第9章典型化工生产过程控制系统.ppt

2）热量传递的三种方式 温度差是传热的的推动力。 （1）热传导 傅里叶定律：单位时间内出传到的热量与温度梯度和垂直于热流体方向的截面积成正比。 在单位时间内通过单层平壁传导的热量与导热系数、传热面积和平壁两侧的温差成正比，而与平壁的厚度成反比。 （2）对流传热 常见于流体与固体壁之间的传热，传热的速率与流体性质及流动边界的状况密切的相关。 传热膜系数是对流传热的主要参数，对其影响因素有：流体的种类、性质、运动状况以及流体对流的状况。 一般来讲，蒸汽冷凝传热膜系数较大，液体的传热膜系数较小，而气体的传热膜系数最小。因此，在蒸汽加热器中必须注意冷凝水与蒸汽中不凝气体的排除问题。 （3）热辐射 热辐射：热能以电磁波的形式向空间发射，到达另一物体被部分吸收又转变为热能。 在热量传递过程中伴有能量形式的转化，与导热和对流传热的差异在于不需要任何介质进行传递。 工业上的两固体之间的相互热辐射，当一固体发射热，另一固体只能部分吸收并部分反射，多次吸收和反射的过程，使得热从高温传向低温物体。 净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身的性质有关。 在实际进行的传热过程中，很少是以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成。 例如 间壁式传热：对流或热传导 管式加热炉：辐射室以辐射传热为主，对流室以对流为主。 3）传热设备的动态特点 （1）传热设备的分布参数特征 对象的输出（被控变量）不仅与时间有关，而且是物理位置的函数。 分布参数的分类： A、传热壁面两侧流体都无相变地进行传热，且两侧流体都没有轴向混合时，两侧的温度将是距离和时间的函数，也就是说，两侧都是分布参数对象，列管式、套管式换热器均属于此类。 B、两侧物流在传热过程中都有相变，两侧的温度可近似为集中参数，流体温度取决于所处的压力，而不是传热量。 C、一侧物流有相变，则相变侧为集中参数，另一侧视为混合情况而定。 不少传热对象具有分布参数对象，遇到分布参数时须用偏微分方程来表示，但处理起来比较麻烦，此时也可用集中参数特性来近似，如可将进出口温度平均值作为流体温度来看待（简单，精度差）。 （2）纯滞后及滞后（时间常数）较大 工艺要求传热过程物质不接触，无物质交换，所以采用间壁式换热器。传热的过程属于多容对象，带有较大的滞后，可近似认为是具有纯滞后的多容对象。 测温元件的滞后，其保护套的滞后，给传热设备的自动控制增加了滞后时间。 二、换热器的控制 换热的目的有以下4种： ① 使工艺介质达到规定的温度使生产过程正常进行； 如：重油催化裂化原料油预热，要求温度在 160~220℃之间。 ② 在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量； 如：催化裂化再生器温度控制。 ③ 在工艺过程中改变物料状态； 如：常减压装置加热炉。 ④ 热量回收。 如：分馏塔塔底换热器。 为了保证出口温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节。有以下几个途径： ⑴ 调载热体的流量 目的：改变传热速率方程中的传热系数和平均温差。 ① 载热体在传热过程中不发生相变，主要改变传热系数； ② 载热体在传热过程中发生相变，主要改变平均温差。 特点：方案简单、适用于载热体上游压力平稳及负荷变化小的场合。 载热体上游压力不平稳时，采用温度与流量的串级控制（方案二） 当主要扰动为负荷、且对出口温度控制要求高，采用前馈-反馈控制（方案三） ⑵ 调节传热平均温度差 注意：气氨出口调节阀的作用 阀开度变化时，汽化温度的变化改变了 传热平均温差。 液位控制回路的目的：维持液位不超限， 保证足够的蒸发空间。 特点：滞后小，反应迅速。 ⑶ 调节传热面积 当 不变时，改变A 可以改变传热量。 调节阀的安装位置和作用： 位置：出口(冷凝液)管线上 作用：开度变化，液位变化，面积变化 缺点：冷凝液液位影响传热面积，变化 缓慢，是一滞后的过程，调节不及时，不利于控制器参数整定， 影响调节品质。 适用场合：适用于传热量小、被控温度 较低的场合 为改善对象特性，我们可以利用串级 控制系统的特点设计串级控制方案。（如右下图所示） ⑷ 采用旁路控制 部分工艺介质经换热器，另一部分走旁路。 特点：反应迅速及时，该方案不适用于介质流量较大的场合，适合于能量回收系统。 采用一般直通阀，设计时旁路流量占总流量的10~30%。 阀位控制系统（如右下图所示）