連續(xù)過程反應(yīng)控制工程設(shè)計(jì)

鄭坤　徐鳳仁　史玉龍

摘 要：本文主要針對2018年“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽連續(xù)過程設(shè)計(jì)開發(fā)賽項(xiàng)的工藝對象及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了控制系統(tǒng)、儀表及系統(tǒng)設(shè)備選擇的初步設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)涵蓋了冷態(tài)開車過程中對反應(yīng)過程的順序控制，對混合罐、反應(yīng)器、閃蒸罐、冷凝罐的物理參數(shù)及產(chǎn)物流量和濃度的控制，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)對溫度、壓力、流量和液位四大模擬量的穩(wěn)定控制。

關(guān)鍵詞：西門子杯；連續(xù)過程設(shè)計(jì)；過程控制

“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽是教育部與西門子公司簽訂的戰(zhàn)略合作框架下的國家A類賽事，其秉承培養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)營意識(shí)和人文情懷兼?zhèn)涞男鹿こ處熇砟?，?gòu)建“問題空間”，以運(yùn)動(dòng)的方式，為培育未來新工程師營造一種競爭的第二課堂。

1 對象特性分析

被控對象主要分為溫度、壓力、流量、液位四個(gè)方面，對于不同的被控對象所處工作區(qū)的不同以及不同的被控特性，采用不同的控制方法對被控對象實(shí)施控制。下面分別對這些特性及工作區(qū)進(jìn)行具體分析。

溫度對于反應(yīng)過程的效率和反應(yīng)體系中的氣相壓力影響十分顯著，所以控制系統(tǒng)溫度相對穩(wěn)定顯得尤為重要。溫度作為被控參數(shù)，受到諸如反應(yīng)物流量、反應(yīng)程度和體系壓力的波動(dòng)等多方面的影響，控制通道的時(shí)間常數(shù)和容量滯后較大，因此需要適當(dāng)?shù)丶尤胛⒎肿饔谩⒋?jí)控制或前饋控制。

壓力的測量和控制在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中具有特殊的地位。保持實(shí)際生產(chǎn)過程的壓力為一個(gè)穩(wěn)定值，對生產(chǎn)過程有著至關(guān)重要的作用。在有些生產(chǎn)過程中，為避免儲(chǔ)罐中的原料與外界空氣接觸以免被氧化變質(zhì)或引起爆炸危險(xiǎn)，常采用密閉罐來儲(chǔ)存原料，當(dāng)罐中液位升降或者溫度改變時(shí)，罐內(nèi)壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此必須及時(shí)加以控制，否則將會(huì)引起儲(chǔ)罐變形，甚至破裂，造成浪費(fèi)或者引起燃燒爆炸危險(xiǎn)?；谝陨峡紤]，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要通過適當(dāng)?shù)拇?jí)控制，積分控制以及分程控制。

2 工藝流程分析

正常工況下工藝過程如下：

原料A與原料B分別由原料A進(jìn)料泵、原料B進(jìn)料泵輸送進(jìn)入混合罐V101（立式圓罐）內(nèi)混合，混合物料經(jīng)預(yù)熱器E101升溫后，進(jìn)入放熱反應(yīng)器R101進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)所需的催化劑C，由催化劑C輸送泵P103從反應(yīng)器頂部加入。在反應(yīng)過程中，反應(yīng)放熱強(qiáng)烈，因此反應(yīng)器R101采用夾套式水冷卻。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、反應(yīng)物料濃度及混合配比有關(guān)，反應(yīng)體系氣相壓力對溫度敏感，在冷卻失效產(chǎn)生的高溫條件下，過高的氣相壓力使反應(yīng)器有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。在反應(yīng)器頂部設(shè)一路抑制劑，當(dāng)反應(yīng)壓力過高危及安全時(shí)，通入抑制劑F，使催化劑C迅速中毒失活，從而中止反應(yīng)。冷卻水吸收反應(yīng)器的放熱量形成熱水，熱水通往E101預(yù)熱器對進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，以回收一部分熱量，多余的熱水通往公用工程。

反應(yīng)器R101底部出口生成物含有產(chǎn)品D、雜質(zhì)E，催化劑C、以及未反應(yīng)的原料A和少量原料B，為了回收原料A，在反應(yīng)器下游設(shè)置閃蒸罐V102，將混合生成物（D+E+C+A+B）中過量的原料A分離提純。閃蒸罐V102頂部采出混合物（D+E+C+A+B）為氣相，首先進(jìn)入冷凝器E102與冷卻水進(jìn)行換熱冷凝，冷凝后的混合物進(jìn)入冷凝罐V103，通過循環(huán)泵P106再送入混合罐V101循環(huán)利用。閃蒸罐V102底部的混合生成物（D+E+C+A+B）經(jīng)輸送泵加壓，送到下游分離工序，進(jìn)行提純精制，以分離出產(chǎn)品D。

3 節(jié)能性分析

節(jié)能環(huán)保方面主要考慮在滿足工藝水平的前提下，使系統(tǒng)能耗最小，經(jīng)濟(jì)效益最佳，物料、循環(huán)水、催化劑等達(dá)到最優(yōu)用量，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量加以充分利用，在系統(tǒng)反應(yīng)的過程中產(chǎn)生的雜志盡可能少，最終使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)出的廢物最少，并盡量對其進(jìn)行再利用。因此，在這方面的考量主要是體系能量利用越高效越好，公用工程消耗越低越好。

4 測量變送裝置與儀表選擇

4.1 溫度檢測儀表的選擇原則

必須滿足生產(chǎn)工藝的要求，正確選擇儀表的量程和精度，正常使用溫度范圍一般為量程的30%～90%。

4.2 壓力檢測儀表的選擇原則

必須根據(jù)生產(chǎn)工藝要求、被測介質(zhì)的性質(zhì)和使用的環(huán)境條件等而定。測量較平穩(wěn)的壓力時(shí)，壓力表的上限值應(yīng)為被測壓力最大值的4/3倍；測量波動(dòng)較大的壓力時(shí)，壓力表的上限值應(yīng)為被測壓力最大值的3/2倍；為了保證測量精度，被測壓力的最小值，一般不低于儀表量程的1/3。對于工業(yè)用壓力表精度等級(jí)一般選擇1～4級(jí)。

4.3 流量檢測儀表的選擇原則

流量是衡量設(shè)備效率和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，常用的計(jì)量單位有體積流量、重量流量和質(zhì)量流量。必須根據(jù)生產(chǎn)工藝要求、被測介質(zhì)的性質(zhì)和使用的環(huán)境條件等而選擇相應(yīng)的儀表。

4.4 液位監(jiān)測儀表的選用原則

檢測精度：對用于計(jì)量和經(jīng)濟(jì)核算的的場合，應(yīng)選用精度等級(jí)較高的液位檢測儀表；刻度選擇：最高液位或上限報(bào)警點(diǎn)應(yīng)為最大刻度的90%，正常液位為最大刻度的50%，最低液位或下限報(bào)警點(diǎn)為最大刻度的10%左右。

5 結(jié)論

本文主要是針對2018年“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽連續(xù)過程設(shè)計(jì)開發(fā)賽項(xiàng)的工藝對象及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)總共涉及過程反應(yīng)中五種處于不同工作環(huán)境的罐體，同時(shí)根據(jù)控制要求，分別對其被控物理量構(gòu)建了科學(xué)有效的控制系統(tǒng)，并且，對于系統(tǒng)設(shè)備選擇作了進(jìn)一步說明。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.