17 第17章 典型化工单元的控制方案.pptx

第1页：第十七章封面

第十七章封面

化工仪表及自动化第十七章典型化工单元的控制方案

第2页：第十七章内容提要（一）

第十七章内容提要（一）

• 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

第3页：第十七章内容提要（二）

第十七章内容提要（二）

• 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

第4页：离心泵的自动控制方案

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。

第5页：泵的流量特性与管路特性曲线

泵的流量特性与管路特性曲线

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

4

• 17-1改变泵出口阻力调流量

第6页：控制泵的转速

控制泵的转速

图17-3改变泵的转速调流量图

52.控制泵的转速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。

• 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。

第7页：离心泵出口旁路控制

离心泵出口旁路控制

图17-4改变旁路阀调流量

• 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。

第8页：往复泵的自动控制方案

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（17-1）

第9页：改变原动机的转速

改变原动机的转速

图17-5改变转速的方案

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。

第10页：往复泵出口旁路控制

往复泵出口旁路控制

图17-6改变旁路流量

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。

第11页：改变冲程

改变冲程

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

103.改变冲程s

第12页：压气机的分类

压气机的分类

• 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。

第13页：直接控制流量

直接控制流量

• 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。

第14页：分程控制方案

分程控制方案

图17-9分程阀的特性图

13

• 17-8分程控制方案

第15页：控制旁路流量

控制旁路流量

图17-10控制压缩机旁路方案

• 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。

第16页：调节转速

调节转速

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。

第17页：喘振现象

喘振现象

• 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。

第18页：旁路控制方案

旁路控制方案

图17-11简单的防喘振方案

17旁路控制方案

第19页：两侧均无相变化的换热器控制

两侧均无相变化的换热器控制

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。若不考虑传热过程中的热损失图

方案181.控制载热体的流量

• 17-12改变载热体流量控制温度

第20页：传热速率的计算

传热速率的计算

19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21页：载热体压力不稳定的对策

载热体压力不稳定的对策

图17-13换热器串级控制系统

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。

第22页：控制载热体旁路

控制载热体旁路

图17-14用载热体旁路控制温度

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。

第23页：控制被加热流体自身流量

控制被加热流体自身流量

图17-15用介质自身流量调温度

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。

第24页：控制被加热流体自身流量的旁路

控制被加热流体自身流量的旁路

图17-16用介质旁路调温度

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。

第25页：载热体进行冷凝的加热器控制

载热体进行冷凝的加热器控制

• 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。
• 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

第26页：控制蒸汽流量

控制蒸汽流量

图17-17用蒸汽流量调温度

• 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。

第27页：控制换热器的有效换热面积

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；图17-20温度-流量串级系统

262.控制换热器的有效换热面积

• 17-19温度-液位串级系统

第28页：两种方案的比较

两种方案的比较

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。

第29页：控制换热面积法的优缺点

控制换热面积法的优缺点

• 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。

第30页：控制冷却剂的流量

控制冷却剂的流量

图11-25用冷却剂流量控制温度

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。

第31页：温度与液位的串级控制

温度与液位的串级控制

图17-22温度-液位串级控制

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。

第32页：控制汽化压力

控制汽化压力

图17-23用汽化压力调温度

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。

第33页：汽化压力方案的特点

汽化压力方案的特点

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。

第34页：精馏塔的干扰因素

精馏塔的干扰因素

图17-24精馏塔的物料流程图（

• 的要求33
• 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

第35页：精馏塔对自动控制的要求

精馏塔对自动控制的要求

• 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

第36页：精馏塔的提馏段温控

精馏塔的提馏段温控

图17-25提馏段温控的控制方案示意图

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。

第37页：提馏段温控的特点与使用场合

提馏段温控的特点与使用场合

• 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。

第38页：精馏塔的精馏段温控

精馏塔的精馏段温控

图17-26精馏段温控的控制方案示意图

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。

第39页：精馏段温控的特点与使用场合

精馏段温控的特点与使用场合

• 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，一般宜采用精馏段温控方案。
• ②如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。

第40页：产品较纯时的测温要求

产品较纯时的测温要求

39在采用精馏段温控或提馏段温控时，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41页：精馏塔的温差控制

精馏塔的温差控制

图17-27ΔT-X曲线注意：温差与产品纯度之间并非单值关系

403.精馏塔的温差控制采用温差作为衡量质量指标的间接变量，是为了消除塔压波动对产品质量的影响。

第42页：按产品成分或物性的直接控制

按产品成分或物性的直接控制

414.按产品成分或物性的直接控制能利用成分分析器，例如红外分析器、色谱仪、密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等，分析出塔顶（或塔底）的产品成分并作为被控变量，用回流量（或再沸器加热量）作为控制手段组成成分控制系统，就可实现按产品成分的直接指标控制。

第43页：化学反应器的控制要求

化学反应器的控制要求

42(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44页：间接控制指标的不足

间接控制指标的不足

• 43
• 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45页：物料平衡与约束条件

物料平衡与约束条件

44(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46页：控制进料温度

控制进料温度

图17-28改变进料温度调釜温

45(1)控制进料温度

第47页：控制传热量

控制传热量

图17-29改变加热剂或冷却剂流量调釜温

46(2)控制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。

第48页：釜温的串级控制

釜温的串级控制

图17-30釜温与冷剂流量串级控制示意图

47(3)串级控制为了针对反应釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。

第49页：釜温与夹套温度串级控制

釜温与夹套温度串级控制

图17-31釜温与夹套温度串级控制示意图图

48

• 11-37釜温与釜压串级控制示意图

第50页：固定床反应器的控制

固定床反应器的控制

49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：控制进料浓度控制进料温度控制段间进入的冷气量

第51页：改变进料浓度与载热体流量

改变进料浓度与载热体流量

图17-33改变进料浓度调反应器温度图

50

• 17-34用载热体流量调温度

第52页：旁路调温与段间冷气量

旁路调温与段间冷气量

图17-35用旁路调温度图；图17-37用改变段间蒸汽量调温度

51

• 17-36用改变段间冷气量调温度

第53页：流化床反应器的控制

流化床反应器的控制

图17-38流化床反应器原理示意图图

52

• 17-39改变入口温度调反应器温度

第54页：流化床差压与冷剂流量

流化床差压与冷剂流量

图17-41流化床差压指示系统图

53

• 17-40改变冷剂流量调温度

第55页：例题1 泵的控制方案判断

例题1 泵的控制方案判断

图17-42(a)、(b)控制方案是否正确。图

1.试判断

• 17-42泵的控制方案

第56页：例题1解（离心泵）

例题1解（离心泵）

图17-42所示控制方案是否正确,首先必须了解离心泵和往复泵的特性。图

• 要分析
• 为了控制出口流量的大小,控制阀一般应该直接装在出口管线上。
• 这是因为离心泵吸入高度是有限的,如果控制阀装在吸入管线上,会产生压降,这样一来,进口端压力就有可能过低,因为液体气化,使泵失去排液能力,这叫气缚。
• 或者压到出口端又急速冷凝,冲蚀厉害,这叫气蚀。
• 这两种情况都要避免发生。
• 所以控制阀一般不应安装在离心泵的入口管线上

• 17-42(a)是离心泵的流量控制方案。

第57页：例题1解（往复泵）

例题1解（往复泵）

本页为18 第十七章 典型化工单元的控制方案章节封面，标注课程名称与本章主题、内容框架。

第58页：例题2 加热器控制方案分析

例题2 加热器控制方案分析

图17-43所示的加热器,如果两侧无相变,载热体流量很大,且进出口温差(T；图17-43加热器控制方案

2.

• 20-T21)很小时,采用图示温控方案是否合理?

第59页：例题2解答

例题2解答

图17-43所示加热器可忽略一些次要因素(如热损失等)，则可列出热量平衡式，即单位时间内冷流体吸收的热量等于载热体放出的热量

• 从分析对象(加热器)的静态特性来看，采用图示控制方案是不合理的。
• 设载热体流量为F2，摩尔热容为C2，冷流体流量为F1，摩尔热容为C1。
• 为了弄清主要问题，对

第60页：例题2续

例题2续

图17-43所示控制方案是很难做到的

或式中由于载热体流量F2已足够大，且进出口温差(T21-T20)已经很小，这时，靠改变F2来改变冷流体出口温度T11的静态放大系数K很小，所以控制很不灵敏。当冷流体进口流量或温度变化时，要想维持其出口温度不变，靠

第61页：例题3 放热催化反应器控制

例题3 放热催化反应器控制

图17-44所示为一放热催化反应器。原料气在预热器内加热后进入反应器。反应以后的反应气作为预热器内的载热体，放出部分热量后再进入下一工序。试问上述工艺过程应该采取什么控制方案，才能使生产正常运行。图

3.

• 17-44反应器

第62页：例题3解答

例题3解答

图17-45所示的温度控制系统,来切断反应器内部这一正反馈通道

• 分析放热反应器的特性，可知上述生产过程不加控制是不行的。
• 如果没有任何控制系统，一旦原料气由于某种原因温度升高时，进入催化放热反应器后，会使反应加剧，放出更多热量，出来的反应气温度也相应升高,进入预热器后，使原料气的温度进一步升高，于是反应更加剧烈，反应气出口的温度也继续升高，这样就起正反馈的作用，使反应器失去控制，催化剂损坏，以致造成事故。
• 为了使生产正常进行,可采用

第63页：例题3续

例题3续

图17-45反应器温度控制

当原料气的温度升高时,通过温度控制器减少进入预热器的载热体(反应气)流量,从而保持反应器气体入口温度不变。这里采用三通(一进二出)控制阀是因为反应器出来的反应气总量(负荷)是不允许任意改变的,当预热器需要的载热体数量减少时,另一部分反应气仍可通过旁路进入下一工序。

第64页：课程结束页

课程结束页

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