典型化工單元的控制方案

化工單元操作三傳－－動(dòng)量、熱量、質(zhì)量一反－－化學(xué)反應(yīng)1內(nèi)容提要流體輸送設(shè)備的控制方案離心泵的控制方案往復(fù)泵的控制方案壓氣機(jī)的控制方案?jìng)鳠嵩O(shè)備的自動(dòng)控制兩側(cè)均無(wú)相變化的換熱器控制方案精餾塔的自動(dòng)控制工藝要求2第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案

流體的輸送設(shè)備是一個(gè)動(dòng)量傳遞過(guò)程，流體在管道內(nèi)流動(dòng)，從泵或壓縮機(jī)等設(shè)備獲得能量，以克服流動(dòng)阻力。

泵－－液體的輸送設(shè)備壓縮機(jī)－－氣體的輸送設(shè)備流體輸送設(shè)備的基本任務(wù)是輸送流體和提高流體的壓頭。對(duì)流體輸送設(shè)備的控制，多數(shù)是屬于流量或壓力的控制。4第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案一、離心泵的控制方案5

離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。

離心泵的流量控制大體的三種方法1.控制泵的出口閥門(mén)開(kāi)度

當(dāng)干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，閥門(mén)動(dòng)作，控制結(jié)果使流量回到給定值。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案6圖11-1改變泵出口阻力控制流量圖11-2泵的流量特性曲線與管路特性曲線

控制閥一般應(yīng)該安裝在泵的出口管線上，而不應(yīng)該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。注意第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案83.控制泵的出口旁路圖11-4改變旁路閥控制流量

將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開(kāi)啟度的方法來(lái)控制泵的實(shí)際排出量?？刂崎y裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。

該方案不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榕月烽y消耗一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案二、往復(fù)泵的控制方案9

往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場(chǎng)合，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來(lái)輸送流體的。

往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計(jì)算第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案101.改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速圖11-5改變轉(zhuǎn)速的方案

該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，此時(shí)，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案123.改變沖程s

圖11-7往復(fù)泵的特性曲線

計(jì)量泵常用改變沖程s來(lái)進(jìn)行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時(shí)進(jìn)行，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案三、壓氣機(jī)的控制方案13壓氣機(jī)的分類

其作用原理不同可分為離心式和往復(fù)式兩大類；按進(jìn)、出口壓力高低的差別，可分為真空泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等類型。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案141.直接控制流量

對(duì)于低壓的離心式鼓風(fēng)機(jī)，一般可在其出口直接用控制閥控制流量。由于管徑較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其余情況下，為了防止出口壓力過(guò)高，通常在入口端控制流量。因?yàn)闅怏w的可壓縮性，所以這種方案對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)也是適用的。為了減少阻力損失，對(duì)大型壓縮機(jī)，往往不用控制吸入閥的方法，而用調(diào)整導(dǎo)向葉片角度的方法。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案162.控制旁路流量圖11-10控制壓縮機(jī)旁路方案

對(duì)于壓縮比很高的多段壓縮機(jī)，從出口直接旁路回到入口是不適宜的。這樣控制閥前后壓差太大，功率損耗太大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在中間某段安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定工作范圍的需要。

第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案173.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

壓氣機(jī)的流量控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。

問(wèn)題在于調(diào)速機(jī)構(gòu)一般比較復(fù)雜，沒(méi)有前兩種方法簡(jiǎn)便。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制化工生產(chǎn)的傳熱設(shè)備：

換熱器、再沸器、冷凝器、加熱爐等

傳熱目的不同，被控變量不同。多數(shù)情況下，被控變量是溫度。18第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制20傳熱過(guò)程中傳熱的速率可按下式計(jì)算整理后，得移項(xiàng)后改寫(xiě)為第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制21圖11-17換熱器串級(jí)控制系統(tǒng)

如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制222.控制載熱體旁路流量圖11-18用載熱體旁路控制溫度

采用三通控制閥來(lái)改變進(jìn)入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。旁路的流量一般不用直通閥來(lái)直接進(jìn)行控制，因?yàn)樵趽Q熱器內(nèi)部流體阻力小的時(shí)候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制244.控制被加熱流體自身流量的旁路圖11-20用介質(zhì)旁路控制溫度

當(dāng)被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時(shí)，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來(lái)控制溫度。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制一、工藝要求251.保證質(zhì)量指標(biāo)

對(duì)于一個(gè)正常操作的精餾塔，一般應(yīng)當(dāng)使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個(gè)產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的純度要求，另一個(gè)產(chǎn)品的成分亦應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為此，應(yīng)當(dāng)取塔頂或塔底的產(chǎn)品質(zhì)量作被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)。質(zhì)量控制系統(tǒng)需要能測(cè)出產(chǎn)品成分的分析儀表。

第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制262.保證平穩(wěn)操作

為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須把進(jìn)塔之前的主要可控干擾盡可能預(yù)先克服，同時(shí)盡可能緩和一些不可控的主要干擾。為了維持塔的物料平衡，必須控制塔頂餾出液和釜底采出量，使其之和等于進(jìn)料量，而且兩個(gè)采出量變化要緩慢，以保證塔的平穩(wěn)操作。塔內(nèi)的持液量應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定，對(duì)塔的平穩(wěn)操作是十分必要的。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制284.節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性

在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，應(yīng)在控制過(guò)程中使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時(shí)能量消耗盡可能低一些。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制二、精餾塔的干擾因素29圖11-28精餾塔的物料流程圖1.進(jìn)料流量F的波動(dòng)（＊）2.進(jìn)料成分ZF的變化（＊）3.進(jìn)料溫度TF及進(jìn)料熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化

第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制三、常見(jiàn)精餾塔的控制方案301.精餾塔的提餾段溫控圖11-29提餾段溫控的控制方案示意圖

如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。

第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制31提餾段溫控的主要特點(diǎn)與使用場(chǎng)合：

（1）采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到規(guī)定值。（2）當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，用提餾段溫控就比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)程也比較快。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制322.精餾塔的精餾段溫控

如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。圖11-30精餾段溫控的控制方案示意圖第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制33精餾段溫控的主要特點(diǎn)與使用場(chǎng)合：

①采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況。當(dāng)塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴(yán)格時(shí)，一般宜采用精餾段溫控方案。②如果干擾首先進(jìn)入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時(shí)。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制34

如采用精餾段溫控或提餾段溫控，當(dāng)分離的產(chǎn)品較純時(shí)，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對(duì)測(cè)溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實(shí)際上卻很難滿足。解決這一問(wèn)題的方法，是將測(cè)溫元件安裝在塔頂以下或塔底以上幾塊塔板的靈敏板上，以靈敏板的溫度作為被控變量。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制一、化學(xué)反應(yīng)器的控制要求351.質(zhì)量指標(biāo)

化學(xué)反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)一般指反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制46

以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標(biāo)，有時(shí)并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)有干擾作用時(shí)，轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)生成物組分等仍會(huì)受到影響。特別是在有些反應(yīng)中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就需要不斷地根據(jù)工況變化去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值。在有催化劑的反應(yīng)器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制372.物料平衡

為使反應(yīng)正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進(jìn)入反應(yīng)器的各種物料量恒定，配比符合要求。3.約束條件

對(duì)于反應(yīng)器，要防止工藝變量進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或不正常工況，應(yīng)當(dāng)配備一些報(bào)警、聯(lián)鎖裝置或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制二、釜式反應(yīng)器的溫度自動(dòng)控制381.控制進(jìn)料溫度圖11-33改變進(jìn)料溫度控制釜溫第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制392.改變傳熱量

由于大多數(shù)反應(yīng)釜均有傳熱面，引入或移去反應(yīng)熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖11-34改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制三、固定床反應(yīng)器的自動(dòng)控制40

固定床反應(yīng)器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動(dòng)的反應(yīng)器，流體原料在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以生成所需反應(yīng)物。常見(jiàn)的溫度控制方案有：

改變進(jìn)料濃度改變進(jìn)料溫度改變段間進(jìn)入的冷氣量第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制41圖11-38改變進(jìn)料濃度控制反應(yīng)器溫度圖11-39用載熱體流量控制溫度第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制42圖11-40用旁路控制溫度圖11-41用改變段間冷氣量控制溫度圖11-42用改變段間蒸汽量控制溫度第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制四、流化床反應(yīng)器的自動(dòng)控制43圖11-43流化床反應(yīng)器原理示意圖圖11-44改變?nèi)肟跍囟瓤刂品磻?yīng)器溫度第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制44圖11-45改變冷劑流量控制溫度圖11-46流化床差壓指示系統(tǒng)第五節(jié)生化過(guò)程的控制一、常用生化過(guò)程控制451.發(fā)酵罐溫度控制

一般發(fā)酵過(guò)程均為放熱過(guò)程，溫度多數(shù)要求控制在30～50℃（±0.5℃）。過(guò)程操縱變量為冷卻水量，一般不需加熱（特別寒冷地區(qū)除外）。圖11-47發(fā)酵罐溫度控制第五節(jié)生化過(guò)程的控制462.通氣流量、罐壓和攪拌轉(zhuǎn)速控制圖11-48發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓（或流通氣量）控制第五節(jié)生化過(guò)程的控制473.溶氧濃度控制

在發(fā)酵過(guò)程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過(guò)程的不同階段都略高于臨界值，這樣既不影響菌體的正常代謝，又不致為維持過(guò)高的溶氧水平而大量消耗動(dòng)力。培養(yǎng)液的溶解氧水平其實(shí)質(zhì)為供氧和需氧矛盾的結(jié)果。第五節(jié)生化過(guò)程的控制48最常用的溶氧濃度控制方案：

改變攪拌速率；改變通氣速率。圖11-49改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧串級(jí)控制系統(tǒng)第五節(jié)生化過(guò)程的控制494.pH值控制

在發(fā)酵過(guò)程中為控制pH值而加入的酸堿性物料，往往就是工藝要求所需的補(bǔ)料基質(zhì)，所以在pH控制系統(tǒng)中還須對(duì)所加酸堿物料進(jìn)行計(jì)量，以便進(jìn)行有關(guān)離線參數(shù)的計(jì)算。

圖11-50連續(xù)流加pH控制圖11-51脈沖式流加pH控制第五節(jié)生化過(guò)程的控制505.自動(dòng)消泡控制

當(dāng)電極檢測(cè)到泡沫信號(hào)后，控制器便周期性地加入消泡劑，直至泡沫消失。圖11-52消泡控制第五節(jié)生化過(guò)程的控制二、青霉素發(fā)酵過(guò)程控制51青霉素發(fā)酵過(guò)程中直接檢測(cè)的變量有：

溫度、pH值、溶解氧、通氣流量、轉(zhuǎn)速、罐壓、溶解CO2、發(fā)酵