量来调节进入反应釜的物料温度从而维持反应温度15:37:09昆明理工大学图11－9改变传热量控制方案对于有传热面的反应釜，可以引入或移出反应热来改变传热量实现温度控制。结构简单，但控制滞后大。15:37:09昆明理工大学图11－10反应釜串级控制方案一为了有效处理控制滞后，采用串级控制方案，根据进入反应釜的主要扰动不同，可以采用釜温与热剂（或冷剂）流量的串级控制。15:37:09昆明理工大学图11－11反应釜串级控制方案二釜温与夹套温度串级控制。15:37:09昆明理工大学图11－12反应釜串级控制方案三釜温与釜压串级控制。15:37:09昆明理工大学3、固定床反应器的控制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。固定床反应器温度控制十分重要。任何一个化学反应器都有自己的最合适温度，该温度综合考虑了化学反应速度、化学平衡和催化剂活性等因素，该温度还是转化率的函数。15:37:09昆明理工大学温度控制首先要选择敏感点位置，把感温元件安装在敏感点处，以便及时反映整个催化剂床层温度的变化。多段的催化剂床层往往要分段进行温度控制。常用的温度控制方案有：改变进料浓度改变进料温度改变段间进入的冷气量15:37:09昆明理工大学图11－13改变进料浓度控制方案硝酸生产过程，改变氨和空气的比值就相当于改变进料的氨浓度15:37:09昆明理工大学图11－14改变旁路流量控制方案一原料进入反应器前需要预热，可通过改变进入换热器的载热体流量，以控制反应床上的温度。15:37:09昆明理工大学图11－15改变旁路流量控制方案二15:37:09昆明理工大学图11－16改变段间进入的冷气量控制方案一硫酸生产中用SO2氧化成SO3，冷的一部分原料气少经过一段床层，但原料气总的转化率有所降低。15:37:09昆明理工大学图11－17改变段间进入的冷气量控制方案二合成氨生产中，当用水蒸气与CO变换成氢气时，为了使反应完全，进入变换炉的水蒸气往往是过量的，此时段间冷气采用水蒸气不会降低CO的转化率。15:37:09昆明理工大学4、流化床反应器的控制流化床反应器的原理如图11－18所示。反应器的底部有多孔筛板，催化剂呈粉末状，放在筛板上，当从底部进入的原料气流速达到一定值时，催化剂开始上升呈现沸腾状，这种现象称为固体流化态。催化剂沸腾后，由于搅动剧烈，因而传质、传热和反应强度都高，并且有利于连续化和自动化生产。流化床反应器温度控制十分重要。15:37:09昆明理工大学图11－18流化床反应器原理示意图15:37:09昆明理工大学4、流化床反应器的控制流化床反应器的原理如图11－18所示。反应器的底部有多孔筛板，催化剂呈粉末状，放在筛板上，当从底部进入