第五组—反应温度检测及控制方案的确定

课程：《化学反应器设计、操作与控制》项目任务：反应器温度检测及控制方案的确定班级：化工1111组别：第五组成员：徐延延、张春凤、苗晓瑞、何蕴升、周豪、顾敏健具体任务描述：任务点0103-1常见温度检测仪表种类及应用任务点0103-2乙酸丁酯反应器用测温仪表任务点0103-3自动控制系统组成任务点0103-4控制器及控制规律任务点0103-5执行器任务点0103-6温度自动控制方案任务点0103-7乙酸丁酯反应器温度自动控制方案常用温度检测仪表种类及应用：1、按测温范围分类：把测温600℃以上温度的仪表叫高温器。测温600℃以下的仪表叫低温仪表叫温度计。2、按工作原理分类：通常分为膨胀温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、压力式温度计、辐射高温计和光学高温计等。3、按测温方式分类：根据感温元件和被测介质接触与否，可将温度仪表分为接触式与非接触式两大类。工业上常用的测温仪表：接触式优点：温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；缺点：因测温元件与被测介质需要进行充分的热交环，需要一定的时间才能达到热平衡，存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式优点：通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；缺点：但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。接触式温度计名称温度计名称简单原理及常用测温范围优点缺点热膨胀玻璃温度计液体受热时体积膨胀，—100~600℃价廉，精确较高，稳定性较好易破损，只能安装在易观察的地方双金属温度计金属受热时线性膨胀，—50~600℃示值清楚，机械强度较好精度较低压力式温度计温包内的气体或液体因受热而改变压力，—50~600℃价廉，最易就地集中监测毛细管机械强度差，损坏后不易修复热电阻热电阻温度计导体或半导体的阻值温度随温度而改变，—200~600℃测量准确，可用于低温或低温差测量和热电偶相比，维护工作量大，振动场合容易损坏热电偶热电偶温度计两种不同金属导体接点受热产生热电势，—50~1600℃测量准确，和热电阻相比安装、维护方便，不宜损坏需要补偿导线，安装费用较高非接触式温度计名称温度计名称简单原理及常用测温范围优点缺点热辐射光学高温计加热体的亮度随温度高低而变化700~3200℃加热体的亮度随温度高低而变化700~3200℃只能目测，必须熟练才能测得比较准确的数据光电高温计加热体的颜色随温度高低而变化50~2000℃反应速度快，测量较准确构造复杂，价格高，读数麻烦辐射高温计加热体的辐射能量随温度高低而变化50~2000℃反应速度快误差较大乙酸丁酯反应器用测温仪表：结论：选用压力式温度仪表理由：乙酸丁酯反应温度在120℃左右，在压力式温度仪表（—50~600℃）测量范围之内，而且压力式温度仪表具有价廉，最易就地集中监测的优点。自动控制系统组成及作用：1、控制器—控制系统的核心，生产过程中被控变量偏离设定要求后，必须依靠控制器的作用去控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。2、被控对象—通过控制能达到工艺要求设定值的工艺变量。3、执行机构—接受控制器送来的信号，相应地去改变操控变量以稳定被控变量。（最常用的执行器是气动调节阀、电动调节阀）4、变送器—把被控变量转化为测量值。控制器及控制规律：控制器分类：1、按能源形式分：电动控制仪气动控制仪2、按信号形式分：模拟式数字式3、按结构形式分：基地式单元组合式组装式集散控制系统常用控制器：电动控制器和数字控制器电动控制器：以交流220V或直流24V作为仪表能源，以直流电流或直流电压为输出信号。通常选用直流信号，因为直流信号不受传输线路中电感、电容及负荷性质影响，抗干扰能力强，容易实现模拟量到数字量的转换，方便与工业控制计算机配合使用；直流信号获取方便，应用灵活。控制器共有“自动”、“保持”、“软手动”和“硬手动”四种工作状态，通过面板上的联动开关进行切换。电动控制器是连续的模拟控制仪表。随着工业生产规模的不断扩大和自动化的不断提高，模拟控制仪表很难满足生产要求。电控制器基本被数字控制器取代。数字控制器：实现了仪表、计算机一体化；具有丰富的运算、控制功能；通用性强、使用方便；使用灵活、便于扩展；可靠性高、维护方便数字控制器的种类很多，应用最多的是单回路控制器，其品种有以下五类：可编程序控制器固定程序控制器可编程脉宽输出控制器混合控制器批量控制器常用控制规律：1、双位控制—规律最为简单，最容易实现。动作规律：当测量值大于或小于设定值时，控制器的输出为最大（或最小），（控制器的输出要么最大，要么最小）。相应执行机构也就只有两个极限位置—要么全开，要么全关。双卫控制系统结构简单、成本低、容易实现，但质量控制较差，多应用于允许被控制变量上下波动的场合。如原料储罐、恒温箱、空调、电冰箱中的温度控制，为气动仪表提供气源的压缩空气罐中的压力控制等。利用浮球阀控制水箱水位的控制系统也属于双卫控制。2、比例（P）控制—系统在连续控制下达到平衡状态。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差大小成比例关系的控制规律。比例控制规律：控制器输出变化与输入偏差成正比。在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。工业上用比例度来表示比例作用的强弱。单纯的比例控制适用于扰动不大、滞后较小、负荷变化小、要求不高、允许有一定余差存在的场合。3、比例积分（PI）控制—基本控制规律中最基本的，应用最普遍的一种。优点：控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。缺点：不能最终消除余差限制它单独使用，克服余差的办法是在比例控制的基础加上积分控制作用。积分控制规律KI表示积分速度。积分控制作用总是滞后于偏差的存在，故它不能有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，因此积分控制作用很少单独使用。比例积分控制器是目前应用最广泛的一种控制器，多用于工业上液位、压力、流量等控制系统因引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统的稳定性变差。对于有较大滞后性的系统控制，要尽可能避免使用积分控制。4、比例微分控制（PD）控制—其输出正比于输入对时间的导数TD为微分时间常数。传递函数：微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。执行器：执行器是自动控制系统的终端执行部件，由执行机构和调节机构组成，从自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用。执行器的分类1、执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器。2、按动作规律分为开关型、积分型和比例型。3、按输出位移的形式分为转角型和直线型。4、按输入控制型号分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等。执行器的应用：气动执行器以纯净的压缩气体为能源，结构简单，动作平稳可靠，输出推动力大维修方便，防火防爆。在化工、炼油等对安全要求较高的生产过程中得到广泛的应用。液动执行器利用液压推动执行结构，推动力大、适用负荷较大。但辅助设备庞大且笨重，生产中很少用。电动执行器反应迅速，便于集中控制。但结构复杂，防火防爆能差，使用受一定限制。温度自动控制方案：常用的温度自动控制方案：1、低温控制特点是周围环境温度比样品温度高，热量源源不断通过对流、传导和辐射等形式传输给样品。低温控制的任务是：有节制的控制输入热量与冷量，借以得到所需的温度。借助于低温实验室常备的冷却液，如液氧、液氮和液氦（或包括液氢），控制液体沸腾的压强，即可得到下列温度范围：1—4K(液氦)；54—90K(液氧);63—77K(液氮);10—20.4K(液氢).2、中温控制以恒温油槽为例，说明温度自动控制原理。油槽结构分为恒温槽部分和控制部分。恒温槽由槽体、保温层、隔离筒和搅拌器等构成，由敏感元件、控制元件、执行原件组成控制系统，控制对象为油的温度。导电表传感温度的变化，反映为水银柱的高度。当温度高于给定温度时，导电表接通继电器的输入电路，继电器切断加热器，油温在冷却水作用下降低；当油温低于给定温度是，导电表水银柱下降，继电器输入电路断开，继电器动作并接通加热器，油温在加热器作用下上升。如此循环，维持油恒定在给定温度。3、高温控制由于外界的影响引起敏感元件材料不稳定，使接触式温度计量器具（如热电偶、电阻温度计等）的应用受到了限制。因此，在高温控制中经常采用不接触方法—光学高温计和辐射高温计。但光学高温计的检测结果带有主观性并且不能实现自动检测。而辐射高温计难于测量小物体的温度和难于靠近被测物体，同时易受其它受热物体辐射的影响。带有光导接收和传感元件的辐射高温计可以消除上述温度计所固有的缺点，用于控制生产过程中温度的稳定性和保证从一个过程到另一个过程的温度复现，以及作为自动恒温中的传感器。使用光导高温计来控制高温，并不低于用热电偶的精度。同时还用于热电偶退火炉的温度控制。保证了加热器工作状态能准确及时的得到校正。光导高温计结构简单、配备较容易，完全能够保证在各种情况下可靠的进行高温控制。乙酸丁酯反应器温度自动控制方案：采用改变传热量方法中温控制：反应釜由夹套和搅拌器等构成，由敏感元件、控制元件、执行原件组成控制系统，控制对象为反应釜的温度。导电表传感温度的变化，反映为显示器度数变化。当温度高于给定温度时，导电表接通执行器（以电动调节阀为例），电动调节阀切断加热管路，开冷却管路，反应釜温度在冷却水作用下降低；当反应釜温度低于给定温度是，读数减小，冷却管路断开，电动调节阀开启加热管路，反应釜温度在水蒸气作用下上升。如此循环，维持反应釜恒定在给定温度釜式反应器的控制方法：1、控制进料温度（通过控制预热/预冷器的载热体流量）图为改变进料温度控制釜温2.改变传热量由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入热剂或冷剂流量的方法就能实现温度控制。图为改变热剂或冷剂流量控制釜温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图2-16釜式反应器的温度自动控制方案(c)用载热体流量-釜温串级控制M热载体TCPCM热载体TCTC(d)用夹套温度-釜温串级控制M热载体TCPC(e)用釜压-釜温串级控制