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硝酸生产中氧化炉温度控制系统设计

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2020年5月29日
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课程设计(论文)任务及评语

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课程设计(论 文)题 目
硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计
课程设计(论文)任务
氧化炉是硝酸生产中的关键设备,氨气与空气混合后进入炉内,在铂触媒作用下进行氧化反应氨气氧化生成一氧化氮是一种放热反应过程,工艺要求反应温度为850±5℃。影响温度的主要因素是氨气和空气的比值。当温度受扰动而变化时,均以改变氨量来补偿。试设计硝酸生产中氧化炉温度控制系统。
1.技术要求:
测量范围:0～1000℃
控制温度:850±5℃
最大偏差:10℃;
2.说明书要求:
确定控制方案并绘制原理结构图、方框图;
选择传感器、变送器、控制器、执行器,给出具体型号;
确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式;
若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图;
编写设计说明书。

指导教师评语及成绩

平时: 论文质量: 答辩:

成绩: 指导教师签字:

年 月 日

目 录
第1章 绪论 1
第2章 方案论证 1
2.1 方案选择和论证 1
2.2 总体方案论证 1
第3章 控制系统组成及器件选择 3
3.1 被控参数的选择 3
3.2 传感器、变送器选择 3
3.3 执行器的选择 3
3.4 控制器的选择 4
第4章 总 结 6
参考文献 6

第1章 绪论
在硝酸铵生产过程中,氨氧化炉是关键设备。其工艺流程:氨气和空气混合气体进入氧化炉,在铂金触煤的作用下进行氧化反应,生成所需要的一氧化氮,这是一个多种参数相互制约的复杂过程,工艺控制指标的好坏关系到生产能否稳定运行,生产效益以及设备安全问题。
 氨氧化法制硝酸是硝酸生产中比较普遍的方法,氨气和空气混合气体经静化后,进入氧化炉,在铂金网的作用下,在绝压0．45 MPa,温度850℃的条件下,将氨氧化成一氧化氮气体,影响氧化反应过程的因素有氨的体积分数,压力,氧化率,反应温度,混合气流量,铂网活性等,氧化率是氧化反应的指标,但当前没有有效的检测手段。在一定条件下,氧化率正比于反应温度,而氨气是氧化反应的主要成分,反应的温度取决于气体中氨的体积分数,而氨的体积分数又无法测量,只有氧化炉温度能间接反应出氧化率。为了获得更高的氧化率,氧化炉温度与氨的体积分数均控制在极值,而炉温超到1100℃会烧毁价值昂贵的铂金网,氨的体积分数超过14％会引起恶性爆炸事故毁坏生产设备,必须加设联锁保护系统,氧化炉温度及氨空比是最关键的控制参数,对仪表精度要求极高。因此氨氧化反应对氧化炉内的氨空流量比和炉温的要求非常严格,因此,氨空比与炉温的实时检测与稳定控制是氧化炉控制的关键。

第2章 方案论证
2.1 方案选择和论证
方案一:以炉温为主调参数,氨流量为副调参数,构成串级控制系统。可是此种设计调品质不好,偏差太大,原因是空气控制是开环的,当干扰出现时,由于对象通道太长检测滞后,而不能克服,因此不予采用。
方案二:以炉温为主调节回路,氨空比值为副调节回路,构成变比值控制系统。串级比值调节回路中,当出现直接引起氨气,空气流量变化的干扰时,经过比值系统,能够得到及时克服,以保持炉温不变,对于其它干扰如氨气、温度压力变化,触媒活性变化等引起的炉温变化,可经过主调节器对氨空比值进行修正,以保证炉温恒定。串级比值调节系统,快速而有效地克服各种干扰,可使温度控制精度达到恒定。故采用此种方案。
2.2 总体方案论证
氧化炉中部温度与氨的转化率有一定的对应关系, 选择氧化炉温度作为主控参数的间接指标既经济又合理。氧化炉温度取决于氨空比、混合器中的混合气预热温度、氨的氧化率、负荷等等。显然, 氨空比是控制氧化炉温度的决定性因素。氨空比受气氨、空气的工作压力、温度与含湿量的影响, 根据这些环境因素应进行气氨—空气分子数的动态修正。而保持氧化炉温度的平稳与随氧化炉温度的变化而改变氨空比为最佳变比值。
控制系统结构图如图2.1 所示。
氧化炉
过

滤

器

混

合
FC
÷
FT1
FT2
TT
TC
空气
氨气

图2.1 控制系统结构图

控制系统方框图如图所示: 主控制器
副控制器
调节阀
副对象
主对象
除法器
氨流量测量变送
空气测量变送
温度变送
—
——
图2.2 控制系统方框图

第3章 控制系统组成及器件选择
3.1 被控参数的选择
根据工艺要求选择被控参数,是系统设计中的重要内容。必须根据工艺要求,深入分析工艺过程,找出对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用、而且可直接测量的工艺参数作为被控参数(直接参数),构成过程控制系统。氧化炉温度取决于氨空比、混合器中的混合气预热温度、氨的氧化率、负荷等等。显然, 氨空比是控制氧化炉温度的决定性因素。因此以炉温为主调节回路,氨空比值为副调节回路,构成变比值控制系统。串级比值调节回路中,当出现直接引起氨气,空气流量变化的干扰时,经过比值系统,能够得到及时克服,以保持炉温不变。
3.2 传感器、变送器选择
温度传感器热电偶是工业上最常见的温度检测元件之一。其优点是:测量精度高,因温度传感器热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响,测量范围广。常见的温度传感器热电偶从-50~+1600℃均可边续测量。且构造简单,使用方便。其中,铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等优点,铠装热电偶与装配式热电偶一样,作为测量温度的传感器,一般铠装热电偶和显示仪表、记录仪和电子调节器配套使用,同时,铠装热电偶亦能够作为装配式热电偶的感温元件。铠装热电偶能够直接测量各种生产过程中从0℃～1100℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。
3.3 执行器的选择
执行器的作用是接收控制器送来的控制信号,改变被控介质的流量,从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分,其特性好坏对控制质量的影响是很大的。根据生产过程的特点、被控介质的情况选用气动执行器。从保征过程控制质量来看,在系统设计中,除了选择调节阀的类型外,还应包括下面内容:
(1)口径的选择
调节阀口径的确定依据,有两个基准:一是阀全开时,应至少经过正常流量的1.25倍,这是一个停止阀工作在全开或全关位置的安全系数;二是阀的特性和从经济角度来考虑,希望在正常流量时,阀的开度范围控制在30～70%(直线阀)或30～80%(等百分比阀)。在正常工况下要求调节阀开度处于15～18％之间。因为调节阀口径选得过小,当系统受到较大扰动时,调节阀可能运行在全开时的非线性饱和工作状态,会使系统产生暂时失控;调节阀口径选得过大,系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态,造成流体对阀芯、阀座的严重冲蚀,在不平衡力作用下易产生振荡现象,甚至引起调节阀失灵。
调节阀口径的选择和确定主要依据阀的流通能力即Cv。从调节阀的Cv计算到阀的口径确定,一般需经以下步骤:
1)计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况,决定计算流量的Qmax和Qmin.
2)阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S(阻力系数),再确定计算压差。
3)计算Cv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表,求得Cmax和Cmin. 4)选用Cv。根据Cmax,在所选择的产品系列中选取>Cmax且与其最接近的一级C.
5)调节阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度≯90%,最小计算流量时的开度≮10%。
6)调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比≮10。
7)阀座直径和公称直径的确定。验证合适后,根据C确定。
(2) 气开、气关的确定
确定调节阀气开、气关的原则是当调节器输出信号为零(或气源中断)时应使生产处于安全状态。为保证调节阀出故障时,生产处于安全状态,调节阀选择气开阀。
(3)流量特性的选择
调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与位移(阀门的相对开度)间的关系,理想流量特性主要有直线、等百分比(对数)、抛物线和快开等4种。常见的理想流量特性只有直线、等百分比(对数)、快开三种。调节阀流量特性的选择能够经过理论计算,但所用的方法和方程都很复杂。当前多采用经验准则,具体从下几方面考虑:①从调节系统的调节质量分析并选择;②从工艺配管情况考虑;③从负荷变化情况分析。经过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性,从而达到系统总放大倍数不变的目的。综上所述,系统应采用对数(等百分比)流量特性调节阀。
3.4 控制器的选择
控制器是控制系统的判断、指挥中心。其作用是将被控变量的测量值与给定值相比较,根据比较的结果(偏差)进行一定的数学计算,并将计算结果以一定的信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制。调节系统由电动单元组合DDZ-Ⅲ型仪表组成。
DDZ-Ⅲ型电动单元控制器是模拟式控制器中较为常见的一种,它以来自变送器或转换器的1-5v直流测量信号作为输入信号,与1-5v直流设定信号相比较得到的偏差信号,然后对此信号进行PID运算后,输出1-5v或4-20mA直流控制信号,以实现对工艺变量的控制。
(1)控制规律的选择
在设计过程控制系统时,选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合,使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。因此,应合理正确选择调节器的控制规律。在选择控制规律时,应根据过程特性、负荷变化情况、主要扰动以及对控制质量的要求等不同情况,进行具体分析;同时,还应考虑其经济性与投运方便等。本设计生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三个参数的需要进行调节时,可选用变比值控制方案。 主动量和从动量经检测、变送后送入除法器相除,除法器的输出即为它们的比值,同时又是比值控制器的测量值。系统在稳定工作状态下,主被控变量(即第三参量)稳定,主控制器的输出也稳定不变并和比值控制器信号相等,从物料量控制阀门稳定于某一开度,控制器的比值恒定。当主物料量受到干扰发生波动时,除法器输出要发生改变,从物料控制系统调节从物料控制阀门开度,使从动量也发生变化,保证主物料量和从物料量比值不变。当从物料量受到干扰发生波动时,和单闭环比值控制系统及双闭环比值控制系统一样,调节从物料流量,保证主物料量和从物料量比值不变。当主被控对象(即第三参量)受到干扰引起被控发生变化时,主控制器的输出将发生变化,也就是改变了比值控制器的设定值,即改变了主、从物料的比值。
变比值控制系统对象特性总有较大的滞后,主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。而副回路是随动回路,允许存在余差。从这个角度来讲,副调节器不需要积分作用,一般只采用P作用。
(2)调节器正、反作用的确定
调节器有正作用和反作用调节器两种。当被控过程的输入量增加(或减小)时,其输出(被控参数)亦增加(或减小),此时称此被控过程为正作用;反之,当被控过程的输入量增加时,其输出却减小,称此过程为反作用。确定调节器正、反作用的次序一般为:首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开、气关形式;然后按被控过程特性,确定其正、反作用;最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用方式。
首先对副回路,为保证调节阀出故障时,生产处于安全状态,调节阀选择气开阀。设干扰使氨气量增加,即调节器测量值大于给定值,为保证系统的副反馈作用,调节器输出必须减小,才能使调节阀开度减小。最终使流经调节阀的氨气流量减小,恢复到给定值。根据以上分析可知为满足调节系统的负反馈作用,调节器的测量值增大,而输出值减小与测量值成反比,因此调节器定为反作用。同理可得,主调节器也为反作用。
第4章 总 结
本设计为硝酸生产中氧化炉温度控制系统的设计。控制系统中采用温度为主参数流量为副参数的串级调节系统。由温度调节器来决定氨气的需要量,而氨气的需要量是由流量调节系统来决定的,即流量调节器的给定值由温度调节器的需要来决定:变还是不变 ,变化多少,朝哪个方向变。因此出现了反应温度信号自动地校正流量调节器给定值的方案,即变比值调节系统。

参考文献
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