乙炔合成反应器温度控制系统的设计

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1、本科生课程设计（论文）目录第1章 绪论11.1 醋酸乙烯的发展11.2 温度控制系统的重要性1第2章 方案论证2第3章 硬件设计5第4章 软件设计94.1 温度控制系统的设计94.2 主、副调节器正反作用方式的确定104.2.1副调节器作用方式的确定104.2.2主调节器作用方式的确定10第5章 分析参数的整定115.1 控制器参数的工程整定11第6章 结论13参考文献14第1章 绪论1.1 醋酸乙烯的发展醋酸乙烯是一种无色透明、有强烈气味的液体，是世界上产量最大的50种化工原料之一10。醋酸乙烯单体(VAM)是醋酸及其衍生物中最主要的初级衍生物加工产品，也是有机合成(聚合物工艺学)中的主导型

2、原料之一，有较高的生产制备及衍生加工的技术经济价值：作为醋酸的再加工物，醋酸乙烯的生产状况对醋酸行业的整体发展具有日益显著的影响作用14。醋酸乙烯主要用来生产聚乙烯醇、 醋酸乙烯共聚物等；聚乙烯醇的主要用途是生产维纶、 纺织浆料、粘合剂、涂料、 纸张增强剂及涂层、 产业聚合助剂等12。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

3、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。1.2 温度控制系统的重要性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。随着反应温度的提高，反应速度常数也增大，触媒的活性也就提高，空间收率也就高，但同时付产品增加，反应液质量下降。所以选用反应温度要

4、综合各项指标，考虑到产品质量、产量、触媒的消耗等方面因素，并根据当时的主要矛盾来确定。一般情况下每个列之间相差10 左右能最大发挥触媒的作用。第2章 方案论证被控变量的选择原则： 从间接标准参数的方面考虑，这个参数需要有充足的灵活性，这样才能更细致的反应产品的质量程度。 在直接标准参数的选择上，作为首选的应该是质量标准参数。 当没有直接参数作为被控变量时，我们可以选择一个和主要参数有直接对应关系的间接标准参数作为参考和被控变量。 除了需要考虑被控变量的参数外，我们还需要综合考虑工艺的可实施性以及国内外的生产水平及状况。操作变量的选择原则： 作为控制变量，最基础和重要的一点就是变量具有可控性。

5、当扰动通道的放大倍数是一定时，我们选择的变量最好应该是通道放大倍数中比较大的参数。 选择较小的控制时间通道参数有助于操作变量的记录，而比较大的扰动通道时间参数也可以达到此目的。 选择较小的通道纯滞后时间。 还有一点需要注意的就是干扰点的选择接近控制阀，远离被控参数， 同样，除此之外，还需考虑工艺的可实施性以及生产水平。控制阀的选择： 开闭形式的选择。 口径大小的选择。 流量特性的选择。 结构形式的选择。控制阀开闭形式的选择原则：合成工段选用的为气动薄膜调节阀，控制阀接收电气转换器传来的信号，压力与控制阀的开度成正相关，两者同时增大或减小，这种情况称为气开阀。同理，当压力与控制阀的开度成负相关，

6、则为气闭阀。当具体给定系统情况时，选择哪种形式的控制阀，没有固定的模式，要根据具体的工艺流程及要求来考虑。一般来说，要根据以下几条原则进行选择： 安全生产为第一要素。 在安全的基础上，要尽量提高质量水平。 降低成本，节省资源也需要考虑在内。 从实际出发，具体情况具体分析。方案一：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。单回路控制系统是最基本的控制系统，由于其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用十分广泛。调节器被控对象变送器图2.

7、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。方案：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

8、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。当工业要求很高的时候，利用简单控制系统并不能满足工业要求，就可以有比较复杂的串级控制系统。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

9、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。这时就可以用串级控制系统来消除非线性，由于它能根据负荷的变化，自动调整副调节器的设定值，使系统运行在新的工作点，最终使主被控参数保持平稳，从而满足工艺要求。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。若采用但回路控制系统，当负荷变化大时，为了

10、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，然而，这是不可能的。若采用串级控制，则选取反应器中部温度为主参数，换热器出口温度为副参数。在副回路总包括了过程特性随负荷变化而变化的那一部分。由于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。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。副调节器调节阀管壁反应器温度变送器2温度变送器1主调节器图2.1醋酸乙烯合成反

11、应器中温控制系统方框图如图2.1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。第3章 硬件设计3.1合成反应器中温控制系统（1）合成是乙炔和醋酸发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，醋酸乙烯的浓度要求非常高，达到99.9%以上。为保证合成气的质量，工艺要求对反应器反应温度进行控制。合成反应器的中温要求150摄氏度。（2）合成反应的简单工艺过程为乙炔气和醋酸气在混合器中混合后，分别经冷路和有预热器加热的热路合成一定温

12、度的混和气体热气体后，进入醋酸乙烯合成反应器（沸腾床），在一定温度条件下，在以活性炭为载体的醋酸锌的作用下，进行合成化学反应。但在反应器反应温度控制系统的控制通道中包含了两个具有非线性的热交换器，因而使整个对象的特性随负荷的变化而变化，采用单回路控制系统已不能满足控制要求，为此，在热交换器的出口设置了一个温度监测点，并以他为副变量组成一个温度与温度的串级控制系统。在串级控制系统方案中，由于热交换器这个具有非线性特性的环节包含在副回路中，负荷的变化所引起的对象影响就被副回路所克服，因此对主回路的影响就很小了。本系统采用串级回路控制，它能有效的提高控制效率，完善单一控制不能全面控制的缺点，串级控制

13、系统就是将两个单回路控制系统以适当的方式整合为一个控制系统。它与单回路控制最大的不同点是其对控制的精密程度有了很大的提高，它所谓的“串级”是在结构上副回路的数量有所增加，当存在干扰时，它具有保持稳定的性能。在工作性能方面，其有如下优点： 对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 改善了控制系统的动态特性，提高了工作效率。 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。（3）反应温度的控制是通过反应器入口的混合气的温度来控制的，即反应温度有所上升时，则通过降低入口气体温度的方法来控制，可以通过调节第一预热加热器的蒸汽量来调节，但由于传热滞后比较大，调节不灵敏，故增设了一套正逆阀装置来调节反应器入口温

14、度，混合气体从气体混合槽出来后分成两路，一路不加热，称为冷路，另一路经加热器，称为热路，在冷热路上各加一调节阀，用调节阀来调节冷热路混合比例，就很容易调节反应器入口温度，也就比较容易调节反应器中温。正逆阀有一个信号指挥，一个开，另一个就关，两开度加起来为100%。主被控变量：合成反应器中温副被控变量：热交换器的出口温度操纵变量：冷热路气体混合比例冷路控制阀：气闭阀 热路控制阀：气开阀主控制器：反作用 副控制器：反作用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

15、反应器和换热器可控的温度控制系统。T1TT合成气换热器换热器TC1TC2图2.1 系统结构图元件选择： 1.变送器的选择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

16、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。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420mA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。2.控制器的选择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、

17、制动和反向的主令装置。本文选择ST-801S-96温度控制器，供电电压： AC / DC 85264V。以下为次控制器特点：1测量控制范围：温度 0120 显示精度 0.1 （ 100 ）检测精度：0.5。2参数设置： 控制值：全量程0100 回差：温度130 传感器误差修正：温度-50150 。显示方式：三位LED数码管显示，1位小数。3加热控制：启动：温度设定温度（下限）； 停止：温度设定温度（下限）温度回差。； 4风扇控制：启动：温度设定温度（上限）； 停止：温度设定温度（上限）温度回差。功率消耗： 5W。5负载继电器输出容量：AC220V /5A（阻性负载时）ST-801S- 96型

18、二路 ST-802S- 96型 四路 ST-803S- 96型 六路 。6报警继电器触头容量：AC220V / 5A（阻性负载时）一路。7外形尺寸： 控制器 9696125mm 传感器 758028.5mm安装方式：嵌入式安装：在安装面板上开91+0.591+0.5mm孔，用安装支架将控制器固定在面板上。3.执行器的选择自动控制系统里的执行器是指接受某种信号的控制，对外输出机械力或转矩的装置。它不仅能驱动阀门的开闭，也可以用来驱动其他需要力或位移的对象，是人工远方控制的终端，也是自动调节系统和被调对象间的一个接口。其设计或选型的正确与否直接影响控制或调节的效果。电动执行器电动执行器，又称为电动

19、执行机构。它是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。本设计选择ZKJ-210电动执行器，工作原理：ZKJ系列电动执行机构是工业过程测量和控制系统的终端控制装置，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移，控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统规定状态工作。电动执行机构按控制方式分为比例和积分式。比例式执行机构由电动伺服放大器和积分式执行机构组成，它能够将系统的控制信号与关于输出轴位置的反馈信号加以比较（闭环控制）以改变输出轴的行程，使之与输出信号成比例关系。积分式执行机构由伺服电机、减速器及位置发送器组成，它能够与电动操作器

20、配合对阀门或其它调节机构实现远方操作。主要技术参数ZKJ系列电动执行机构按照中华人民共和国国家标准GB11922-89工业过程测量和控制系统用电动执行机构的规定制造。 1.输入信号:电子式:4-20mADC或0-10mADC,普通式:开关量 2.输入通道电阻:250欧姆或200欧姆 3.输入通道个数:普通型配放大器3个，电子式1个。 4.基本误差:2.5%。 5.回差:1.5%。 6.死区:3%。 7.阻尼特性:3次半周期。 8.电源电压:220V或380V，50Hz。 9.工作环境:温度:-100C-+550C，湿度:95%,周围空气不含有腐蚀性质。如图2.1所示，一个控制器控制两个调节阀，

21、这个控制就是控制信号的分段即分程控制，在分成控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的，调节器输出信号需要分成几个区段，本设计就是控制器控制两个调节阀，当反应器中部温度达到反应温度时，化学反应开始，并不断有反应热产生，为了防止物料温度过高引起事故，此时应使调节器输出信号关闭进入换热器的阀门，同时控制冷却气体的阀门打开，向反应器夹套加入冷却气体，使反应器温度保持在生产工艺要求的范围。第4章 软件设计4.1 温度控制系统的设计温度控制系统可以有多种设计方案，有基于单片机的，基于PLC的，还有基于计算机和仪表的，本文利用温度仪表开做控制器。在上述温控实例中, 器件工作时产生的热量将使器件本身工

22、作温度升高, 最后达到很高的基本稳定的温度。较高的温度将严重影响器件的各种性能参数, 也很可能导致器件不能正常工作, 甚至损坏。温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较低的水平上, 这样一来就要求根据器件工作时的实际情况(如产热量大小等) 采取一定的措施,随时将产生的热量即时散掉, 并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位时间里吸收的热量, 若两者达到动态平衡, 则可以保持器件工作温度的稳定。 在一定的控制系统中, 首先将需要控制的温度由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较, 把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值, 将控制量送给控制系

23、统进行相应的控制, 不停地进行上述工作, 从而达到自动调节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时, 比较成熟且广泛使用的控制方法是采用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法, 即PID 法, 其控制规律的数学模型为:其中: K P 为比例系数; e 为差值信号；Ti 为积分常数; Td 为微分常数; V0、V0-1为当时及前一时刻的控制量。实现PID 控制原理的具体方法因系统的不同而不同。在我们的系统中, 采用了增量式计算方法, 而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中, 其控制规律的数学模型演化为:其中: T 为采集周期; ei、ei-1、ei-2为此时刻、前一

24、时刻、再前一时刻的差值信号。这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号, 同时输出控制量的初始设定值不必准确, 就能较快地进入稳定控制过程。4.2 主、副调节器正反作用方式的确定一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。4.2.1副调节器作用方式的确定出于生产工艺安全考虑，换热器调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止换热器内气体进入反应器，确保设备安全，调节阀的KV0。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度正大，通过换热器的气体增大，反应器内温度上升，所以K020

25、。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大洗漱乘机必须为真，所以副调节器大于，副调节器作用方式为反作用方式。4.2.2主调节器作用方式的确定当反应器中部温度升高，主被控过程K010。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘机必须为正，所以副调节器的放大洗漱K10，主调节器作用方式为反作用方式。从反应器安全角度考虑，调节阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用凡是。反之，为负作用方式，温度亦增加是正作用方式。测量变送单元作用方式均为正。第5章 分析参数的整定5.1 控制器参数的工程整定图5.1 仿真调试串级控制系统主、副

26、控制器的参数整定方法主要三种。两步整定法、逐步逼近法和一步整定法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。我们是用稳定边界法来整定串级控制系统的参数。上图为在过控实验室做的仿真调试结果，利用稳定边界法来整定参数，首先取Ti=，Td=0，根据广义对象他特性选择一个较大的比例度P值，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态。然后等系统运

27、行稳定后，对设定值施加一个节约绕懂，并减小P，知道系统出现等幅震荡临界震荡过程。记录下此时的PM（临界比例度）和系统等幅震荡的周期TM。最后根据所记录的PM和TM，按表做设定值的经验公式计算调节器的整定参数P、Ti和Td，并按计算结果设置调节器参数，再在哦设定值扰动试验，观察过渡过程曲线。稳定边界法经验的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于临界放大倍数KM的一半。表5.1 稳定边界法整定参数计算表整定参数调节规律P(%)TiTdP2PMPI2.2PM0.85TMPID1.7PM0.50 TM0.125 TM根据上章公式得，PID 的主要参数是KP、Ti 及Td。其选择方法是: 首

28、先根据控制系统的特性确定KP的极性。在本文中，其极性应为负，而不是的正极性；并且实验发现， 本系统虽然属于具有延迟效应的温度控制系统，但Kp 不能选择过大，否则将不稳定。其次， Ti 及Td 的选择相对而言就不是很严格了，可根据设计者的要求(如希望积分作用明显还是微分作用明显) 而定。关于采样周期则可以根据系统响应的延迟时间而定，一般可选择比系统响应稍快些即可，选择过小的采样周期反而不好。本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期，约0.3 0.5s。PID 参数的选择不是唯一的，但一定要选择好关键参数。在本文中则应仔细选择Kp ，然后再选择其它参数。只要一组PID 参数能够较好地用于控制系统,

29、 并且控制效果也是较好的, 则说明这样一组参数是合适的。 本文中的PID 参数选择如下: Kp =1.0， Ti= 2， Td= 1.5,，T = 0.3。 这样的一组PID 参数可以达到良好的控制效果。第6章 结论本设计较好地达到了要求的技术指标。在0120范围内能较准确地实时显示现场温度，精确到小数点后一位。通过多次仿真测试实验表明，系统在稳定可靠，控制精度较好，进入稳定状态所需要的时间短，超调量小，负荷温度控制系统的特点。温度控制系统是在工业生产中经常遇到的过程控制理论分析和实际运行都表明，应用PID控制算法是温度控制的有效方法。 本文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

30、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。从古至今，温度一直是人们生活中最常见的物理量。以前是去适应它，但现在人们开始控制它，随着技术的发展，温度控制将越来越简单，越来越完善。现在，温度控制技术与理论已经达到了一定高度，但仍需我们努力，想更高方向买进。参考文献1 王再英，过程控制系统与仪表。北京：机械工业出版社，20062 王立新，温度控制系统。北京：清华大学出版社，20073 陈晓晖，乙炔法合成醋酸乙烯催化剂的研究进展。北京：清华大学出版社，20094 孙传友，测控系统原理与设计。北京：北京航空航天大学出版社，20085 赵茂泰，智能仪器及应用。北京：电子工业出版社，20076 黄长艺，机械工程测试技术基础。北京：机械工业出版社，20087 曾剩绰，智能一起原理与设计。北京：北京航空航天大学出版社，200814