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《氯乙酸间歇生产过程中结晶工序控制方案的建模分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第25卷第1期南昌大学学报(工科版)Vol.25No.12003年3月JournalofNanchangUniversity(Engineering&Technology)Mar.2003文章编号:1006-0456(2003)01-0026-04氯乙酸间歇生产过程中结晶工序控制方案的建模分析李鸣,杨大勇,李赣平(南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌330029)摘要:针对某厂新建的间歇式氯乙酸生产车间结晶工序所使用的预热水罐,通过简要分析得知其控制回路具有耦合性较大和系统易波动的缺点.本文通过建立数学模型,证
2、明将其更换为体积较大的预热水槽,再对预热水槽水位进行恒值控制,可以达到降低系统耦合度,优化系统设计的目的.关键词:氯乙酸;控制器;数学模型中图法分类号:TQ0562文献标识码:A1前言预热水槽是化工生产过程中常见的设备,有着广泛的用途,尤其在间歇式化工生产过程中,间歇式反应釜的夹套进水温度经常要求控制在一定范围内,因此常使用预热水槽对夹套进水进行预热.某厂新建的间歇式氯乙酸生产线,其结晶釜夹套进水需要进行预热,但是该车间使用的是封闭的、容积较小(约20L)的预热水罐,该预热水罐接有热水管和冷水管,其中热水管
3、调节阀与预热水温度构成预热水温度控制回路,而冷水管调节阀与结晶釜内料液温度则构成了釜内温度控制回路,这种设计方案能保证预热水温度的快速跟随性能,不足之处是造成预热水温度控制回路与结晶釜内温度控制回路耦合性大,且易使系统波动.针对该厂结晶工序控制方案出现的问题,本文拟建议将目前使用的预热水罐换为容积较大的预热水槽以优化系统的控制,为此,有必要对预热水槽进行建模分析,然后在此基础上提出合理的控制方案.2预热水槽的数学模型工业上常用的预热水槽示意图如图1所示.U1和U2分别为热水管和冷水管的调节阀,其中U1用来调节预热水的
4、温度,U2则用来调节槽中水位.预热水经预热后通过调节阀U3送往其它设备(如间歇式反应釜的夹套).设预热水槽的截面积为A,则水位H的动态方程可表示为:dHA=Q1+Q2-Q3(1)dt由于车间使用的是带电气阀门定位器的调节阀,这种类型的调节阀使得输出流量与输入的4~20mA电流信号近似成线性关系,即Q1K1i1,Q2K2i2,又按水力学关系有Q3K3i3H(K1,K2和K3分别为调节阀U1,U2和U3的放大系数),因此(1)式又可写为:dHA=K1i1+K2i2-K3i3H(2)图1预热水槽控制示意图dt在i3
5、视作不变且水位H设为定值(设为h0)的情况下,(2)式可线性化为:收稿日期:2002-03-05作者简介:李鸣,男,1958年生,教授第1期李鸣等:氯乙酸间歇生产过程中结晶工序控制方案的建模分析27dHK3i3A+H=K1i1+K2i2(3)dt2h0至于槽内预热水温度的变化,按热量守恒关系可写出相应的关系式.设槽内各处温度是均匀的,于是:d(CTT)=SWQ1T1+SWQ2T2-SWQ3T(4)dt其中,SW是水的比热容,设为常数;CT则是槽的热容量,它与槽中水位有以下关系:CT=SWAH(5)
6、将(5)式代入(4)式得:d(CTT)dHdT=SWAT-SWAH(6)dtdtdt再将(1)式、(5)式代入(6)式得:dTAH=Q1(T1-T)+Q2(T2-T)(7)dt考虑到调节阀输出流量与输入电流信号的关系,即有:dTAH=K1i1(T1-T)+K2i2(T2-T)(8)dt3控制方案的确立31液位控制从氯乙酸的结晶工序可以得知,结晶过程大致可以分为三个阶段.第一阶段为釜内料液温度大于50,此时结晶还未开始,预热水温度为恒值控制;第二阶段为釜内料液温度低于50,氯乙酸开始大量结晶,并伴随着较
7、强的放热,釜内温度下降缓慢,此时也最容易发生晶体结壁现象,要求把釜内温度与预热水温度的温差严格控制在80.5,预热水温度的控制回路为跟随釜内温度变化的随动控制;第三阶段为釜内温度降到38后,氯乙酸料液结晶已完成,不再需要考虑晶体结壁问题.因而结晶工序控制的关键在第二阶段,其面临两个相互矛盾的问题:缩短结晶工序的时间和防止结晶体结壁.其中,防止结晶体结壁是主要的工艺要求.为此在不发生晶体结壁现象的前提下,如何能加快结晶的速度,工艺人员已摸索出一套规律,需要对温度变化实施严格控制.因此由图1所示,结晶工序的控制系统包
8、含以下控制回路:预热水温度控制回路和结晶釜温度控制回路,同时还要对预热水槽的液位加以控制.以上所得(3)式和(8)式即为预热水槽的液位和温度的数学表达式.从(3)式可知,水位H与温度无关,因而可以按一般的单输入单输出系统进行设计.为此,我们可将i2视作控制量,i1视作扰动量.建模时我们曾将i3视作不变量,实际当i3作微小扰动时,可
