化工仪表及自动化化工仪表及自动化 9 9本文由 liqimen 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。化工仪表及自动化第十一章 典型化工单元的控制方案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 离心式压缩机的防喘振控制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工艺要求1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 固定床反应器的自动控制 流化床反应器的自动控制升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2第一节 流体输送设备的控制方案一、离心泵的控制方案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。3第一节 流体输送设备的控制方案图 11-1 改变泵出口阻力 控制流量图 11-2 泵的流量特性曲线 与管路特性曲线注意 控制阀一般应该安装在泵的出口管线上， 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） 。 该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外） 。4第一节 流体输送设备的控制方案2.控制泵的转速 图 11-3 中曲线 1、2、3 表 示转速分别为 n 1 、n 2 、n 3 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。图 11-3 改变泵的转速 控制流量5第一节 流体输送设备的控制方案3.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。图 11-4 改变旁路阀控制 流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。6第一节 流体输送设备的控制方案二、往复泵的控制方案往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场合， 往复泵 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Q 理60 nFs(m3/h)（11-1）7第一节 流体输送设备的控制方案1.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，进而控制往复泵 的出口流量。图 11-5 改变转速的方案8第一节 流体输送设备的控制方案2.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 11-6 改变旁路流量9第一节 流体输送设备的控制方案3.改变冲程 s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。图 11-7 往复泵的 特性曲线1 0三、压气机的控制方案压力机的分类第一节 流体输送设备的控制方案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。1 1第一节 流体输送设备的控制方案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。1 2第一节 流体输送设备的控制方案图 11-8 分程控制方案图 11-9 分程阀的特性1 3第一节 流体输送设备的控制方案2.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 11-10 控制压缩机旁路方案1 4第一节 流体输送设备的控制方案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，没有前 问题 两种方法简便。1 5四、离心式压缩机的防喘振控制第一节 流体输送设备的控制方案1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象图 11-11 离心式压缩机特性曲线图 11-12 喘振现象示意图1 6第一节 流体输送设备的控制方案喘振是出现压缩机工作点这种反复迅速突变这一现象 喘振 时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷， 机身发生振动并波及到相连的管线，表现在流量计和压 力表的指针大幅度摆动。 喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小是离心 式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸 入状态，也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲，吸入 气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。1 7第一节 流体输送设备的控制方案2.防喘振控制方案 （1）固定极限流量法 对于工作在一定转速下的 离心式压缩机，都有一个进入 喘振区的极限流量 QB，为了安 全起见，规定一个压缩机吸入 流量的最小值 Q P ，且有 Q P QB。图 11-13 防喘振旁路控制1 8第一节 流体输送设备的控制方案（2）可变极限流量法 图 11-14 上的喘振极限线 是对应于不同转速时的压缩机 特性曲线的最高点的连线。只 要压缩机的工作点在喘振极限 线的右侧，就可以避免喘振发 生。图 11-14 防喘振曲线1 9第一节 流体输送设备的控制方案安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式 表示p2 bQ12 a+ p1 T1（11-2）在p2 bQ12 =a+ p1 T1时，工况是安全的。经过换算，上述不等式可写成如下形式r ? p1 2 ( p 2 ? ap1 ) bk2 0（11-3）第一节 流体输送设备的控制方案该方案控制器 FC 的给定 值是经过运算得到的，因此 能根据压缩机负荷变化的情 况随时调整入口流量的给定 值，而且由于这种方案将运 算部分放在闭合回路之外， 因此可像单回路流量控制系 统那样整定控制器参数。图 11-15 变极限流量防喘振 控制方案2 1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1. 控制载热体的流量 图 11-16 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。 若不考虑传热过程中的热损失图 11-16 改变载热体 流量控制温度Q = G1c1 (T1 ? T2 ) = G 2 c 2 (t 2 ? t1 )2 2第二节 传热设备的自动控制传热过程中传热的速率可按下式计算Q = KF ? t m整理后，得G 2 c 2 (t 2 ? t1 ) = KF ? t mKF ? t m t2 = + t1 G 2 c2移项后改写为2 3第二节 传热设备的自动控制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 11-17 换热器串级控制系统2 4第二节 传热设备的自动控制2.控制载热体旁路流量 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 11-18 用载热体旁路 控制温度2 5第二节 传热设备的自动控制3.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。 的场合。图 11-19 用介质自身流量控制温度2 6第二节 传热设备的自动控制4. 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 11-20 用介质旁路控制温度2 7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。当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为Q = G1c1 (t 2 ? t1 ) = G 2 传热速率方程式仍为Q = G 2 = KF ? t m2 8第二节 传热设备的自动控制当被加热介质的出口温度 t 2 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 11-21 用蒸汽流量控制温度2 9第二节 传热设备的自动控制2.控制换热器的有效换热面积图 11-22 用凝液排出 量控制温度图 11-23 温度-液位串 级控制系统图 11-24 温度-流量 串级控制系统3 0第二节 传热设备的自动控制两种方案比较 控制蒸汽流量法 优点： 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 缺点 ： 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。3 1第二节 传热设备的自动控制控制换热器的有效换热面积法 缺点： 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： 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。3 2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1.控制冷却剂的流量 该方案不以液位为被控变量，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 图 11-25 用冷却剂流 阀关小或暂时切断。量控制温度3 3第二节 传热设备的自动控制2.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 11-26 温度-液位串级控制3 4第二节 传热设备的自动控制3.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 11-27 用汽化压力控 制温度3 5第二节 传热设备的自动控制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。3 6第三节 精馏塔的自动控制一、工艺要求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。3 7第三节 精馏塔的自动控制2.保证平稳操作 为了保证塔的平稳操作，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