反应釜温度过程控制课程设计.docx

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反应釜温度过程控制课程设计

0前言

反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。

釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。

釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：

进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。

对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。

由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。

本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID控制方式，选用FX2N-2LC温度调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。

1系统工艺过程及被控对象特性选取

1.1被控对象的工艺过程

本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）为过程系统被控对象。

反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm，釜底到上端盖法兰高度1376mm，反应器总容积0.903m，耐压2.5MPa。

为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。

反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。

反应器的工艺流程如图1-1所示。

图1-1釜式反应器工艺流程图

该装置主要参数如表1-1所示。

各个阀门的设备参数如表1-2所示，其中，Dg为阀门公称直径、Kv为国际标准流通能力。

表1-1主要测控参数表

F4反应物A进料流量

729kg/h

F5反应物B进料流量

1540kg/h

F6催化剂C进料流量

88kg/h

F7冷却水流量（蛇管冷却）

最大25t/h

F8冷却水流量（夹套冷却）

最大42t/h

F9反应物料混合液出口流量

kg/h

T1反应温度

℃

P7反应压力

MPa（绝压）

L4反应器料位

%（0-1.3m，0-100%）

表1-2设备参数表

V4反应物A进料阀

Dg25Kv=3.42（Cv=4）

V5反应物B进料阀

Dg25Kv=5.38（Cv=6.3）

V6催化剂C进料阀

Dg20Kv=0.214（Cv=0.25）

V7冷却水阀（蛇管）

Dg40Kv=25.64（Cv=30）

V8冷却水阀（夹套）

Dg50Kv=42.73（Cv=50）

V9反应器出口阀

Dg25Kv=8.54（Cv=10）

S6热水阀

开、关两种状态

S8反应器搅拌电机开关

开、关两种状态

由图1-1可以看出，该被控对象的反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下，在反应温度70±1.0℃发生反应，生成产物D。

反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。

图1中，各参数含意如下：

F4、F5和F6分别反应物A、B和催化剂C的进料流量，V4、V5和V6分别是A、B和C的进料阀。

A为反应器内主产物D重量百分比浓度，反应温度为T1，液位为L4。

反应器出口浆液流量为F9,由出口阀V9控制其流量。

出口泵及出口泵开关为S5。

反应器出口为混合液，由产物D与未反应的A、B以及催化剂C组成。

F7为夹套冷却水入口流量，由阀V7进行控制。

F8为蛇管冷却水入口流量，由阀V8进行控制。

此外，在反应初期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。

该热水由开关阀S6引入。

反应器搅拌电机开关为S8。

1.2被控对象特性描述

本设计中的被控对象主要是反应釜的温度部分。

由于被控对象有其特殊特性，直接影响着操纵变量和控制方案的选取，因此对于被控变量的特性分析显得尤为重要。

下面就针对反应釜反应温度分析和描述。

该反应属于放热反应，放热反应属于非自衡的危险过程，反应温度高将导致反应速度加快，释放出热量导致反应温度进一步升高，温度迅速升高的同时，反映压力也会迅速加大，从而有可能导致火灾或者爆炸事故。

因此有必要对反应温度加以控制，其主要手段是控制夹套以及蛇管冷却水的流量。

冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。

当冷却水压力下降时（这种干扰在现场时有发生），即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走的热量减少，反应器中物料温度会上升。

反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大的高阶特性。

由于温度变化的滞后，用常规控制器进行调节效果不佳。

2仪表的选取

温度控制系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图2.1所示。

图2-1温度控制系统结构图

2.1过程检测与变送器的选取

过程检测是生产过程自动控制系统的重要组成部分。

过程检测装置及时而准确的把被控参数检测出来，并变成调节、控制装置可识别的方式，作为过程控制装置判断生产过程的依据。

根据工业的要求，为了具有较高的精度，采用热电阻温度计。

热电阻温度计广泛应用于-200~600℃范围内的温度测量。

用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性，另外，材料的物理化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格便宜。

热电阻的选取可以根据表2-1确定：

表2-1工业常用热电阻

热电阻名称

分度号

0度时阻值（度）

测温范围（度）

特点

铜电阻

Cu50

-50～150

线性好，价格低，适用于无腐蚀性介质

Cu50

铂电阻

Pt50

-200～500

精度高，价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线性度差

Pt100

由表2-1，根据釜内温度的一般变化范围选用铂电阻，为提高检测精度采用三线制的接法，如图2-2所示。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。

这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度

变化，造成测量误差。

采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

所以工业上一般都采用三线制接法。

图2-2热电阻三线直接法

温度变送器我们选择DDZ-Ⅲ型温度变送器如图2-3所示。

图2-3变送器的测量接线示意图

其特点：

（1）采用线性集成放大电路，使仪表的精确性、可靠性、稳定性以及其他指标均符合国家规定的标准。

（2）采用了通用模块和专用模块相结合的设计方法，使用灵活、方便。

（3）在与热电阻的接入单元中，采用了线性化电路，从而保证了变送器的输出信号与被测温度呈线性关系，大大方便了变送与系统的配接。

（4）采用了统一的24VDC集中供电，变送器内无电源，实现了“三线制”的接线方式。

（5）采取了安全火花防爆措施，适用于具有爆炸危险场合中的温度或直流毫伏信号的检测。

2.2执行器的选取

执行器是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量。

它接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和角位移，操纵控制机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。

2.2.1执行器的选型

本设计采用气动薄膜调节阀，其工作原理：

当气室输入了0.02～0.10MPa信号压力之后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开了阀座，从而使压缩空气流通。

当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定的开度上。

气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。

它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。

当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。

推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不再改变，流体的流量稳定。

出于安全的原因，在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻，结构简单的后座式端面密封蝶阀。

阀体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。

适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力控制。

气动执行器分气开和气关两种形式，有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器；反之，则为气开式。

它的选择首先应根据调节器输出信号为零时使生产处于安全状态的原则确定；其次，还应考虑是否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。

最后，气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。

考虑的原则是：

信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。

根据工业的要求，本设计选择了气关方式。

2.2.2调节阀尺寸的选取

调节阀的尺寸主要是指调节阀的开度和口径，他们的选择对系统的正常运行影响很大。

若调节阀口径选择过小，当系统受到较大扰动时，调节阀既是运行在全开状态，也会使系统出现暂时失控现象；若口径选择过大，则在运行中阀门阀门会经常处于小开度状态，容易造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀，甚至使调节阀失灵。

因此，结合本设计的工业要求，调节阀开度应处于15％～85％之间。

2.2.3调节阀流量特性选取

调节阀是控制系统非常重要的一个环节，它接受控制器的输出信号，改变操纵变量，执行最终控制任务。

控制阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与相对开度之间的函数关系，如下式中所示。

（2-1）

其中

——相对流量。

即控制阀在某一开度下的流量与最大流量之比；

——相对开度。

即控制阀在某一开度下的行程与全行程之比。

常用的理想流量特性的控制阀有：

线性型、对数（等百分比）型和快开型等。

其理想流量特性如图2-5所示。

图２-5控制阀理想流量特性

而在实际工作时，阀两端的压降会随流量而变化，这时的流量特性称为工作特性。

设管路系统的总压差为ΔPT，由液体提升高度引起的压差为ΔPh，阀两端的压降为ΔPV，管路其他部分的压降为ΔPl。

工程中通常采用经验法来选择调节阀的流量特性。

表2-1给出了理想流量特性的经验，本方案将依据这个表来选取理想流量特性。

然而当控制系统中某一环节出现故障或意外时，应考虑人身、设备装置的安全；考虑介质性质；还要考虑减少经济损失等。

表2-1控制阀理想流量特性经验选择表

被控变量

有关状况

选用理想流量特性

流量

设定值变化

直线型

负荷变化

对数型

温度

对数型

压力

快过程

对数型

慢过程，ΔPV恒定

直线型

慢过程，（ΔPV）Qmax<0.2（ΔPV）Qmin

对数型

液位

ΔPV恒定

直线型

（ΔPV）Qmax<0.2（ΔPV）Qmin

对数型

（PV）Qmax>2（ΔPV）Qmin

快开型

2.3控制器仪表的选择

采用模拟控制器:

DDZ－III型调节器，DDZ―Ⅲ基型控制器框图如图4.3。

控制器的输入信号为1～5V的测量信号。

设定信号有内设定和外设定两种。

内设定信号为1～5V，外设定信号为4～20mA。

测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为4～20mA信号输出。

手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。

由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。

3.控制方案的整体设定

温度自动控制子系统有两种控制要求。

在反应开车阶段，由冷态常温逐渐诱发反应至温度到达70℃。

此阶段要求所设计控制系统能保证升温以0.1℃/s的速率进行。

3.1控制方式的选择

采用单回路控制方式，将反应温度T1取一阶微分，得到温度变化率，再与升温速率设定值0.1℃/s作比较，将偏差作为控制器的输入。

控制系统框图如图3-1所示：

图3-1控制系统框图

传递函数框图如图3-2所示：

图3-2传递函数框图

系统的开环传递函数为：

（3-1）

闭环传递函数为：

（3-2）

3.2阀门特性及控制器选择

阀门V8选线性阀。

对于釜式反应器，在升温阶段65℃以下由夹套冷却水阀控制冷却水流量来实现对反应温度的控制。

根据反馈控制的基本原理，要使系统能够正常工作，构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正。

由图3-2可知，由于阀门V8选择的是气关的形式，被控对象釜式反应器是正作用，温度变送器选择正值，所以控制器应选择正作用方式。

对于釜式反应器这类控制对象，是一个时滞过程，而且控制对象特性复杂，故采用数字PID控制器可以得到满意的控制效果。

数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行离散化而得到的。

PID的模拟表达式为：

（3-3）

式中

——调节器的输出信号；

——调节器的偏差输入信号，是测量值

与

之差，

；

——调节器的比例增益、积分时间常数、微分时间常熟。

因为采样周期

相对于信号变化周期是很小的，这样可用矩形法计算积分，用后相差分代替微分，则上式可变成离散PID算式

（3-4）

式中

——第

次采样时调节器的输出；

——第

次采样的偏差值；

——采样序号。

采用增量式的算法，上式可变换为

（3-5）

利用增量式方法的优点是：

ⅰ.计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作时影响小必要时通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。

ⅱ.易于实现手动和自动的无忧切换。

为了改善控制质量和控制的要求，选用了微分先行PID控制模式，其结构如图3-3所示。

这是一个PD与PI的串联结构，他只对测量值M进行微分，而不是对偏差进行微分，这样在给定值R变化时，不产生输出的大幅度变化，即可避免给定值扰动。

图3-3微分先行PID结构图

PID控制器是根据输出量对于输入量偏差（或其导数）的变化情况，根据一定的规则进行计算，实时的整定PID控制器的参数。

此次设计选用FX2N-2LC温度调节模块。

该模块配有2通道的温度输入和2通道晶体管输出，即一块能组成两个温度调节系统。

模块提供了自调节的PID控制和PI控制，控制的运行周期为500ms，占用8个I/O点数。

3.3控制系统仿真

对于本设计，为了检验PID的控制效果，针对此反应器的温度控制，在MATLAB中进行了仿真。

控制器的仿真结构如图3-4所示，控制器跟踪升温曲线的仿真结果如图3-5所示。

图3-4控制器的仿真结构图

图3-5控制器跟踪升温曲线的仿真结果

3.4控制参数整定

控制器参数整定：

需要对PID控制器进行初始化的参数整定，这里打算采用临界比例度法对控制器进行参数整定。

大致步骤为：

首先设定比例增益KC=1.0，置积分时间最大Ti=99999，微分时间为Td=0。

将增益KC从1.0开始以1.0为增量逐渐增大，每变化一次增益KC，观察一次阶跃响应曲线，直到出现等幅振荡曲线为止。

测量并记录此时的临界增益Kcmax和等幅振荡周期Tmax，根据计算公式计算可得到KC，Ti和Td。

将计算得到的数据设置为温度控制器的PID参数，即完成了控制器的PID参数整定。

4报警和紧急停车设计

该工艺过程中，如果反应釜中的温度过高而导致压力增大，就有发生爆炸的危险，因此有必要当反应釜内压力过大时发出报警并紧急停车，以免发生事故。

为此有必要设计报警系统和紧急停车系统，为了提高其安全性，可同时采用自动手动两种方式。

其框图如图3-6所示。

图3-6报警系统和紧急停车系统

其工作过程为：

通过温度的升高，压力变送器检测反应釜内气体压力P7，在报警给定器内设置压力上限1.2MPa，一旦发现压力越界，报警给定器发出警报，并改变其输出开关量的值，以示出现危险。

经逻辑运算的判定，如果确实存在危险，改变其输出开关量的值以开始停车过程。

停车包含以下几个措施：

关闭进料阀V4、V5、V6，以切断进料；将蛇管冷却阀V7和夹套冷却阀V8开到最大，加大冷却水流量，以便快速降温；将出料阀V9开到最大，清空釜内的物料；关闭搅拌器开关。

该系统与以上各个控制系统是相互独立的，通过选择型开关实施切换。

这个过程也可以通过手动操作来完成。

5结论

本文根据釜式反应器的工艺流程和控制要求，设计了一套温度过程控制系统。

在明确控制要求并且确定了被控量之后，为了取得更好的控制效果，在深入分析被控量的影响因素、影响因素之间的制约关系、被控量间的制约关系以及被控对象的特性的基础上，选用了PID的数字式控制方法，FX2N-2LC温度调节模块，通过MATLAB仿真结果表明，有更好的控制效果；为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统。

对于工艺流程、对象特性及其它的一些细节问题，还有待于在现场进行测试。

6体会

通过这次的课程设计我懂得了，过程控制与自动化仪表这门课所应用的领域，让我对带搅拌时反应器的过程控制有了进一步的认识。

以及所起的作用使我更进一步了解我们今后要学习很多的东西，并且要不断地提高自己的实力。

不但提高了分析解决问题的能力，也提高了理论学习的能力，同时也增强了自己的动手能力。

通过本次设计把我所学的书本上的知识与实际联系起来，在实践中检验自己的知识掌握程度和熟练程度,对画图软件有了进一步的掌握。

这次设计让我知道了自己还有很多不足之处。

虽然知道了过程控制的一些理论，但在实际应用中还是力不从心，不知道怎么用。

还有就是过程控制技术的广泛应用使得这门技术所涉及的越来越宽。

参考文献

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