合成加脂剂生产过程控制系统 方案 总图.doc

目 录摘要11 合成加脂剂过程22 酯化反应控制分析22.1 硫酸与乙二醇的配比控制22.2双闭环比值控制对控制系统的影响43 酯化反应控制43.1 酯化反应控制过程的分析53.2 控制规律及控制器的确定64 皂化反应控制系统64.1 控制方案的确定74.2 控制算法及控制器的确定85 仪表选型86总结11参考文献12摘要在化学工业中，合成脂是一种十分常见的原料，特别是在皮革工艺中，它是常用的加脂剂，可以提高毛皮的质地。酯化反应和皂化反应广泛应用于有机合成等领域，生产合成加脂剂主要依据这两个反应原理来进行。工艺上要求：酯化反应器釜内温度为110130,皂化反应器内温度为7080。硫酸与乙二醇按照2:1比例加入釜内。合成脂肪酸占95。皂化反应时间为0.5h。本设计主要依据酯化反应和皂化反应中所需要的反应条件，通过比值控制和串级控制来控制酯化反应器和皂化反应器中的温度、液位、流量等量来维持稳定的反应条件。合成脂生产过程主要是通过比值控制，来严格控制两种原料的比例，同时温度传感器来检测反应器中温度，从而达到精确控制合成加脂剂生产过程的目的。关键词：合成脂 比值控制 串级控制1 合成加脂剂过程将合成脂肪酸预热加入酯化反应器中，同时把乙二醇和硫酸以2:1的配比加入酯化反应器，将温度升至110，此时有水流出，分析其酸值在25mg/1g酯以下，停止加热放入合成脂贮槽。将合成脂放入皂化反应器中加入碱液加热至70搅拌0.5h既可。2 酯化反应控制分析2.1 硫酸与乙二醇的配比控制被控量：硫酸与乙二醇的输出量被控对象：阀门在双闭环比值控制系统中，要求主、从动回路稳定各自的物料平衡，所以都选用PI控制规律。对于主动量回路，调节阀选用气开式，一旦调节阀损坏，调节阀处于全关状态，阻止硫酸的进入，从而保证了生产的安全，当调节阀增大时，硫酸的流量增大，所以过程的特性为正，因此控制器为反作用式。对于从动量回路，由相同的方法可得控制器也为反作用式。在这个生产过程中，生产工艺要求硫酸与乙二醇两种物料流量成2:1比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。严格控制其比例，使其不进入爆炸范围，对于安全生产来说十分重要。这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。所以此控制系统选择双闭环比值控制为控制系统。其带检测点的工艺流程图如图1。图1 工艺流程图其方框图如图2图2 乙二醇与硫酸配比控制方框图Wc1、Wc2分别为主从控制器，Wv1、Wv2分别为主从回路的开方器，Wm1、Wm2分别为主从测量变送器，K是比值控制器的比值。Q1、Q2分别是乙二醇和硫酸的物料输出量。如上图，它是由一个定值控制系统的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组成。主动量控制回路能克服主动量扰动，实现定值控制。从动量控制回路能克服从动量扰动，实现随动控制。当扰动消失后，主从回路能恢复到原设定值，其比值不变。由于扰动使输出Q1发生变化时，通过闭环控制的反馈作用可以使Q1回到原来的设定值。当Q1变化时，Q2也会发生变化，此时从回路的反馈作用也起作用，当主回路Q1恢复到原来值时，从回路通过调节也恢复到原来的值，即达到与主动量的比值保持不变，从而可以是乙二醇与硫酸的2:1关系保持不变。2.2双闭环比值控制对控制系统的影响双闭环比值控制系统能实现主动量的抗干扰、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料量也比较平稳。并且升降负荷比较方便，只需要缓慢改变主动量控制器的给定值，这样从动量自动跟踪上升，并保持比值不变。在双闭环比值控制系统中，比值控制器起关键作用，它是两个系统的连接点，但在此系统中要防止产生“共振”，以免使系统不稳定。3 酯化反应控制在合成加脂剂的制造过程中，该过程是第一次发生反应的过程，它的产物是下面过程发生的基础，所以该过程特别重要，它直接影响了实验的成败。其工艺流程图如图3图3 酯化反应控制流程图方框图如图4图4酯化反应控制方框图3.1 酯化反应控制过程的分析 在该过程中，对于合成脂肪酸的控制，为了稳定合成脂肪酸在反应物中的占比为95%，而影响该比例的主要参数为合成脂肪酸的流量，所以合成脂肪酸的流量是主要的干扰。 对于该过程的温度控制，要求温度维持在110-130，温度波动范围较大，扰动量主要为反应产生的热量以及蒸汽的流量。由于当流量突变时，温度传感器还没来得及反应而导致生产损失，因此采用一个流量报警器来监控蒸汽的流量。当有了流量报警器监控时，单回路闭环控制系统能够满足以上两个过程的基本要求，且单回路闭环控制系统结构简单，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环，投资较少，易于调整和投入使用，所以使用单回路闭环控制系统。3.2 控制规律及控制器的确定对于合成脂肪酸的浓度的控制，调节阀选用气开式，一旦调节阀损坏，调节阀处于全关状态，阻止合成脂肪酸的进入，从而保证了生产的安全，当调节阀增大时，合成脂肪酸的流量增大，所以过程的特性为正，因此控制器为反作用式，控制规律采用PI。对于温度系统的控制规律及其控制器，其判断方法与浓度的一样，控制器采用反作用式，控制规律为PI。4 皂化反应控制系统在该过程中，合成酯和碱液在皂化反应器中混合，并使温度维持在70-80，合成酯和碱液发生充分的反应，生成了我们所要的产物-合成加脂剂。其系统工艺流程图如图5。图5 皂化反应控制流程图方框图如图6图6皂化反应控制方框图4.1 控制方案的确定在过程控制中单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。温度和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对温度和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。温度的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对温度进行控制。在该过程中，为了防止当流量突变时，温度传感器还没来得及反应而导致生产损失，因此采用一个流量报警器来监控蒸汽的流量。同时由于温度的要求较严，温度的波动范围小，且主要的干扰-流量的惯性较大，时间常数较长，所以在使用了流量报警器的同时，还需要使用串级控制。其中反应产生的热量及压力变化引起的热量的变化为副回路的主要扰动，蒸汽流量和热量的变化所引起的温度的变化为主回路的主要扰动。 4.2 控制算法及控制器的确定串级控制中，主调节器起定值控制的作用，一般要求无余差，因此选用PI或PID控制规律，而副调节器主要起随动控制的作用，主要是为了保证主参数的控制质量，可以在一定的范围内变化，允许有余差，因此只要选用P控制规律就可以了，一般不引入积分和微分控制，积分控制会延长控制过程，减弱副回路的快速作用，微分控制会使调节阀动作过大，对控制不利。从生产工艺安全出发，调节阀选用气开式，一旦调节阀损坏，调节阀处于全关状态，以切断蒸汽进入反应器，确保其设备安全。对于副回路控制，当调节阀开度增大时，蒸汽流量增大，温度升高，故副过程的系数为正，要整个副回路为负反馈，则要求控制器为反作用式；管内温度升高，反应器内温度也升高，为保证整个回路为负反馈，则主调节器应为反作用式。5 仪表选型 合成加脂剂的合成过程是一个化学过程，任何化学过程都要受到许多因素的影响，主反应与副反应的速度都受到这些因素的制约，因此，我们必须从生产工艺过程出发，在防止其他因素的影响下，力求生产效率高，保证生产过程的稳定安全，为了对监控系统进行科学地设计 我们必须第一合成加脂剂的基本原理有充分的了解，这也是过程控制人员设计调试时所必须掌握的。 在控制系统中，一次仪表及其测量点的位置的选择是非常重要的，她直接关系到系统能否可靠运行，因此，我们在选择仪表时，应主要着眼于尽可能地减小测量滞后，同时也要装配维修方便。 在本系统中，主要需要检测点之一就是温度的检测。因为他们的测量范围都在200，所以我采用分度号为Pt100的铂电阻作为传感器，铂电阻的阻值R与温度基本成线性关系，且线性度好，特别是在温度不太高的范围内，可以认为是线性的，并且铂的稳定性很高，特性的重复性强。在此设计中温度测量采用JY5015，热响应时间小于0.06S，测量范围为-200-500.根据合成加脂剂的生产要求，我们设有超限声光报警系统，当监控参数超出报警上下限设定值是，电笛响起，报警指示灯亮，并且报警器的灵敏度要求要高。本设计所用的仪器仪表如下表1。表1 仪表一览表元器件名称型号参数数量温度测量器JY5015热电偶，温度范围0800，防护等级：IP65，防爆等级：dIIBT4，精度：0.1%，能多点测量4温度控制器AI-508防护等级：表壳IP53，量程范围：-100230，0.3级精度4流量测量器2HQ3512防护等级IP67，行程精度：1%,转矩精度：10%，输出转速：5/14，全程时间：30S4流量控制器7ME6910环境温度0500，外壳防护等级：IP65，耐压：2MPa3浓度测量器MAT311精度：0.0007g/cm3，量程：0.5g/cm37g/cm3,最大静压：15kgf/cm3,环境温度：-201201浓度控制器E53环境温度：0178，外壳防护等级：NEMA4X，防爆型，浓度量程：0.0200%1比值控制器BURKERT8601比列电磁阀，PWM频率无限可调，可选RS232、RS485接口1报警器TAD-167温度超过设置上下限时报警，监测温度-50+150，报警音量：120分贝，测量精度：0.146总结随着科学技术的发展，自动化技术在过程控制系统中的作用越来越重要。仪器仪表的选用，如控制器、调节阀、测量变送器的选用等对于生产线的稳定运行极其重要。合成加脂剂的生产过程控制中，对于控制反应器中的反应条件以及物料的量的要求十分严格。乙二醇与硫酸的比例是酯化反应的决定性条件。并且酯化反应釜的温度必须控制在110130之间，合成脂肪酸必须保持占95时才能保证酯化反应顺利进行。在皂化反应器内，温度必须保持在7080，才能保证皂化顺利进行。在控制过程中，反应器中的温度要时时监测，物料的流量和液位要保持给定值不变。通过这次过程控制系统设计与实践，我更进一步学习了过程控制的控制原理，通过自己画图、分析、查找资料，不仅将以前的知识温习一遍，而且将所学知识的应用于实际。我们即将毕业，面临着社会的种种考验，特别是关于理论脱离实践问题，是我们面临的最难的问题。怎样将所学知识运用于现实生活中，是我们必须经历的过程，这次的过程设计与实践，给了我们一个很好的机会去运用自己的所学知识，它对于今后我们工作十分有意义。总之，我们每个人都要认识到自己不足，通过实习不断完善自己，不断发掘自己的潜力。无论在什么时候，都要靠自己的辛勤努力，不断给自己充电，在科技飞速发展的今天，要想适应社会，必须先将自己培养的更有优势。因此在大学期间，每次实习我们