丙烯腈流化床反应器控制系统设计

1、丙烯腈生产流化床反应器的控制系统设计By 第2小组报告内容 1 背景介绍背景介绍 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控制系统仿真及性能评价 5 总结总结1.1 丙烯腈生产背景及方法 丙烯腈丙烯腈：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

2、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1.1 丙烯腈生产背景及方法 反应方程式反应方程式：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

3、，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。1.2 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1.2 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2.1 影响反应过程的因素 原料的配比原料的配比 氨比：

4、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，实际采用丙烯与丙烯与氧的摩尔比约氧的摩尔比约为为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2.1 影响反应过程的因素 线速度线速度 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

5、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。2.1 影响反应过程的因素 温度温度 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2.2 设计参数的选择 被控变量被控变量：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 被测变量被测

6、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3.1 控制系统方框图注：假设物料温度、压力不变 丙烯流量丙烯流量：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. 氨比氨比：1.15：1 空比空比：10.5：1 反应温度反应温度：460左右3.2 工况设定 变送器变送器：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

7、温度变送器3.3.1 温度变送器选型 一体化温度变送器一体化温度变送器特点特点 超小型 通用性强 二线制 420mA DC 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3.3.1 温度变送器选型温度：400-500 选分度号分度号E的镍铬的镍铬-铜铬热电偶铜铬热电偶最终选定型

8、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3.3.2 PID调节器选型 调节器调节器：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。接受变送器信号接受变送器信号发送给执行器信号发送给执行器信号PID调节器对信号进行函数转换对信号进行函数转换江苏苏科仪表有限公司生产的SK808/900系列中的智能调节器3.3.2 PID调节器选型主要技术指标：基本误差：基本误差：0.5F

9、S或或 0.2FS1个字个字分分 辨辨 力：力：1/20000、14位位A/D转换器转换器显示方式：双排四位显示方式：双排四位LED数码管显示数码管显示采样周期：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器输出触点容量 AC220V/3A控制输出：继电器触点输出控制输出：继电器触点输出固态继电器脉冲电压输出（固态继电器脉冲电压输出（DC12V/30mA）单相单相/三相可控硅过零触发三相可控硅过零触发单相单相/三相可控硅移相触发三相可控硅移相触发模拟量模拟量420mA、010mA、1

10、5V、05V 控制输出控制输出通讯输出：接口方式通讯输出：接口方式-隔离串行双向通讯接口隔离串行双向通讯接口RS485/RS422/RS232/Modem波特率波特率-3009600bps内部自由设定内部自由设定馈电输出：馈电输出：DC24V/30mA电电 源：开关电源源：开关电源 85265VAC 功耗功耗4W以下以下3.3.2 PID调节器选型代码说明SK-808/900 智能PID调节仪外型尺寸A 横式16080125mmA/S 竖式80160125mmB 方式9696110 mmC 横式9648110 mmC/S 竖式4896110 mmD 方式7272110 mm报警输出B B1-1

11、个报警点，B2-2个报警点控制输出N 无控制输出L 继电器控制输出G 固态继电器输出K1 单相可控硅过零触发K2 三相可控硅过零触发K3 单相可控硅移相触发K4 三相可控硅移相触发X1 4-20mA输出X2 0-10mA输出X3 1-5V输出X4 0-5V输出通讯输出P 微型打印机R 串行通讯RS232S 串行通讯RS485变送器配电电源 无馈电输出V12 带DC12V馈电输出V24 带DC24V馈电输出供电电源 220VAC供电W DC24V供电输入信号Sn 见输入信号类型表选型表：选型表：参数提示符输入信号内容参数提示符输入信号内容tc-KK型rtd0-400tc-SS型1000Pt100

12、0tc-EE型bA1BA1tc-bB型bA2BA2tc-tT型0-500-50mAtc-nN型0-5V0-5Vtc-jJ型1-5V1-5VP100Pt1000-200-20mAC100Cu1000-100-10mACu50Cu504-204-20mA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：输入类型表：3.3.2 PID调节器选型3.3.3 流量计选型部分部分流量计流量计的比较的比较如如下下图图所所示示：差流压 量 式计节流式孔板液、气、蒸汽50100012需直管段，压损大喷嘴50500需直管段，压损中等文

13、丘里管1001200需直管段，压损小均速管液、气、蒸汽2590001需直管段，压损小转子流量计液、气41502垂直安装靶式流量计液、气、蒸汽1520014需直管段，容 流 积量式计椭园齿轮流量计液104000.20.5无直管段要求，需装过滤器，压损中等3.3.3 流量计选型部分部分流量计的比较如流量计的比较如下下图所示图所示：速流度量式计涡轮流量计液、气4600 0 . 1 0.5需直管段，装过滤器涡街流量计液、气15010000.51需直管段电磁流量计导电液体62000 0 . 5 1.5直 管 段 要求 不 高 ，无压损超声波流量计液、气101需直管段，无压损3.3.3 流量计选型 流量计

14、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气体涡轮流量计，如图： 气体涡轮流量计部分参数 公称口径：管道式：DN4DN200 插入式：DN100DN2000 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：-2050 介质温度：测量液体：-20120 测量气体： -2080 大气压力：86KPa106KPa 公称压力：1.6 Mpa 、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根据管道公称直径等因素进行口径选择

15、。3.3.3 流量计选型 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 高精度电动单座调节阀高精度电动单座调节阀3.3.4 调节阀选型 高精度电动单座调节阀高精度电动单座调节阀3.3.4 调节阀选型 流量系数的计算流量系数的计算 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

16、，空气流量系数为37.07。3.3.4 调节阀选型 调节阀口径的调节阀口径的选择选择所以，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381 LS/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 调节阀口径的调节阀口径的选择选择对于空气，选调节阀口径为DN65，配用执行机构为381 LS/XA-50，正常工作时阀门开度为74.1%。3.3.4 调节阀选型 执行机构执行机构参数参数3.3.4 调节阀选型4.1 Simulink 仿真4.1 Simulink 仿真 PID参数整定 副回路临界比例法 比值控制 主回路4.1 Simulink 仿真 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4.2 性能评价4.2 性能评价 超调量：0.35调节时间（5%）：7稳态误差：0满足要求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