间歇式反应器自控设计

黄山学院间歇式反应器自控设计院系：机电工程学院班级：11自动化卓越班姓名：学号：指导教师：施云贵教授成绩：黄山学院自动化专业综合设计说明书-I-专业综合设计任务书一、设计题目间歇式反应器自控设计二、设计目的本设计是学生第一次进行的综合性专业训练，是自动化专业的一个重要教学环节，其设计目的是进一步巩固和加深对所学理论知识的理解，培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力，使学生对自控设计有较完整的概念，培养学生综合运用所学的控制理论、仪表、控制工程等知识进行工程设计的能力，进一步提高设计计算、制图、视图、编写技术文件，查阅参考文献与资料、仪表类型选择的能力。通过此次设计，培养学生树立为社会主义建设服务的观念。设计者应该有敢于创新和勇于负责的精神，从投入施工的角度来严肃对待自己的设计，使自己的设计能最大限度满足生产实际需要，既经济，又可靠。要善于利用书本知识，而又不迷信书本，要善于独立思考，反对粗心大意，草率从事以及不负责的态度；设计中应善于全面综合的考虑各项复杂因素，有选择性吸收前人的成果，发挥主观能动性，大胆提出创造性的设计方案。三、设计任务及要求在设计内容选择上要结合具体的生产实际，题目要有一定的实际意义，做到理论联系实际。自控设备设计要求采用计算机控制系统（如DCS、PLC、FCS等）。本设计应当在教师指导下，由学生独立完成下面内容：（1）设计说明书：包括设计指导思想和设计依据，自动化水平和控制方案的确定，设计计算，仪表选型，以及采用新技术新产品的依据，安全技术措施，重要的复杂调节系统的说明，设计中存在的问题等等；（2）填写表格：如自控设备汇总表、调节阀计算数据表、综合材料表等。设计要求方案合理、计算数据准确、图面图形和标注符合国家标准和有关技术规范要求，说明书编写符合指导书规定要求。黄山学院自动化专业综合设计说明书-II-目录专业综合设计任务书······································································································I第1章工艺流程·········································································································11.1工艺流程简要说明...............................................................................................................................11.2工艺控制要求.......................................................................................................................................11.3确定控制方案.......................................................................................................................................21.4带控制点的工艺流程图......................................................................................................................21.4.1控制回路方框图........................................................................................................................3第2章调节阀确立······································································································6第3章控制点与仪表选择·····························································································73.1I/O点表确立.........................................................................................................................................73.2安全栅型号选择与安装方式..............................................................................................................83.3仪表型号选择.......................................................................................................................................93.3.1现场表的选取·························································································10收获和体会················································································································13黄山学院自动化专业综合设计说明书-1-第1章工艺流程1.1工艺流程简要说明图1-1间歇式化学反应器工艺流程图间歇式化学反应器是生产苯酚过程中不可缺少的磺化工段的主要设备。其工艺流程如图1-1所示。首先把硫酸罐（高位槽）中的浓硫酸定量放进反应釜里，然后连续注入苯汽，其最大流量可达2500立升/小时，用加热油（变压器油）连续加热4小时左右，其反应温度为120℃，进行化学反应方程式如下：C6H6+H2SO4=C6H5SO3H+H2O(吸热反应)最后产品C6H5SO3H(苯磺酸)由反应器底部放料，未反应完的苯汽，通过分层分离器以后回收再使用。主要控制指标是反应物的转化率，但是现在无法直接测量。1.2工艺控制要求①反应器动态特性可以近似的看成一阶惯性环节，其放大倍数Kp=0.8，时间常数Tp=1.5分。②硫酸加入量2吨。③苯最大流量2500立升/小时。④变压器油温度200℃，最大流量5吨/小时。黄山学院自动化专业综合设计说明书-2-⑤反应器规定值为120℃。⑥反应所需时间约4小时。⑦加热油管内径25㎜。⑧苯流量（回流管）管内径20㎜。⑨加热蒸汽管内径50㎜。⑩加热蒸汽最大流量500m3/h，压力6㎏/m3。1.3确定控制方案根据工艺过程的简述，以及性能指标的要求，确定使用的控制方案是一个串级控制和一些简单回路控制。采用串级控制系统的部分是对反应釜内温度和加热油流量的控制。因为采用单回路的控制系统虽然简单但对于加热油所受的外部扰动作用小，如加热油控制阀阀前温度的变化，系统的抗扰动能力弱，都可能影响控制系统的品质。为此我们采用串级控制系统，在串级回路中，主控对象是反应釜内的温度，其输出作为加热油流量控制的给定值，所以加热油的流量是被调参数，反应釜内的温度是调节参数。这样可以大大提供控制品质。1.4带控制点的工艺流程图根据工艺过程的简述，以及性能指标的要求，可得出带控制方案的流程图如图1-2。图1-2间歇式化学反应器带控制方案工艺流程图黄山学院自动化专业综合设计说明书-3-1.4.1控制回路方框图1、加热装置串级控制方框图在设计工艺过程要求保证生产产品的质量，所以需要检测生产产品质量，若直接检测生产产品质量所需要设备十分昂贵，因此采用间接地方式去检测产品质量，再次选择了与产品有直接关系的温度控制检测来代替直接检测产品质量。在控制过程中由于加热油的流量有浮动，所以对加热的温度产生了一定的扰动，所以为了提高对加热温度的更精确地检测与控制所以引入了串级控制方案与分层控制方案。串级控制的基本概念与结构：串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。分层控制的基本概念与结构：在反馈控制系统中，通常是1台调节器的输出控制1台调节阀，然而在分程控制系统中1台调节器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的调节阀。调节器的输出信号被分割成若干段，每一段信号去控制1台调节阀。分程控制系统中调节器的输出信号的分段，一般是由附设在调节阀上的阀门定位器来实现的，阀门定位器相当于一个可改变放大倍数且零点可调整的放大器。采用分程控制系统的主要目的有两个，其一是扩大调节阀的可调范围，以便改变控制系统品质，使系统更为合理可靠；其二是为了满足某些工艺操作的特殊要求。在本体法聚丙烯装置中，聚合反应的全过程可大致分为加热升温阶段、恒温控制阶段、回收控制阶段等几个控制阶段。串级控制与分层控制进行对比，串级控制适用于容量滞后较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关联、非线性过程中。而分层控制对调节阀有很高要求，对系统的调节品质有直接的影响，要选用泄漏量小、流通特性为等百分比特性的调节阀。在本次设计中关系到产品品质的直接因素为温度，而温度被控过程的容量滞后较大，所以利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。所以经过上述分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。最终确定了选定以反应釜中部温度为一次干扰的主回路，加热油流量为二次干扰副回路的串级控制。黄山学院自动化专业综合设计说明书-4-温度调节器流量调节器调节阀加热油反应温度温度检测装置流量检测装置二次干扰一次干扰R(s）Y(s）图1-3加热装置串级控制回路方框图2、硫酸罐液位单回路控制方框图硫酸在本生产过程中作为原料输送到反应釜内部，为了生产产品的质量，在输入硫酸过程中需要控制硫酸的进料量，要保持硫酸罐内硫酸在生产过程中处于充足状态。所以在硫酸罐的设计中加入了液位检测装置并利用硫酸罐内的液位来控制硫酸罐进料阀门的开度来保证硫酸罐内液位的稳定。初步选定为硫酸罐内液位检测单回路控制。在此引入单回路控制定义：单回路控制又称单回路反馈控制。由于在所有反馈控制中，单回路反馈控制是最基本、结构最简单的一种，因此，它又被称之为简单控制。单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。所以经过框图与控制要求，最终选定为以硫酸罐内液位为控制回路的单回路控制方案。液位调节器调节阀硫酸罐液位液位检测装置R(s