化學反應器設計操作與控制第1頁/共44頁換熱裝置---夾套夾套內可走換熱介質：飽和水蒸氣、熱水、冷水、冷凍鹽水、熱導油等第2頁/共44頁傳熱裝置----蛇管第3頁/共44頁換熱裝置---電加熱第4頁/共44頁結論：選用夾套本工藝反應的量不是很大，反應的溫度為120℃，且工業上一般首先夾套式。第5頁/共44頁載熱體的選擇工業上常用的高溫載熱體有：①礦物油,如重油、汽缸油、潤滑油等，最高使用溫度在敞開系統約為250°C，在封閉系統約為320°C；②過熱水,最高使用溫度可達水的臨界溫度374°C，但此時壓力高達22.5MPa；③有機載熱體,常用的是26.5%聯苯和73.5%二苯醚的混合物,最高使用溫度可達380°C；④熔鹽混合物,常用的熔鹽是亞硝酸鹽和硝酸鹽的混合物,使用溫度可達540°C；⑤液態金屬，如汞、鉛或鈉鉀合金等，主要用于核工業中。第6頁/共44頁結論：選用水蒸氣反應溫度只需達到120氏度即可，而且比較經濟。第7頁/共44頁溫度檢測儀表的種類及其應用第8頁/共44頁按測溫范圍分類：把測溫600℃以上溫度的儀表叫高溫器。測溫600℃以下的儀表叫低溫儀表叫溫度計。按工作原理分類：通常分為膨脹溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、壓力式溫度計、輻射高溫計和光學高溫計等。按測溫方式分類：根據感溫元件和被測介質接觸與否，可將溫度儀表分為接觸式與非接觸式兩大類。第9頁/共44頁1、氣體溫度計：多用氫氣或氦氣作測溫物質，因為氫氣和氦氣的液化溫度很低，接近于絕對零度，故它的測溫范圍很廣。這種溫度計精確度很高，多用于精密測量。2、電阻溫度計：分為金屬電阻溫度計和半導體電阻溫度計，都是根據電阻值隨溫度的變化這一特性制成的。金屬溫度計主要有用鉑、金、銅、鎳等純金屬的及銠鐵、磷青銅合金的；半導體溫度計主要用碳、鍺等。電阻溫度計使用方便可靠，已廣泛應用。它的測量范圍為-260℃至600℃左右。3、溫差電偶溫度計：是一種工業上廣泛應用的測溫儀器。利用溫差電現象制成。兩種不同的金屬絲焊接在一起形成工作端，另兩端與測量儀表連接，形成電路。把工作端放在被測溫度處，工作端與自由端溫度不同時，就會出現電動勢，因而有電流通過回路。通過電學量的測量，利用已知處的溫度，就可以測定另一處的溫度。這種溫度計多用銅——康銅、鐵——康銅、鎳銘——康銅、金鈷——銅、鉑——銠等組成。它適用于溫差較大的兩種物質之間，多用于高溫和低濁測量。有的溫差電偶能測量高達3000℃的高溫，有的能測接近絕對零度的低溫。第10頁/共44頁4、高溫溫度計：是指專門用來測量500℃以上的溫度的溫度計，有光測溫度計、比色溫度計和輻射溫度計。高溫溫度計的原理和構造都比較復雜，這里不再討論。其測量范圍為500℃至3000℃以上，不適用于測量低溫。5、指針式溫度計：是形如儀表盤的溫度計，也稱寒暑表，用來測室溫，是用金屬的熱脹冷縮原理制成的。它是以雙金屬片做為感溫元件，用來控制指針。雙金屬片通常是用銅片和鐵片鉚在一起，且銅片在左，鐵片在右。由于銅的熱脹冷縮效果要比鐵明顯的多，因此當溫度升高時，銅片牽拉鐵片向右彎曲，指針在雙金屬片的帶動下就向右偏轉(指向高溫)；反之，溫度變低，指針在雙金屬片的帶動下就向左偏轉(指向低溫)。6、玻璃管溫度計：玻璃管溫度計是利用熱脹冷縮的原理來實現溫度的測量的。由于測溫介質的膨脹系數與沸點及凝固點的不同，所以我們常見的玻璃管溫度計主要有：煤油溫度計、水銀溫度計、紅鋼筆水溫度計。他的優點是結構簡單，使用方便，測量精度相對較高，價格低廉。缺點是測量上下限和精度受玻璃質量與測溫介質的性質限制。且不能遠傳，易碎。第11頁/共44頁7、壓力式溫度計：壓力式溫度計是利用封閉容器內的液體，氣體或飽和蒸氣受熱后產生體積膨脹或壓力變化作為測信號。它的基本結構是由溫包、毛細管和指示表三部分組成。它是最早應用于生產過程溫度控制的方法之一。壓力式測溫系統現在仍然是就地指示和控制溫度中應用十分廣泛的測量方法。壓力式溫度計的優點是：結構簡單，機械強度高，不怕震動。價格低廉，不需要外部能源。缺點是：測溫范圍有限制，一般在-80~400℃；熱損失大響應時間較慢；儀表密封系統(溫包，毛細管，彈簧管)損壞難于修理，必須更換；測量精度受環境溫度、溫包安裝位置影響較大，精度相對較低；毛細管傳送距離有限制。8、半導體溫度計：半導體的電阻變化和金屬不同，溫度升高時，其電阻反而減少，并且變化幅度較大。因此少量的溫度變化也可使電阻產生明顯的變化，所制成的溫度計有較高的精密度，常被稱為感溫器。9、熱電偶溫度計：熱電偶溫度計是由兩條不同金屬連接著一個靈敏的電壓計所組成。金屬接點在不同的溫度下，會在金屬的兩端產生不同的電位差。電位差非常微小，故需靈敏的電壓計才能測得。由電壓計的讀數，便可知道溫度為何。第12頁/共44頁乙酸丁酯反應器用測溫儀表選用壓力式溫度儀表理由：乙酸丁酯反應溫度在120℃左右，在壓力式溫度儀表（—50~600℃）測量范圍之內，具有價廉，最易就地集中監測的優點。第13頁/共44頁自動控制系統組成及其分類第14頁/共44頁自動控制系統主要由：控制器，被控對象，執行機構和變送器四個環節組成分類方法自動控制系統有幾種分類方法按控制原理的不同，自動控制系統分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統在開環控制系統中，系統輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環控制系統中，基于按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統；由順序控制裝置、檢測元件、執行機構和被控工業對象所組成。主要應用于機械、化工、物料裝卸運輸等過程的控制以及機械手和生產自動線。第15頁/共44頁閉環控制系統閉環控制系統是建立在反饋原理基礎之上的，利用輸出量同期望值的偏差對系統進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環控制系統又稱反饋控制系統。按給定信號分類，自動控制系統可分為恒值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。恒值控制系統給定值不變，要求系統輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統。如生產過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉速等自動控制系統屬于恒值系統。隨動控制系統給定值按未知時間函數變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛星的雷達天線系統。程序控制系統給定值按一定時間函數變化。如程控機床。第16頁/共44頁應用廣泛自動控制系統已被廣泛應用于人類社會的各個領域。在工業方面，對于冶金、化工、機械制造等生產過程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等，都有相應的控制系統。在此基礎上通過采用數字計算機還建立起了控制性能更好和自動化程度更高的數字控制系統，以及具有控制與管理雙重功能的過程控制系統。在農業方面的應用包括水位自動控制系統、農業機械的自動操作系統等。在軍事技術方面，自動控制的應用實例有各種類型的伺服系統、火力控制系統、制導與控制系統等。在航天、航空和航海方面，除了各種形式的控制系統外，應用的領域還包括導航系統、遙控系統和各種仿真器。此外，在辦公室自動化、圖書管理、交通管理乃至日常家務方面，自動控制技術也都有著實際的應用。隨著控制理論和控制技術的發展，自動控制系統的應用領域還在不斷擴大，幾乎涉及生物、醫學、生態、經濟、社會等所有領域。第17頁/共44頁控制器及控制規律第18頁/共44頁控制器是控制系統的核心，生產過程中被控變量偏離設定要求后，必須依靠控制器的作用去控制執行器，改變操縱變量，使被控變量符合生產要求。控制器在閉環控制系統中將檢測變送環節傳送過來的信息與被控變量的設定值比較后得到偏差，然后根據偏差按照一定的控制規律進行核算，最終輸出控制信號作用于執行器上。第19頁/共44頁控制器分類按能源形式分類 電動控制儀 特點：在信號傳輸，放大，變換處理，實行遠距離檢視操作等方面比氣動儀容易氣動控制儀 特點：結構簡單，性能穩定，可靠性高，價格便宜按信號形式分類 模擬式 特點：線路較為簡單，操作方便，在過程控制中已經廣泛運用數字式 特點：功能完善，性能優越，能夠解決模擬式儀表難以解決的問題第20頁/共44頁按結構形式分類 基地式 特點：結構簡單，通用性差，使用不夠靈活，一般僅適用一些簡單控制系統單元組合式 特點：使用靈活方便，在生產現場得到廣泛運用組裝式 特點：在單元組合儀表基礎上發展起來的一種功能分離，結構組件化的成套儀表裝置集散控制系統 特點：除有控制功能外，還具備網絡通信功能第21頁/共44頁DTL—3110控制器正面示意圖第22頁/共44頁控制規律常用控制規律：1、雙位控制在所有的控制規律中，雙衛控制規律最為簡單，也最容易實現。其動作規律是：當測量值大于或小于設定值時，控制器的輸出為最大（或最小），即控制器的輸出要么最大，要么最小。相應的執行機構也就只有兩個極限位置——要么全開，要么全關。雙衛控制由此得名。第23頁/共44頁第24頁/共44頁雙衛控制系統結構簡單、成本低、容易實現，但質量控制較差，大多應用于允許被控制變量上下波動的場合。如原料儲罐、恒溫箱、空調、電冰箱中的溫度控制，為氣動儀表提供氣源的壓縮空氣罐中的壓力控制等。利用浮球閥控制水箱水位的控制系統也屬于雙衛控制。第25頁/共44頁2、比例（P）控制如果控制系統能使執行機構的行程變化與被控制變量偏差的大小成一定比例關系的話，就可能使上述貯槽的物料流入量等于流出量，從而使液位能穩定在某一值上，即系統在連續控制下達到平衡狀態。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差大小成比例關系的控制規律，稱為比例控制規律。比例控制規律控制器輸出變化與輸入偏差成正比。在時間上沒有延遲。在相同的偏差下，Kc越大，輸出也越大，因此Kc是衡量比例作用強弱的參數。工業上用比例度來表示比例作用的強弱。單純的比例控制適用于擾動不大、滯后較小、負荷變化小、要求不高、允許有一定余差存在的場合。第26頁/共44頁3、比例積分（PI）控制比例控制規律是基本控制規律中最基本的，應用最普遍的一種。其最大優點是控制及時、迅速。只要有偏差產生，控制器立即產生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點限制了它的單獨使用。克服余差的辦法是在比例控制的比例控制的基礎加上積分控制作用。積分控制規律KI表示積分速度。控制器輸出信號的大小，不僅與偏差大小有關，還取決于偏差存在的時間長短。只要有偏差存在，控制器的輸出就不斷變化。偏差存在時間越長，輸出信號的變化量越大，直到達到輸出極限。只有余差為0，控制器的輸出才穩定。力圖消除余差是積分作用的重要特性。第27頁/共44頁

積分控制作用總是滯后于偏差的存在，因此它不能有效地克服擾動的影響，難以使得控制系統穩定下來，因此積分控制作用很少單獨使用。如圖7－5分析，引入積分作用會使系統容易振蕩。比例作用的輸出與偏差同步，偏差大，輸出大，偏差小，輸出小，因此控制及時。而積分作用則不是。比例積分控制器是目前應用最廣泛的一種控制器，多用于工業上液位、壓力、流量等控制系統。由于引入積分作用能消除余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質量。但是積分作用的引入，會使系統的穩定性變差。對于有較大滯后性的系統控制，要盡可能避免使用積分控制。第28頁/共44頁4、比例微分控制（PD）控制微分控制規律其輸出正比于輸入對時間的導數。TD為微分時間常數。第29頁/共44頁傳遞函數：理想微分控制器在階躍偏差信號作用下的開環輸出特性如圖7－10所示。微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差存在與否無關。因此，純粹的微分控制作用是無意義的，一般都將微分控制作用與比例控制結合起來使用。第30頁/共44頁執行器種類及其應用第31頁/共44頁執行器是自動控制系統的終端執行部件，由執行機構和調節機構組成，負責從自動化技術工具中接收控制信息并對受控對象施加控制作用。執行器的分類1、執行器按所用驅動能源分為氣動、電動和液壓執行器三種。2、按動作規律，執行器可分為開關型、積分型和比例型三類。3、按輸出位移的形式，執行器有轉角型和直線型兩種。4、按輸入控制型號，執行器分為可以輸入空氣壓力信號、直流電流信號、電接點通斷信號、脈沖信號等幾類。第32頁/共44頁執行器的應用氣動執行器在化工、煉油等對安全要求較高的生產過程中得到廣泛的應用。安全性能差，動作不夠迅速，雖然近年來有經過不斷改進，應用逐漸擴大的趨勢，但總體來看不如氣動執行器的應用普遍。第33頁/共44頁溫度自動控制方案第34頁/共44頁常用的溫度自動控制方案：

1、低溫控制低溫控制的特點主要是周圍環境溫度都比樣品的溫度高，熱量總是源源不斷地通過對流、傳導和輻射等形式傳輸給樣品。因此，低溫控制的任務是：有節制的控制輸入的熱量與冷量，借以得到所需的溫度。借助于低溫實驗室常備的冷卻液，如液氧、液氮和液氦（或包括液氫），控制液體沸騰的壓強，即可得到下列溫度范圍：1—4K(液氦)；54—90K(液氧);63—77K(液氮);10—20.4K(液氫).第35頁/共44頁

2、中溫控制以恒溫油槽為例，說明溫度自動控制原理。油槽結構分為恒溫槽部分和控制部分。恒溫槽由槽體、保溫層、隔離筒和攪拌器等構成，由敏感元件、控制元件、執行原件組成控制系統，控制對象為油的溫度。導電表傳感溫度的變化，反映為水銀柱的高度。當溫度高于給定溫度時，導電表接通繼電器的輸入電路，繼電器切斷加熱器，油溫在冷卻水作用下降低；當油溫低于給定溫度是，導電表水銀柱下降，繼電器輸入電路斷開，繼電器動作并接通加熱器，油溫在加熱器作用下上升。如此循環，維持油恒定在給定溫度。第36頁/共44頁

3、高溫控制由于外界的影響引起敏感元件材料不穩定，使接觸式溫度計量器具（如熱電偶、電阻溫度計等）的應用受到了限制。因此，在高溫控制中經常采用不接觸方法—光學高溫計和輻射高溫計。但光學高溫計的檢測結果帶有主觀性并且不能實現自動檢測。而輻射高溫計難于測量小物體的溫度和難于靠近被測物體，同時易受其它受熱物體輻射的影響。帶有光導接收和傳感元件的輻射高溫計可以消除上述溫度計所固有的缺點，用于控制生產過程中溫度的穩定性和保證從一個過程到另一個過程的溫度復現，