硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）題目硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì){論文1任務(wù)氧化爐是硝酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，氨氣與空氣混合后進(jìn)入爐內(nèi)，在鉑觸媒作用下進(jìn)行氧化反應(yīng)氨氣氧化生成一氧化氮是一種放熱反應(yīng)過(guò)程，工藝要求反應(yīng)溫度為850±5°C。影響溫度的要緊因素是氨氣與空氣的比值。當(dāng)溫度受擾動(dòng)而變化時(shí)，均以改變氨量來(lái)補(bǔ)償。試設(shè)計(jì)硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度操縱系統(tǒng)。1?技術(shù)要求：測(cè)量范圍：0?1000C操縱溫度：850±5C最大偏差：10C；2?說(shuō)明書(shū)要求：確定操縱方案并繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖；選擇傳感器、變送器、操縱器、執(zhí)行器，給出具體型號(hào)；確定操縱器的操縱規(guī)律與操縱器正反作用方式；若設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字操縱系統(tǒng)應(yīng)給出系統(tǒng)硬件電氣連接圖及程序流程圖；編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。平常：論文質(zhì)量：答辯：成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年月 日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"第2章方案論證 12.1方案選擇與論證 12.2總體方案論證 1\o"CurrentDocument"第3章操縱系統(tǒng)構(gòu)成及器件選擇 33.1被控參數(shù)的選擇 33.2傳感器、變送器選擇 33.3執(zhí)行器的選擇 33.4操縱器的選擇 4\o"CurrentDocument"第4章總結(jié) 6\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 6第1章緒論在硝酸銨生產(chǎn)過(guò)程中，氨氧化爐是關(guān)鍵設(shè)備。其工藝流程：氨氣與空氣混合氣體進(jìn)入氧化爐，在鉑金觸煤的作用下進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成所需要的一氧化氮，這是一個(gè)多種參數(shù)相互制約的復(fù)雜過(guò)程，工藝操縱指標(biāo)的好壞關(guān)系到生產(chǎn)能否穩(wěn)固運(yùn)行，生產(chǎn)效益與設(shè)備安全問(wèn)題。氨氧化法制硝酸是硝酸生產(chǎn)中比較普遍的方法，氨氣與空氣混合氣體經(jīng)靜化后，進(jìn)入氧化爐，在鉑金網(wǎng)的作用下，在絕壓0.45MPa,溫度850°C的條件下，將氨氧化成一氧化氮?dú)怏w，影響氧化反應(yīng)過(guò)程的因素有氨的體積分?jǐn)?shù)，壓力，氧化率，反應(yīng)溫度，混合氣流量，鉑網(wǎng)活性等，氧化率是氧化反應(yīng)的指標(biāo)，但目前沒(méi)有有效的檢測(cè)手段。在一定條件下，氧化率正比于反應(yīng)溫度，而氨氣是氧化反應(yīng)的要緊成分，反應(yīng)的溫度取決于氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)，而氨的體積分?jǐn)?shù)又無(wú)法測(cè)量，只有氧化爐溫度能間接反應(yīng)出氧化率。為了獲得更高的氧化率，氧化爐溫度與氨的體積分?jǐn)?shù)均操縱在極值，而爐溫超到1100C會(huì)燒毀價(jià)值昂貴的鉑金網(wǎng)，氨的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)14％會(huì)引起惡性爆炸事故毀壞生產(chǎn)設(shè)備，必需加設(shè)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，氧化爐溫度及氨空比是最關(guān)鍵的操縱參數(shù)，對(duì)儀表精度要求極高。因此氨氧化反應(yīng)對(duì)氧化爐內(nèi)的氨空流量比與爐溫的要求非常嚴(yán)格，因此，氨空比與爐溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)與穩(wěn)固操縱是氧化爐操縱的關(guān)鍵。第2章方案論證2.1方案選擇與論證方案一：以爐溫為主調(diào)參數(shù)，氨流量為副調(diào)參數(shù)，構(gòu)成串級(jí)操縱系統(tǒng)。但是此種設(shè)計(jì)調(diào)品質(zhì)不好，偏差太大，原因是空氣操縱是開(kāi)環(huán)的，當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)，由于對(duì)象通道太長(zhǎng)檢測(cè)滯后，而不能克服，因此不予使用。方案二：以爐溫為主調(diào)節(jié)回路，氨空比值為副調(diào)節(jié)回路，構(gòu)成變比值操縱系統(tǒng)。串級(jí)比值調(diào)節(jié)回路中，當(dāng)出現(xiàn)直接引起氨氣，空氣流量變化的干擾時(shí)，通過(guò)比值系統(tǒng)，能夠得到及時(shí)克服，以保持爐溫不變，關(guān)于其他干擾如氨氣、溫度壓力變化，觸媒活性變化等引起的爐溫變化，可通過(guò)主調(diào)節(jié)器對(duì)氨空比值進(jìn)行修正，以保證爐溫恒定。串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，快速而有效地克服各類(lèi)干擾，可使溫度操縱精度達(dá)到恒定。故使用此種方案。2.2總體方案論證氧化爐中部溫度與氨的轉(zhuǎn)化率有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,選擇氧化爐溫度作為主控參數(shù)的間

接指標(biāo)既經(jīng)濟(jì)又合理。氧化爐溫度取決于氨空比、混合器中的混合氣預(yù)熱溫度、氨的氧化率、負(fù)荷等等。顯然,氨空比是操縱氧化爐溫度的決定性因素。氨空比受氣氨、空氣的工作壓力、溫度與含濕量的影響,根據(jù)這些環(huán)境因素應(yīng)進(jìn)行氣氨—空氣分子數(shù)的動(dòng)態(tài)修正。而保持氧化爐溫度的平穩(wěn)與隨氧化爐溫度的變化而改變氨空比為最佳變比值。操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖操縱系統(tǒng)方框圖如圖所示：圖2.2操縱系統(tǒng)方框圖第3章操縱系統(tǒng)構(gòu)成及器件選擇3.1被控參數(shù)的選擇根據(jù)工藝要求選擇被控參數(shù)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。務(wù)必根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過(guò)程，找出對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)等具有決定性作用、同時(shí)可直接測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)（直接參數(shù)），構(gòu)成過(guò)程操縱系統(tǒng)。氧化爐溫度取決于氨空比、混合器中的混合氣預(yù)熱溫度、氨的氧化率、負(fù)荷等等。顯然,氨空比是操縱氧化爐溫度的決定性因素。因此以爐溫為主調(diào)節(jié)回路，氨空比值為副調(diào)節(jié)回路，構(gòu)成變比值操縱系統(tǒng)。串級(jí)比值調(diào)節(jié)回路中，當(dāng)出現(xiàn)直接引起氨氣，空氣流量變化的干擾時(shí)，通過(guò)比值系統(tǒng)，能夠得到及時(shí)克服，以保持爐溫不變。3.2傳感器、變送器選擇溫度傳感器熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高，因溫度傳感器熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，測(cè)量范圍廣。常用的溫度傳感器熱電偶從-50~+1600°C均可邊續(xù)測(cè)量。且構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。其中，鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時(shí)間快與牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)，鎧裝熱電偶與裝配式熱電偶一樣，作為測(cè)量溫度的傳感器，通常鎧裝熱電偶與顯示儀表、記錄儀與電子調(diào)節(jié)器配套使用，同時(shí)，鎧裝熱電偶亦能夠作為裝配式熱電偶的感溫元件。鎧裝熱電偶能夠直接測(cè)量各類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程中從0C?1100C范圍內(nèi)的液體、蒸汽與氣體介質(zhì)與固體表面的溫度。3.3執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的作用是接收操縱器送來(lái)的操縱信號(hào)，改變被控介質(zhì)的流量，從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或者一定的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)閥是過(guò)程操縱系統(tǒng)的一個(gè)重要構(gòu)成部分，其特性好壞對(duì)操縱質(zhì)量的影響是很大的。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)、被控介質(zhì)的情況選用氣動(dòng)執(zhí)行器。從保征過(guò)程操縱質(zhì)量來(lái)看，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了選擇調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型外，還應(yīng)包含下面內(nèi)容：（1）口徑的選擇調(diào)節(jié)閥口徑的確定根據(jù)，有兩個(gè)基準(zhǔn)：一是閥全開(kāi)時(shí)，應(yīng)至少通過(guò)正常流量的1.25倍，這是一個(gè)停止閥工作在全開(kāi)或者全關(guān)位置的安全系數(shù)；二是閥的特性與從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考慮，希望在正常流量時(shí)，閥的開(kāi)度范圍操縱在30?70%（直線閥）或者30?80%（等百分比閥）。在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開(kāi)度處于15?18％之間。由于調(diào)節(jié)閥口徑選得過(guò)小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可能運(yùn)行在全開(kāi)時(shí)的非線性飽與工作狀態(tài)，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生暫時(shí)失控；調(diào)節(jié)閥口徑選得過(guò)大，系統(tǒng)運(yùn)行中閥門(mén)會(huì)經(jīng)常處于小開(kāi)度的工作狀態(tài)，造成流體對(duì)閥芯、閥座的嚴(yán)重沖蝕，在不平衡力作用下易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，甚至引起調(diào)節(jié)閥失靈。調(diào)節(jié)閥口徑的選擇與確定要緊根據(jù)閥的流通能力即Cv。從調(diào)節(jié)閥的Cv計(jì)算到閥的口徑確定，通常需經(jīng)下列步驟:1） 計(jì)算流量的確定?，F(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷及介質(zhì)的狀況，決定計(jì)算流量的Qmax與Qmin.2） 閥前后壓差的確定。根據(jù)已選擇的閥流量特性及系統(tǒng)特點(diǎn)選定S（阻力系數(shù)），再確定計(jì)算壓差。3） 計(jì)算Cv。根據(jù)所調(diào)節(jié)的介質(zhì)選擇合適的計(jì)算公式與圖表，求得Cmax與Cmin.4） 選用Cv。根據(jù)Cmax,在所選擇的產(chǎn)品系列中選取〉Cmax且與其最接近的一級(jí)C.5） 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度驗(yàn)算。通常要求最大計(jì)算流量時(shí)的開(kāi)度才90%，最小計(jì)算流量時(shí)的開(kāi)度《10%。6） 調(diào)節(jié)閥實(shí)際可調(diào)比的驗(yàn)算。通常要求實(shí)際可調(diào)比《10。7） 閥座直徑與公稱直徑的確定。驗(yàn)證合適后，根據(jù)C確定。（2） 氣開(kāi)、氣關(guān)的確定確定調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)的原則是當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)為零（或者氣源中斷）時(shí)應(yīng)使生產(chǎn)處于安全狀態(tài)。為保證調(diào)節(jié)閥出故障時(shí)，生產(chǎn)處于安全狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)閥。（3） 流量特性的選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與位移（閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度）間的關(guān)系，理想流量特性要緊有直線、等百分比（對(duì)數(shù)）、拋物線與快開(kāi)等4種。常用的理想流量特性只有直線、等百分比（對(duì)數(shù)）、快開(kāi)三種。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇能夠通過(guò)理論計(jì)算，但所用的方法與方程都很復(fù)雜。目前多使用經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，具體從下幾方面考慮:①?gòu)恼{(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量分析并選擇;②從工藝配管情況考慮；③從負(fù)荷變化情況分析。通過(guò)選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償被控過(guò)程特性的非線性，從而達(dá)到系統(tǒng)總放大倍數(shù)不變的目的。綜上所述，系統(tǒng)應(yīng)使用對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性調(diào)節(jié)閥。3.4操縱器的選擇操縱器是操縱系統(tǒng)的推斷、指揮中心。其作用是將被控變量的測(cè)量值與給定值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果（偏差）進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)操縱。調(diào)節(jié)系統(tǒng)由電動(dòng)單元組合DDZ-III型儀表構(gòu)成。DDZ-III型電動(dòng)單元操縱器是模擬式操縱器中較為常見(jiàn)的一種，它以來(lái)自變送器或者轉(zhuǎn)換器的1-5v直流測(cè)量信號(hào)作為輸入信號(hào)，與1-5v直流設(shè)定信號(hào)相比較得到的偏差信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出l-5v或者4-20mA直流操縱信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝變量的操縱。（1）操縱規(guī)律的選擇在設(shè)計(jì)過(guò)程操縱系統(tǒng)時(shí)，選擇調(diào)節(jié)器的操縱規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器的特性與操縱過(guò)程的特性能很好配合，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對(duì)操縱質(zhì)量指標(biāo)的要求。因此，應(yīng)合理正確選擇調(diào)節(jié)器的操縱規(guī)律。在選擇操縱規(guī)律時(shí)，應(yīng)根據(jù)過(guò)程特性、負(fù)荷變化情況、要緊擾動(dòng)與對(duì)操縱質(zhì)量的要求等不一致情況，進(jìn)行具體分析；同時(shí)，還應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性與投運(yùn)方便等。本設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求兩種物料流量的比值能靈活地隨第三個(gè)參數(shù)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可選用變比值操縱方案。主動(dòng)量與從動(dòng)量經(jīng)檢測(cè)、變送后送入除法器相除，除法器的輸出即為它們的比值，同時(shí)又是比值操縱器的測(cè)量值。系統(tǒng)在穩(wěn)固工作狀態(tài)下，主被控變量（即第三參量）穩(wěn)固，主操縱器的輸出也穩(wěn)固不變并與比值操縱器信號(hào)相等，從物料量操縱閥門(mén)穩(wěn)固于某一開(kāi)度，操縱器的比值恒定。當(dāng)主物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)，除法器輸出要發(fā)生改變，從物料操縱系統(tǒng)調(diào)節(jié)從物料操縱閥門(mén)開(kāi)度，使從動(dòng)量也發(fā)生變化，保證主物料量與從物料量比值不變。當(dāng)從物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)，與單閉環(huán)比值操縱系統(tǒng)及雙閉環(huán)比值操縱系統(tǒng)一樣，調(diào)節(jié)從物料流量，保證主物料量與從物料量比值不變。當(dāng)主被控對(duì)象（即第三參量）受到干擾引起被控發(fā)生變化時(shí)，主操縱器的輸出將發(fā)生變化，也就是改變了比值操縱器的設(shè)定值，即改變了主、從物料的比值。變比值操縱系統(tǒng)對(duì)象特性總有較大的滯后，主調(diào)節(jié)器使用三作用PID操縱規(guī)律是必要的。而副回路是隨動(dòng)回路，同意存在余差。從這個(gè)角度來(lái)講，副調(diào)節(jié)器不需要積分作用，通常只使用P作用。（2）調(diào)節(jié)器正、反作用的確定調(diào)節(jié)器有正作用與反作用調(diào)節(jié)器兩種。當(dāng)被控過(guò)程的輸入量增加（或者減小）時(shí)，其輸出（被控參數(shù)）亦增加（或者減小），如今稱此被控過(guò)程為正作用；反之，當(dāng)被控過(guò)程的輸入量增加時(shí)，其輸出卻減小，稱此過(guò)程為反作用。確定調(diào)節(jié)器正、反作用的次序通常為：首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；然后按被控過(guò)程特性，確定其正、反作用；最后根據(jù)上述構(gòu)成該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘務(wù)必為正的原則來(lái)確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。首先對(duì)副回路，為保證調(diào)節(jié)閥出故障時(shí)，生產(chǎn)處于安全狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)閥。設(shè)干擾使氨氣量增加，即調(diào)節(jié)器測(cè)量值大于給定值，為保證系統(tǒng)的副反饋?zhàn)饔?，調(diào)節(jié)器輸出務(wù)必減小，才能使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。最終使流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氨氣流量減小，恢復(fù)到給定值。根據(jù)以上分析可知為滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，調(diào)節(jié)器的測(cè)量值增大，而輸出值減小與測(cè)量值成反比，因此調(diào)節(jié)器定為反作用。同理可得，主調(diào)節(jié)器也為反作用。第4章總結(jié)本設(shè)計(jì)為硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。操縱系統(tǒng)中使用溫度為主參數(shù)流量為副參數(shù)的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由溫度調(diào)節(jié)器來(lái)決定氨氣的需要量，而氨氣的需要量是由流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)決定的，即流量調(diào)節(jié)器的給定值由溫度調(diào)節(jié)器的需要來(lái)決定：變還是不變，變化多少，朝哪個(gè)方向變。因此出現(xiàn)了反應(yīng)溫度信號(hào)自動(dòng)地校正流量調(diào)節(jié)器給定值的方案，即變比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)陳五平.無(wú)機(jī)化工工藝學(xué)（上冊(cè)）