乙炔合成反应器温度控制系统的设计

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：乙炔合成反应器温度控制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：测控092学号：090301041学生姓名：于世震指导教师：尹伦海起止时间：2012.12.24-2013.01.04III课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号090301041学生姓名于世震专业班级测控092设计题目乙炔合成反应器温度控制系统的设计课程设计（论文）任务实现功能设计合成反应器温度控制系统醋酸装置的乙炔合成反应器，工艺要求合成反应器中部温度控制在120±2℃，醋酸和乙炔混和气一部分经过换热器预热后进入合成反应器，换热器具有很大的非线性。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制原理结构图、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、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；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：0-150℃控制温度：120±2℃最大偏差：8℃；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）2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（1天）5、上机实现系统的模拟运行、答辩。（3天）6、撰写、打印设计说明书（1天）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IV摘要醋酸和乙炔合成醋酸乙烯，醋酸乙烯是化学工业中重要的产品之一。醋酸乙烯的生产是个塔体非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败.一个系统的波动可能破坏整个系统。本次乙炔合成反应器温度控制系统的设计包括变送器，执行器，控制器。利用串级控制系统来控制气体温度，是反应器中部温度控制的更加精确，利用串级控制系统再加上控制器的分程控制，使整个系统更加安全可靠。本设计能较好的控制工艺上要求高的工业生产中，但由于系统比较复杂，所以结构复杂，不易调整，投资较大。串级控制系统的副回路对电荷的变化有一定的自适应能力，采用串级控制系统，醋酸装置的乙炔合成反应器，醋酸和乙炔混合气一部分经过换热器预热后进入合成反应器，换热器具有很大的非线性。实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持平稳，达到生产工艺要求。关键词：合成；串级控制；温度控制V目录第1章绪论................................................1第2章课程设计的方案......................................22.1概述.........................................................22.2系统总体框图.................................................22.3方案论证.....................................................3第3章仪器仪表选型........................................53.1变送器选型...................................................53.2控制器选型...................................................63.3执行器选型...................................................7第4章系统控制算法........................................94.1控制规律的选择...............................................94.2气开气关的选择..............................................104.3控制器正负作用的选择........................................10第5章模拟调试仿真.......................................12第6章课程设计总结.......................................14参考文献..................................................151第1章绪论醋酸乙烯是世界上产量较大的有机化工原料之一，广泛用于生产聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、涂料、浆料、粘合剂、维纶、薄膜、乙烯基共聚树脂、缩醛树脂等一系列化工和化纤产品，广泛用于各行各业。目前，我国醋酸乙烯主要用来生产维尼纶的原料聚乙烯醇。目前，世界上醋酸乙烯的总产量已超过4.5MT/A，并且正以年增长率5%的速度发展。醋酸乙烯的生产是个塔体非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败.一个系统的波动可能破坏整个系统.,因为其产品醋酸乙烯的浓度要求非常高,达到99.9%以上,因此对反应温度,以及流量等参数的控制要求非常平稳,合成反应器的中温要求120正负1度,醋酸蒸发器液位要求达到正负1%,还有乙炔的流量非常不稳定,可控性不太好.这些都对控制的精度提出了很高的要求。在合成过程中对反应器和换热器的温度控制更是重要的一个控制环节。本次醋酸装置的乙炔合成反应器，期中部温度是生产过程中的重要参数，为了保证和恒气质量，工艺要求对它进行严格控制，由于在它的控制通道中，包括了一个换热器和一个合成反应器，而这个换热器具有明显的非线性，所以使整个过程特性随着负荷的变化而变化，具有较大的非线性。而串级控制系统的副回路对于负荷变化具有一定的自适应能力，负荷变化所引起副回路特性的改变，会导致副回路衰减率发生变化，使副参数波动大一些，但是，此时主调节器的输出会重新调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，所以对整个系统的衰减率影响不大。2第2章课程设计的方案2.1概述合成醋酸乙烯的反应是醋酸与乙炔通过吸附在活性炭上的醋酸锌的而发生的。而首先就要使乙炔在活性炭表面上产生化学吸附，这个吸附温度最低也要160℃左右，所以要使反应能够进行起码也要将温度控制在160℃以上。在工业化的过程中，一共出现过三种合成醋酸乙烯的方法，分别是石油乙烯法、天然气乙炔法和电石乙炔法，三种方法各有利弊，下面我将三种方法介绍如下：（1）石油乙烯法用石油裂解联产得到的乙烯，通过多管型固定床反应器，合成醋酸乙烯。这种方法在国内采用的比较多。（2）天然气乙炔法四川川维公司使用的是天然气乙炔法，顾名思义，原料就是平常常见的天然气，这种技术多用固定床反应器，也是应用比较广泛的技术。（3）电石乙炔法在国内，还有一种比较常见的方法，就是电石乙炔法，它是用水与电石发生反应产生乙炔，一般采用沸腾床反应器合成醋酸乙烯，国内大概有10家公司采用此种方法进行生产。2.2系统总体框图温度控制系统的硬件组成由控制器、变送器、执行器，根据图图3.1的结构图所示，串级温度控制系统需要两个控制器（TC），两个变送器（TT）和两个执行器，几个部分组合在一起便可组成一个对反应器和换热器可控的温度控制系统。串级控制系统有很多优点：1.可用于容量滞后较大的过程2.可用于纯滞后较大的过程。3.可应用于烦扰幅度大的过程。4.可应用于非线性过程，醋酸、乙炔混合的一部分气体要通过换热器才能进入反应器中，但换热器有很大的非线性，若是利用单回路控制系统，只可以通过改变调节器的整定参数来保证系统的衰减率，但3负荷变化随时反生，仅靠改变调节器的整定参数来适应此种情况是不可行的。图3.1系统结构图2.3方案论证本次乙炔合成反应器温度控制系统的设计，有两种设计方案，一种是单回路系统控制，一种是多回路系统控制。设计方案一：用单回路控制系统，当负荷变化大时，为了保持系统原有衰减率不变，则必须不断相应地改变调节器的比例放大系数利用简单控制系统来控制过程温度。简单控制系统是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个调节阀和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。+-图2.1单回路调节如图2.1所示为单回路调节，简单控制系统中的单回路控制系统来控制反应器中的温度，单回路只有一个被控对象，结构简单投资少，调整方便，但由于此系统要求较高，只用单回路控制系统无法精确控制反应器中的温度。调节阀炉膛温度变送器调节器管壁合成气换热器换热器TC1TC2T1TT4设计方案二：利用用串级控制系统来控制过程温度。串级控制系统由于引入副回路，使系统控制品质相对于但回路控制系统显著提高。在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。由于串级控制系统可以调节两个参数，可以把反应器中的温度做为主控制对象，换热器中的温度作为副控制对象，由于主副各形成闭合回路，能使系统的精度大大提高，若是利用单回路控制系统，虽然投资少，调整方便，但不能精确调整到要求温度，而串级控制系统虽然复杂，却可以利用它的优点，满足工业上很多要求。图2.2串级控制系统如图2.2所示，为根据方案二所设计的方框图，反应器中部温度为主被控量，混合气体经换热后和没经过换热器的混合气体再次混合后的温度为副被控量。两个被控量分别通过两个变送器送到控制器中，在空过控制器对两个调节阀进行控制，从而使反应器中的温度达到平衡。副调节器调节阀管壁给料温度变送器2温度变送器1主调节器5第3章仪器仪表选型3.1变送器选型温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。智能温度变送器是采用微处理器技术的新型现场变送类仪表，其精度，功能，可靠性均比模拟变送器优越。它可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。图3.2ST300型差压变送器本设计的温度控制系统中选用了ST3000温度变送器。ST3000温度变6送器是一种智能型两线制变送仪表。它将输入温度先好线性地转换成4~20mA的直流电流输出，同时也可输出符合HART协议的数字信号。该变送器能配接多种标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。仪表基本误差为±0.1%。配合PT100的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控制器就能准确的来调节阀门的开度。流量变送器选择标准孔板的JK3351DP型差压变送器。本设计的温度控制系统中选用了ST3000温度变送器。ST3000温度变送器是一种智能型两线制变送仪表。它将输入温度先好线性地转换成4~20mA的直流电流输出，同时也可输出符合HART协议的数字信号。该变送器能配接多种标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。仪表基本误差为±0.1%。配合PT100的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控制器就能准确的来调节阀门的开度。3.2控制器选型控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置