硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计.doc
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辽宁工业大学课程设计说明书（论文）
辽宁工业大学
过程控制系统课程设计（论文）
题目：
硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
2015.12.21—2015.12.31
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
教研室：
学号
学生姓名
专业班级
设计题目
硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计
课程设计（论文）任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
氧化炉是硝酸生产中的关键设备，氨气与空气混合后进入炉内，在铂触媒作用下进行氧化反应氨气氧化生成一氧化氮是一种放热反应过程，工艺要求反应温度为850±5℃。
影响温度的主要因素是氨气和空气的比值。
当温度受扰动而变化时，均以改变氨量来补偿。
试设计硝酸生产中氧化炉温度控制系统。
设计任务及要求
1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图；
2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；
3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；
4、MATLAB仿真分析/实验测试分析；
5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
测量范围：
0～1000℃；
控制温度：
850±5℃；
最大偏差：
10℃。
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。
（2天，分散完成）
2、确定系统的控制方案，绘制工艺节点图、方框图。
（1天，实验室完成）
3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。
（2天，分散完成）
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。
（实验室1天）
5、仿真分析或实验测试分析、答辩。
（3天，实验室完成）
6、撰写、打印设计说明书。
（1天，分散完成）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
氧化炉是硝酸生产中的关键设备，本文正是针对氧化炉的温度系统进行控制设计的。
在生产硝酸的过程中，氨气与空气混合后进入炉内，在铂触媒作用下进行氧化反应。
氨气氧化生成一氧化氮是一种放热反应过程，工艺要求反应温度为850±5℃。
影响温度的主要因素是氨气和空气的比值，当温度受扰动而变化时，均以改变氨量来补偿。
在硝酸生产过程中，氧化炉炉温控制不稳，导致生产不易稳定运行，利用PMK可编程调节器将原串级控制系统改进成串级比值控制系统，通过压力传感器检测氨气和空气的流量，将比值通过变送器送入控制器，根据温度传感器测得的温度变化，控制器通过执行器调节氨气和空气的比值来实现温度和两种气体之间的关联，优化了控制方案，使氧化炉炉温波动范围控制在±5℃内，解决了生产中遇到的问题。
关键词：
串级控制；比值控制；温度控制；PID调节
目录
第1章绪论 1
第2章课程设计的方案 3
2.1概述 3
2.2方案比较 3
第3章硬件设计 6
3.1可编程小型调节器 6
3.2温度传感器 7
3.3流量变送器 7
3.4执行器 8
第4章软件设计 10
4.1系统设计 10
4.2监控画面组态 11
第5章仿真分析 14
5.1PID控制系统的设计 14
5.2被控对象的建模 15
5.3PID控制器的设计与仿真 16
第6章课程设计总结 22
参考文献 23
III
第1章绪论
在硝酸生产过程中,氨氧化炉是关键设备。
其工艺流程:
氨气和空气混合气体进入氧化炉,在铂金触煤的作用下进行氧化反应,生成所需要的一氧化氮,这是一个多种参数相互制约的复杂过程,工艺控制指标的好坏关系到生产能否稳定运行,生产效益以及设备安全问题,因此如何实现氧化炉的最优控制,多年来一直是一个被关注,并为之不懈努力研究的课题。
硝酸是重要的基本化工产品，在国民经济中具有重要的地位。
氨氧化法制硝酸是硝酸生产中比较普遍的方法，具体为将净化后的氨气与空气配成一定比例的混合气，在氧化炉内通过铂网触媒，进行氧化反应，生成氮氧化物气体经吸收塔制取稀硝酸。
硝酸生产中的关键工序是氨氧化生产过程。
氨氧化生产过程中的氨消耗占硝酸生产成本的80%左右，在保证安全生产的前提下，确保氨氧化生产中高的氨氧化率、低的铂金消耗是提高硝酸生产经济效益的主要手段。
稀硝装置中最重要的过程是“氨空比值”控制，采用的是氨空比值控制系统，即依据氨、空混合气体中的氨浓度与反应温度成线性正比的关系，通过控制氨-空比值来间接控制反应温度的控制方案，从而实现最终对氧化率的控制。
在氨氧化生产过程的装置中实施计算机控制，实现优化操作，达到高的氧化率、低的铂金消耗与安全生产。
液氨经蒸发、净化后与轴流空气压缩机送来的空气在氨空混合器内混合后，送入氨氧化炉进行反应，经高温气气换热器、省煤器和低压反应水冷器充分换热，然后经NOx离心压缩机组去吸收塔、漂白塔制取稀硝酸。
其氨氧化反应方程式如下:
4NH3+5O2→4NO+6H2OΔH=-907280J
一氧化氮再经过初步吸收、二次漂白吸收后生成浓度为60%稀硝酸。
氨氧化炉的一氧化氮生成量直接影响到后续工段最终产品产量，故控制好进入氧化炉的氨气及空气配比，稳定生成一氧化氮的产量是硝酸装置的重点。
氨氧化生产的主要特点是一个高温、快速、易爆的化学放热反应过程。
氨的氧化率是表征反应结果的工艺指标，若排除铂金触媒自身的活性因素，则氨的氧化率与反应温度在一定范围内成正比。
在反应过程中，当其他条件确定后，反应温度由氨、空混合气中的浓度决定。
根据热量衡算，在混合气中，每1%浓度的氨和空气反应，可使反应温度平均升高70℃。
根据实践经验，氧化炉的反应温度选择在850℃，从而需要控制混合气体中的氨气浓度为12.3%左右。
反应温度过高，虽然氧化效率可以达到更高，但铂金网损耗将大大提高，从而硝酸生产成本大为增加；而一旦温度超过850℃，氧化炉极易发生爆炸，安全将无法得到保障。
若氨氧化率下降，将使尚未反应完的NH3经过铂金网，NH3在后序的吸收系统中生成硝酸铵和亚硝胺，硝酸铵和亚硝胺有猛烈的爆炸性质，这也是必须防止的。
由生产实践得知，在现有的生产条件下，保持最佳而稳定的中部温度是提高并长期稳定铂金网的活化性能、提高氨氧化率、降低铂金消耗与确保安全生产的主要参数（生产效率与设备安全呈矛盾状态，这就是氧化工艺的特殊性）。
解决这一矛盾的唯一有效方法，就是采用先进的控制方案，提高控制系统的控制性能和控制精度，把被控参数控制在允许的极限值。
表征氧化过程的工艺指标是氨的氧化率。
但是目前的仪表技术对于在线连续、快速检测氧化率，暂时还做不到。
虽然氧化率是重要的工艺指标，但因缺乏有效的检测手段而不能以氧化率为控制参数。
反应温度与氧化率成单值函数关系，由氧化温度可间接获得氧化率，但若把温度作为被控参数，因为温度对象的时间常数太大，无法获得满意的调节效果，而被控参数又是控制在临近极限值，被控参数极易超限。
温度一旦越限，就会造成烧坏铂网的巨大损失。
所以，所有稀硝装置中的氧化工艺控制系统，都是依据氨、空混合气体中的氨浓度与反应温度成线性正比的关系，设计以氨气、空气流量比值为被调参数，氨气流量为调节参数的调节系统，采用通过控制氨空比值来间接控制氧化反应温度的控制方案，从而实现最终对氧化率的控制。
为了使进入氧化炉反应的氨空混合气总体合适，确保氧化炉反应充分，炉温稳定在850℃。
氨-空比合理的前提是氨气流量和空气流量测量的准确性，故在测量时要考虑具体工况条件下氨、空流量换算时的压力、温度补偿。
氨空比是一个范围，化学反应中氨氧比为1:
2（氧在空气中约占21%），故氨空比约为1:
11。
实际上氨空比为一个变量，波动范围为7%～15%，小于7%和大于15%都会导致氧化反应不正常而引发装置联锁动作停车。
第2章课程设计的方案
2.1概述
氨气和空气混合气体经静化后,进入氧化炉,在铂金网的作用下,在绝压0.45MPa，温度850℃的条件下，将氨氧化成一氧化氮气体。
影响氧化反应过程的因素有氨的体积分数，压力，氧化率，反应温度，混合气流量，铂网活性等，氧化率是氧化反应的指标，但目前没有有效的检测手段。
在一定条件下，氧化率正比于反应温度，而氨气是氧化反应的主要成分，反应的温度取决于气体中氨的体积分数，而氨的体积分数又无法测量，只有氧化炉温度能间接反应出氧化率。
为了获得更高的氧化率，氧化炉温度与氨的体积分数均控制在极值，而炉温超到1100℃会烧毁价值昂贵的铂金网,氨的体积分数超过14%会引起恶性爆炸事故毁坏生产设备,必需加设联锁保护系统，氧化炉温度及氨空比是最关键的控制参数,对仪表精度要求极高。
2.2方案比较
氧化炉原来的控制方案：
以炉温为主调参数,氨气流量为副调参数，构成串级调节系统，调节品质不好，偏差太大，原因是空气控制是开环的，当干扰出现时，由于对象通道太长，检测滞后,而不能克服，串级控制系统如图2.1所示。
图2.1串级控制系统框图
氨气经控制阀控制其流量，与空气在混合器混合，经加压和预热后，进入氧化炉，在铂催化剂和850℃温度下反应，生成一氧化氮和水蒸气。
控制氧化炉温度是控制反应转化率的关键，控制系统工艺节点图如图2.2所示。
图2.2串级控制系统工艺节点图
根据原方案的优缺点，设计了串级比值调节系统，如图2.3所示。
图2.3串级比值控制系统框图
图2.3所示的方案是以炉温为主调节回路，氨空比值为副调节回路，是以一次空气量为主环，氨气流量为副环的双闭环控制系统。
一次空气量是压缩机出口流路当中去混合器的那一路空气流量；吸收塔的那一路是二次空气流量，其工艺流程图如图2.4所示。
图2.4串级比值控制系统工艺流程图
由于一次空气流量不能随压缩机量波动而有较大的波动，否则会使压缩机氧化炉生产系统处于不稳定状态，影响装置的安全生产，因此一次空气量必须加以控制。
其控制阀安装在二次空气管线上，这样会避免安装在一次空气管线上所产生的麻烦。
从工艺安全角度来考虑，二次空气只作记录，不需要控制。
第3章硬件设计
从生产过程和扰动因素来分析，氨气流量的变化是主要矛盾的主要方面。
经研究决定采用QDZ气动单元组合仪表，组合成以氧化炉温度自动校正氨气，空气流量串级比值自动调节系统。
从设计上根据国际仪表生产情况，气体流量选择美国A+K平衡流量计，氨气、空气流量采用QXJ-200型的两针记录仪，比值可以很形象的看出来，氧化炉温度是用QXJ-312型三针记录仪，调节器采用PMK可编程小型调节器。
3.1可编程小型调节器
对氧化炉这个复杂、而特殊的对象，虽然从
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