丙烯腈流化床反应器控制系统设计PPT课件

丙烯腈生产流化床反应器的控制系统设计 By第2小组 1 报告内容 1背景介绍1 1丙烯腈生产方法1 2流化床反应器2控制系统参数选择及依据2 1影响反应过程的因素2 2控制变量和操纵变量的选择3控制系统设计3 1系统方框图3 2工况设定3 3仪表选型4控制系统仿真及性能评价5总结 2 1 1丙烯腈生产背景及方法 丙烯腈 重要的有机化工原料 应用于合成树脂 合成纤维及合成橡胶的生产 生产方法 丙烯氨氧化法以丙烯 氨 空气 和水为原料 按其一定量配比进入流化床或固定床反应器 在催化剂的作用下 400 500 温度和常压下 生产丙烯腈 副产品有乙腈 氢氰酸和硫酸铵 优点 原料易得廉价 设备投资少 产品质量高 工艺流程简单 1背景介绍 3 1 1丙烯腈生产背景及方法 反应方程式 主反应 CH CH CH3 NH3 O2 CH2 CH CN 3H2O副反应 CH2 CHCH3 3NH3 3O2 3HCN 6H2O 1 6 CH2 CHCH3 NH3 O2 CH3CN 3H2O 1 7 CH2 CHCH3 O2 CH2 CHCHO H2O 1 100 CH2 CHCH3 O2 3CO2 3H2O 1 4 以上副反应都是强放热反应 且副反应的生成必降低目的产物的收率 给分离和精制带来困难 影响产品质量 因此 除考虑工艺流程的合理和设备强化 关键在于控制影响反应的因素 尤其是温度 1背景介绍 4 1 2流化床反应器 液态的丙烯与液氨经过气化后 在管路中汇合后经反应器底部的丙烯 氨分布器进入反应器 压缩空气经反应器底部的空气分布器进入反应器 一定的流动速度使催化剂颗粒呈悬浮状态 三种物料在处于流化状态下的催化剂的作用下 生成丙烯腈 强放热反应 传热性能好 气相反应 能较好保证温度均匀 1背景介绍 5 1 2流化床反应器 一般控制方法 通过调节换热器进水量和稳定反应物料的流量以控制流化床浓相区温度 1背景介绍 6 2 1影响反应过程的因素 原料的配比氨比 当氨比小于1时 有较多的副产物丙烯醛生成 用量过多不经济 既增加氨消耗和用来中和的硫酸的消耗量 从而加重了氨中和塔的负担 因此 丙烯 氨 1 1 1 1 2氧比 氧由空气带入 为保护催化剂 实际采用丙烯与氧的摩尔比约为1 2 3 大于理论值1 1 5 水比 不参与反应 但可促使产物从催化剂表面解吸 避免丙烯腈深度氧化 防止爆炸 清除催化剂表面积炭 过多降低设备生产能力 增加动力消耗 1 3效果较好 2控制系统参数的选择及依据 7 2 1影响反应过程的因素 线速度气流速度在临界流化速度和带出速度之间 床层膨胀 颗粒悬浮 剧烈翻腾 做不规则运动 床层处于流化状态 增加催化剂和气流的接触面积及催化剂的利用率 实现床层温度均匀 因此 物料流量要保证物料达到流化状态 2控制系统参数的选择及依据 8 2 1影响反应过程的因素 温度低于350 几乎不生成丙烯腈过高 合成物深度氧化 生成较多CO2 持续长时间高温 缩短催化剂寿命实际生产 温度控制在460 左右 丙烯腈收率取得最大值 2控制系统参数的选择及依据 9 2 2设计参数的选择 被控变量 流化床反应器的温度 物料流量必须保持在一定的范围内对产品的质量 收率 有很强的影响反应器内的温度扰动很大一部分来自物料温度和流量的扰动 串级控制 流量为副参数 温度为主参数操纵变量 三种物料的流量对于被控变量有较大影响能快速影响被控变量的输入能直接影响被控变量被测变量 温度 三种物料的流量温度测点 浓相区底部两个区各设5个测点 2控制系统参数的选择及依据 10 3 1控制系统方框图 3控制系统设计 注 假设物料温度 压力不变 11 丙烯流量 质量浓度99 5 以上 年工作日 330天 回收率98 年产一万吨 则丙烯腈原料液的流量应该为1294 8kg h 丙烯腈物质的量流量为24kmol h 可大致取丙烯流量为26kmol h 氨比 1 15 1空比 10 5 1反应温度 460 左右 3 2工况设定 3控制系统设计 12 变送器 测量原件将参数检测出来之后 由变送装置把测量元件的信号转化成一定的标准信号 如4 20mAZ直流电流温度变送器即变送温度信号的装置 温度传感器 变送器 一体化温度变送器 3 3 1温度变送器选型 3控制系统设计 13 一体化温度变送器特点超小型通用性强二线制4 20mADC输出抗干扰能力强测量精度高长期稳定性好温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺适于恶劣和危险场所一体化设计结构简单合理采用热电偶温变可免用补偿导线降低成本液晶 数码管多种功能方便现场适时监控现场环境温度 70 时 变送器和现场显示仪表可采用分离 隔离 式安装防爆等级 dIIBT4 dIIBT5防护等级 IP54 3 3 1温度变送器选型 3控制系统设计 14 3 3 1温度变送器选型 3控制系统设计 15 温度 400 500 选分度号E的镍铬 铜铬热电偶 最终选定型号为 SK SBWREY240BKF镍铬 铜铬热电偶液晶显示固定螺纹防爆式铠装元件防腐型SK SBW一体化温度变送器 3控制系统设计 16 3 3 2PID调节器选型 3控制系统设计 调节器 调节器与各类传感器 变送器配合使用 实现对温度 压力 液位 容量 力等物理量的测量显示 并配合各种执行器对电加热设备和电磁 电动 气动阀门进行PID调节和控制 报警控制 数据采集 记录 接受变送器信号 发送给执行器信号 PID调节器 对信号进行函数转换 17 江苏苏科仪表有限公司生产的SK 808 900系列中的智能调节器 3 3 2PID调节器选型 3控制系统设计 18 主要技术指标 基本误差 0 5 FS或0 2 FS 1个字分辨力 1 20000 14位A D转换器显示方式 双排四位LED数码管显示采样周期 0 5S报警输出 二限报警 报警方式为测量值上限 下限及偏差报警 继电器输出触点容量AC220V 3A控制输出 继电器触点输出 固态继电器脉冲电压输出 DC12V 30mA 单相 三相可控硅过零触发 单相 三相可控硅移相触发 模拟量4 20mA 0 10mA 1 5V 0 5V控制输出通讯输出 接口方式 隔离串行双向通讯接口RS485 RS422 RS232 Modem波特率 300 9600bps内部自由设定馈电输出 DC24V 30mA电源 开关电源85 265VAC功耗4W以下 3控制系统设计 19 3控制系统设计 3 3 2PID调节器选型 选型表 20 根据以上表 结合变送器的输出方式及执行器的输入方式 我们选择C B1 X1 R V24 W Cu50代码组合的调节器 输入类型表 3 3 2PID调节器选型 3控制系统设计 21 3 3 3流量计选型 3控制系统设计 部分流量计的比较如下图所示 22 3 3 3流量计选型 3控制系统设计 部分流量计的比较如下图所示 23 3 3 3流量计选型 3控制系统设计 流量计的比较如上图所示 可选择均速管 转子流量计 靶式流量计 涡轮流量计 超声波流量计等 综合考虑测量精度 成本控制等因素 选择气体涡轮流量计 如图 24 气体涡轮流量计部分参数公称口径 管道式 DN4 DN200插入式 DN100 DN2000精度等级 管道式 0 5级 1 0级插入式 1 5级 2 5级 高精度的可达0 2级环境温度 20 50 介质温度 测量液体 20 120 测量气体 20 80 大气压力 86KPa 106KPa公称压力 1 6Mpa 2 5Mpa 6 4Mpa 25Mpa使用时根据管道公称直径等因素进行口径选择 3 3 3流量计选型 3控制系统设计 25 由于预设的流量较大 阀前后压差较大 选择高精度电动单座调节阀 该调节阀压降损失小 输出力稳定 响应迅速 流量系数大 流量特性精度高 调节范围广 以下图所示的上海某公司生产的系列产品为例 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 26 高精度电动单座调节阀 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 27 高精度电动单座调节阀 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 28 流量系数的计算为使调节过程平稳缓和 选用等百分比流量特性 此时只要阀杆行程变化相同 所引起的流量变化的相对值总是相等的 介质为气体 粗取P1 25bar P2 10bar 可得丙烯和氨气的流量系数为2 23和3 14 空气流量系数为37 07 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 29 调节阀口径的选择所以 依据流量系数范围 对于丙烯和氨 选调节阀口径为DN25 配用执行机构为381LS XA 20 正常工作时阀门开度为27 9 和39 3 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 30 调节阀口径的选择对于空气 选调节阀口径为DN65 配用执行机构为381LS XA 50 正常工作时阀门开度为74 1 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 31 执行机构参数 3 3 4调节阀选型 3控制系统设计 32 4 1Simulink仿真 4控制系统仿真及性能评价 33 4 1Simulink仿真 4控制系统仿真及性能评价 PID参数整定副回路临界比例法比值控制主回路 34 4 1Simulink仿真 4控制系统仿真及性能评价 PID参数整定原则先P后I后D增大P 加快响应 减少静差 较大超调 稳定性降低增大I 减少超调 减少振荡 静差时间延长增大D 加快响应 减少超调 稳定性增加 35 4 2性能评价 4控制系统仿真及性能评价 36 4 2性能评价 4控制系统仿真及性能评价 超调量 0 35调节时间 5 7稳态误差 0满足要求 37 5总结 本次任务 我们设计了对丙烯腈流化床反应器温度细调的控制系统 把三种物料的进料流量作为副参数 反应器的温度作为主参数 在流量受到扰动时副回路及比值控制回路可迅速反应 稳定三种物料流量 以减少可能造成的温度波动 从而有效保证了反应的进行 优点 应用串级调节 流量受干扰发生变化时 在主变量温度尚未产生明显变化前 副回路就已操纵调节阀动作 使流量的波动减少 从而使副回路干扰对温度的影响减小副回