流化床反应器温度串控制系统设计.doc

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1、中北大学课程设计说明书目录第一章流化床的工作原理21.1流化现象21.2流化床的种类与结构21.3流化床反应器的特性3第二章流化床的一般控制方法4第三章丙烯腈温度串级控制系统的设计63.1控制系统方框图63.2仪表的选型及参数的确定63.2.1温度的测量6第四章控制系统的仿真124.1各个环节传递函数及各个参数的确定124.2控制系统的simulink仿真134.4温度串级控制与单回路控制的比较14第五章课程设计总结17第六章结束语1818中北大学课程设计说明书第一章流化床的工作原理流化床反应器是气相反应常用的一种反应器。当反应气体通过反应器时，催化剂颗粒受到气流的作用悬浮起来，

2、在反应器内作剧烈的翻滚、流动，整个系统与流动的或沸腾的液体很相像，所以称流化床或沸腾床。它既具有化学反应器的共同点，又具有自身的特点。1.1流化现象对于固定床反应器，因为催化剂是固定的。流体实际上只能在催化剂颗粒间的孔隙内穿流，不但催化剂的表面反应受到限制，降低了催化剂利用率。而且，床层的温度分布不均匀，不能保证各部分都在最适宜的温度条件下进行化学反应。如果减少颗粒大小，增加气流温度，且让气流由下自上通过，当气流速度达到某一值以后，催化剂在床内处于气流的湍动状态，大大增加了催化剂和气流的接触面积，既增加了催化剂的利用率，又改善了温度分布，这种固体在气流作用下产生像流体一样流动状态

3、称流化态。1.2流化床的种类与结构为了保证流化和一定反应温度以及回收催化剂等原因，使流化床结构不同于固定床。1.2.1流化床的种类大体上可以分为单器和双器；单层和多层；圆柱床和圆锥床；自由床和限制床等几类。1.2.2流化床反应器的结构为适应流化状态、传热和催化剂回收等作用，流化床结构一般都由壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置和固体颗粒加卸载装置等组成。1.3流化床反应器的特性1.3.1流化床内温度分布比较均匀18中北大学课程设计说明书在流化床内固体颗粒成湍动状态。因此，带来两个重要结果：传热系数大，床内温度均匀。流化床内由于颗粒的湍动，颗粒之间碰撞机会多，所以固

4、体颗粒之间传热很快，而固体主要又是悬浮状态，所以传热面积很大，大大增加了气体和固体之间的传热速率，另外，还由于固体颗粒不断与换热器壁相碰撞，使得床层与换热器的传热系数也大大增加。高的传热系数，不仅导致热量容易移去，而且使得床层内温度均匀，不论是径向还是轴向温度基本上一致。1.3.2反应物料流速的影响反应物料流速变化给反应器带来两个方面的问题，一是对反应放出的热量的影响，另一是对传热系数的影响。1.3.3关于传热系数K的问题反应物料从底部经分布板进入反应器的浓相区，有序固体颗粒催化剂激烈湍动，反应物料与催化剂表面迅速接触，反应发部分在这很快完成，并放出大量的热。随着气流上升，进入稀

5、相区，反应缓和，放出的热量减少。而流化床传热系数主要取决于固体颗粒多少和湍动程度。在浓相区，固体颗粒多，所以传热系数也大，热量容易移走。在稀相区，固体颗粒大为减少，接近于气管传热情况，所以传热系数小，传热效果也差。因此，虽然整个床层温度比较均匀，传热推动力差不多，由于传热系数相差很大，它们热量主要在浓相区移去。因而浓相区的换热器担负主要冷却作用。它的冷却情况变化对流化床反应温度的影响远比稀相区换热器影响大。18中北大学课程设计说明书第一章流化床的一般控制方法根据以上分析，显而易见，对单器流化床的基本控制方法是流化床浓相区温度为被调参数，调节手段为下列管换热器进水量和稳定反应物料流

6、量。在冷水流量变化较大情况下，应该用反应温度与冷却水流量串级调节，因为，对流化床下部列管换热器来说，冷却剂流量、温度等变化，对反应影响极大。对中、上部列管换热器，由于对反应影响小，冷却剂有些扰动影响不大。图1流化床控制流程图本课程设计以丙烯腈流化床的温度自动控制为例，说明流化床温度串级控制的设计方法。图2丙烯腈反应流化床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，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。18中北大学课程设计说明书反应温度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一个重要工艺参数，流化

7、床工作的好坏，可以明显地从反应温度上表现出来，当反应状况良好时，反应温度易于控制。另外反应温度对丙烯腈及副产品乙腈、氢氰酸的单程收率有一定的影响。图3反应温度对吸收率的影响如图所示，反应温度高，丙烯腈单程收率高、副产少。但当反应温度过高时，合成物易深度氧化，生成较多的CO2，温度难以控制；另外，若持续长时间的高温，还会缩短催化剂的寿命。生产中，实际温度控制在450℃左右。对丙烯腈流化床温度的控制方法就选择上述的对冷却剂流量的串级控制。18中北大学课程设计说明书第三章丙烯腈温度串级