过程控制工程方案设计题.docx
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过程控制工程方案设计题.docx
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过程控制工程方案设计题
1.考虑如题图1所示的系统,希望将质量分数为50%的NaOH溶液稀释为30%。
NaOH控制阀受其它控制器(未在图中展示)控制。
由于50%NaOH溶液的流量变化频繁,希望设计一个比值控制方案,通过控制稀释水的流量以达到稀释要求。
50%NaOH溶液的标称流量(即设计值)为100kg/hr。
假设选用的两个流量变送器为质量流量计,其输出信号与质量流量成线性比例关系。
50%NaOH溶液的变送器量程为0到200kg/hr,水的变送器量程为0到160kg/hr。
请详细描述其比值控制方案,并计算控制系统所涉及的比值系数。
题图1混合过程
2.考虑如题图2所示的制氢反应器。
同锅炉一样,该反应器需要通过燃料和空气进行燃烧才能提供反应所需要的能量(为简单起见,温度控制系统并未全部在图中画出)。
甲烷和水蒸气反应产生氢气,反应方程为
该反应发生在反应器的内部管道中,管道内填充着反应所需的催化剂。
为避免催化剂结焦,保证反应混合物中水蒸气富余十分重要。
如果碳沉积在催化剂表面,将会使催化剂中毒。
通过保证输入混合物中水蒸气富余,就可以避免此种现象。
然而,过多的水蒸气又会引起能量消耗过大。
工程部门估算,应当保证的最佳甲烷-水比为R1(质量比)。
请设计一套控制方案,可使实际比例维持在最佳比例;并且在生产过程中,无论产量增加或减少,都要保证反应混合物中水蒸气富余(即高于最佳比例)。
注意:
甲烷需求量由另外专门的信号控制。
题图2制氢反应器
3.氯化反应用于对废水处理厂的最终排放物进行消毒处理。
环保部门要求废水中维持一定的氯含量剩余。
为了达到这个要求,通常在接触池的开始位置,测量废水中的游离氯离子的残余量,如题图3所示。
通常在过滤器的流出物中,加入次氯酸钠水溶液来控制接触池中游离氯离子的残余量。
废水厂有两个平行的过滤水流,它们将在氯接触池中混合。
根据池中的游离氯离子的残余量分别向两个水流中加入次氯酸钠。
a)设计一套控制方案,来控制接触池开始处的氯离子的残余量。
b)由于接触池中将会发生一系列的反应,氯离子真实残余量并不等于进入接触池的氯离子含量。
环保局对氯离子真实残余量很感兴趣。
因此,在接触池的出口处安装了第二台分析器。
请设计一套控制方案来控制流出物中的氯离子残余量。
题图3污水氯接触池
4.考虑如题图4所示的混合池。
三种原料以一个确定的比例注入水箱之中形成一种混合液,供后续过程使用。
对于某一种配方,要求最终混合物包含50%质量分数的A、30%质量分数的B以及20%质量分数的C。
根据需求量的不同,后续过程将提供泵的转速控制信号。
试设计一个控制方案用以控制水箱液位,并且同时保证正确的配方要求。
题图4
5.考虑如下图所示的裂解炉,它由两部分组成,但有一个共同的烟道。
在每一个部分中都在发生轻烃(碳氢化合物)和水蒸气的裂化反应。
该装置通过控制进入到每一部分的燃料来控制裂解产品的温度,通过控制安装在烟道上的排风扇的转速来控制炉内压力。
风扇可以引导燃气排出烟囱。
当炉内压力增加时,压力控制器就会增加风扇速度来降低压力。
a)设计一个比值控制方案,以使每一部分都能根据轻烃流量按比例控制水蒸气的流量。
操作员只需要设定轻烃的流量。
b)在过去几周的运行中,操作人员注意到压力控制器的输出总是100%。
这表明控制器PC57在尽最大可能来保证压力控制。
然而,这并不是理想状态。
这表明压力超出了可控范围。
因此,必须设计一种控制方案。
当该控制器的输出大于90%时,轻烃流量就需要减少来维持压力控制器输出稳定在90%。
当轻烃流量减少时,用来保持出口温度的燃料需求量也会减少,这样会降低烟道压力,使得压力控制器降低风扇速度。
当控制器的输出少于90%时,轻烃的输入流量就为操作人员的设定量。
由于左边锅炉的效率没有右边的高。
因此,减少轻烃流量的正确策略为首先将左侧的输入量减少到35%;如果还需要继续减少,再对右侧的输入进行减少,直到减少至35%(如果还需要继续减少,一个连锁系统将会关闭裂解炉)。
请设计一个控制方案,以保证压力控制器的输出低于90%。
题图5裂解反应器
6.考虑如题图6所示的过程,污泥被送入储液槽T3,然后通过污泥泵被注入到两个过滤器中。
该装置通过控制出口流量来控制储液槽液位,要求进入两个过滤器的流量必须符合以下比例,
图中显示的两个流量变送器和控制阀不可以从现有位置移动,也不可以添加其他仪器。
试设计一个控制方案,在可以保证流量比例的同时,控制储槽液位。
题图6
7.考虑如题图7所示的加热炉,它使用两种不同的燃料来控制工艺介质的炉出口温度,一种燃料是废气,另外一种燃料是燃油。
由于废气是免费的,所以要尽可能多地使用。
然而,环境保护条例规定废气的使用量不得超过燃烧油的1/4。
废气的热值为HVwg,燃油的热值为HVoil。
空气/废气的比值为Rwg,空气/燃油的比值为Roil。
a)设计一套完整的双交叉控制方案来控制工艺介质的炉出口温度。
b)假设废气的热值随着成分的变化会发生显著的变化。
在线测量废气的热值非常困难,然而,实验分析表明气体热值和密度之间存在明确的相关性。
假设已安装了一台密度计可以测量密度,因此可测量热值HVwg。
试完善上述控制方案以考虑热值HVwg的变化。
c)从安全角度考虑,必须设计出一种控制方案,当燃烧火焰熄灭时或废气和燃油停止供应时,要求空气阀全开。
假设有一个火焰检测器用于此设计,当有火焰的时候,其输出量为20mA;而当火焰熄灭的时候,其输出为4mA。
请在上述基础上进一步完善控制方案。
题图7
8.某一油料过滤系统如题图8所示。
待过滤油料首先进入一总管,为安全起见,总管压力通过调节进油阀门得到有效控制。
总管中的油料随后被分配到四个过滤器。
类似于热交换器,过滤器也由外壳与内部导管组成,其中内部导管的上端面封闭,下端面开放;而外壳的上端面开放,下端面封闭。
内部导管管壁为过滤网,待过滤油料先进入壳程,其中液体经过滤网过滤后进入内部导管,再内部导管流出。
随着时间的推移,过滤网上将不断产生胶质。
为使油料中的液体通过,需要逐步提高壳程压力。
但如果压力提高过大,则过滤器墙壁就会崩塌。
因此,当达到某一临界值时,过滤器就需要被取下进行清理。
在正常情况下,3个过滤器就可以处理所有的油料。
a)设计一套控制系统,以维持通过系统的总油量不变。
b)完善补充上述控制系统,以满足:
(1)如果进入某一个过滤器的油料压力超过一个事先设定值,那么就开始减少进入此过滤器油量;
(2)一旦某一过滤器进料阀门达到10%的开度,联锁系统就会自动关闭此过滤器,等待清理。
与此同时,通过系统的总油量要保持不变。
题图8
9.考虑如题图9所示的精馏塔底部,有两个物料流出,一个由用户控制以满足自身需求,另一个用以保持塔底液位。
在一些情况下,当液位下降到一定程度时,液位控制阀将全关;此时,液位将失去控制。
如果塔底液位下降到低于0.5m,这将很难保证有足够的流量通过再沸器为精馏塔提供上升蒸汽,这对精馏塔操作将是灾难性的。
试设计一种控制方案,以避免上述情况的发生。
题图9
10.考虑如题图10所示的过程,该过程通过A和B的反应制造产品E。
反应器出料包括E和其他一些未反应物(主要成分为原料A),简称为液体C;然后采用分离器将E和C分开。
液体C被送入精馏塔T-104,并从底部反馈至反应器。
向反应器加入的物料B的量取决于A的量以及C反馈至反应器中的回流量。
对于新鲜进料A,要求物料B的量满足给定比例为R1=B/A;而对于回流进料C,要求物料B的量满足给定比例为R2=B/C。
假设所有的流量计均为质量流量计。
试设计一个控制方案,以控制进入反应器的总流量T,并满足上述比值要求。
题图10
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