《化工过程控制课程设计报告》

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起止日期：20##年12月18日～20##年12月23日

目  录

1.课程设计目的... 2

2.课程设计题目和要求... 2

3.设计内容... 2

4.设计总结... 9

参考书目... 9

1.课程设计目的

通过本课程设计，让学生进一步熟悉吸收塔液位控制系统方法及应用，将学到的东西与实践相结合。培养学生综合运用本门课程及有关课程的基本知识去解决某一实际问题，加深对该课程知识的理解。锻炼学生独立思考问题的能力和查看资料来解决问题的能力。

2.课程设计题目和要求   

本次课程设计设计的吸收塔和解吸塔的液位流量均匀控制系统。整个装置根据分程控制系统的具体被控对象和控制要求独立设计分程控制系统控制方案。掌握分程控制系统，完成相应的流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出分程控制系统的原理图和工艺流程图。通过对典型工业生产过程进行分析，并对其中一个参数设计其控制系统。

3.设计内容

3.1吸收塔和解吸塔的控制

吸收是利用液体吸收剂收集或冷凝气流中的某些组分的过程。而解吸过程刚好相反，它是将已吸收的组分从液体中除去或解吸出来。这两个过程可以相互独立地进行，例如从烟道气中吸收二氧化硫，或从“酸水”中解吸硫化氢。而更多的情况是这两个过程联合运行，例如大型氨厂脱碳工序普遍采用联合运行的工艺流程，见图

今以它为例简单的介绍如下：

温度为250℃左右的低变气用水淬冷到露点（178℃），然后进入低变气再沸器，放出大量冷凝热作为再生热源，本身冷却到127℃。喷水淬冷的目的是降低气体进再沸器的温度，减少壳侧热碱液的腐蚀，同时又能提高再沸器的传热效果。这是因为，如果不淬冷，则传热是依靠气体的降温放热。传热系数较小，而淬冷后是冷凝放热，传热系数大。低变气再进液滴的分离器，分出冷凝水，然后进入吸收塔的底部。

气体在吸收塔内自下而上通过四层填料，与从上流下的热碱逆流接触。气体中CO₂被吸收，部分水蒸汽也同时冷凝，最后气体中还剩余0.1CO₂。出吸收塔的气体再经过一个液滴分离器，除去夹带的溶液，然后将气体送往甲烷加工工序。

吸收塔有两个进液口，从塔中部进入的是半贫液。它来自解吸塔中部，用半贫液泵打入吸收塔，流过下边两层填料。

贫液从解吸塔底部流出经锅炉给水预热器冷却后，用贫液泵送到吸收塔顶，自上而下流过两层填料，再与半贫液汇合。

吸收塔底的富液流出，利用自身压力送到解吸塔顶。由于吸收塔压力很高，所以富液可用来驱动一台水力透平回收能量。这台水力透平带动三台半贫液泵中的一台，其余两台由蒸汽透平来带动。水力透平设有旁路阀，在开停车或事故时富液不经过水力透平而直接送往解吸塔。

富液经过水力透平减压，在解吸塔顶就闪蒸出一些CO₂。液体从上而下流经填料层，与从下而上的热气体（水蒸汽和CO₂混合物）逆流接触。气液间互相换热和传质，液体温度不断上升，溶解的CO₂不断放出。只经过两层填料的半贫液从解吸塔中部抽出，用半贫液泵送往吸收塔中部。小部分溶液（约占总量）继续流过最下一层填料，再进一步再生，最后流入变换气再沸器和蒸汽再沸器，加热保持沸腾状态，使溶液中的CO₂脱除到规定的要求，返回解吸塔底部。随后贫液经锅炉给水预热器，被给水所冷却，然后用贫液泵送往吸收塔顶。

解吸出来的CO₂气体从解吸塔顶出去，经冷凝器冷却，并在液滴分离器中分出冷凝水后，送往氨加工车间。

 

                     工艺流程图

3.1.2控制方案的论证与选择

在连续生产过程中，生产设备是紧密联系在一起的，前一设备的出料往往是后一设备的进料，特别是石油化工生产过程中，前后塔器之间操作密切，互相关联，前一精馏塔的出料就是后面塔的进料，为了保证塔器的正常运行，要求进入塔的流量变化平缓，同时要求塔釜液位稳定。如果对前面精馏塔采取液位控制，对后面塔采取流量控制，其调节参数都是塔底出料量，显然，这两个控制系统工作时是有矛盾的，因为当前面塔的液位由于干扰作用而升高时，液位调节器输出信号使调节阀开大，塔底出料量增大（即送入后面塔的进料量增大）。为了保持后面塔进料量的稳定，流量调节器输出信号使流量调节阀关小，这样串联在同一管道上的前后两个流量调节阀动作方向相反，发生矛盾。因此这种不协调的控制方案是不可取的。

为了解决前后两塔供求之间的矛盾，可在两塔之间设置一个中间贮槽，这样既满足了前面塔液位调节的要求，又缓冲了后面塔进料量的波动，但增加了设备和投资，而且遇有化合物易于分解或聚合时，不宜在贮槽内贮存时间过长，于是企图设法采用自动调节来模拟中间贮槽的缓冲作用，力图使液位和流量能均匀地变化，组成所谓均匀控制系统。由此可知均匀控制是指控制目的，而不是指控制系统的结构。

均匀控制系统的过渡过程控制质量指标要求服从于控制目的，塔釜液位和塔底出料量之间的动态联系密切，往往两个参数的调节质量都要照顾，只要两个参数在某一范围内作缓慢变化，前后工序维持正常就达到了目的。

据上所述，均匀控制应具有以下特点：

1. 前后两个设备的两个参数都应该是缓慢变化的。当采取液位定值调节时，是通过调节流量的手段达到的，因此要使液位平稳，流量变化就较大，这样就不能满足下一工序平稳进料的要求；如果采取流量定值调节，流量稳定，但前一设备的液位波动就比较大；如果采取均匀控制，就能兼顾液位和流量都在允许范围内缓慢均匀地变化，因此符合均匀控制的目的。

2. 前后互相联系又互相矛盾的两个参数应保持在工艺操作所允许的范围内波动。如塔釜液位过高会造成冲塔现象，液位过低又会使塔釜有流干的危险，而后塔的进料量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量。

3.1.3分程控制系统的设计

根据生产工艺的要求,选择吸收塔底富液液位高度作为被控变量,吸收塔底富液的流量作为操纵变量，并选用分程控制系统对液位进行控制。

具体工作过程如图所示

 

LRC-1工艺流程图

LRC-1分程控制控制系统方框图

3.1.4控制系统硬件选择

(1)控制阀的选择

根据工艺的要求两个控制阀都选气开式，当最大体积流量为,流体密度为，阀前后的压差Δp=0.2MPa，计算得出控制阀的流通能力C为

           (8-1)

从表中查得，，D_g=40mm,d_g=40mm。又根据工艺生产的要求和控制要求，控制阀的流量特性选用理想流量特性中的对数流量特性。

(2) 液位控制器的选择

1控制器正反作用的选择：控制系统中的副流量测量变送器在所测流量升高时，变送器的输出增大，所以相当于正特性。而控制阀为气关阀，所以也是正特性。对于副环来说当流量升高时，副测量变送器的输出增大，即副控制器的输入增大。此时需要控制阀的开度减小液体流量，控制阀接受的控制信号减小，即副控制器的输出减小。所以说在副控制器输入值增大而输出要增大，副控制器应选正作用形式。

控制系统中的主液位测量变送器在所测流量升高时，变送器的输出增大，所以相当于正特性。可以把副环整个看成是正特性。对于主环来说被控对象是减小流量。要想控制系统稳定，系统开环放大倍数小于零，即主变送器、主控制器、被控对象、副环整体的放大倍数的乘积为负值。所以主控制器应选反作用形式才能保证系统开环放大倍数为负^[2]。

2控制器控制规律的选择：最基本的控制规律有三种，比例P、积分I、微分D。比例P控制及时但是有余差，适用于控制精度不高的场合。积分I控制不及时但可消除余差，使用语控制精度高、滞后小的场合。微分D能实现超前环节，用于系统有滞后的情况。根据实际情况，副环要求控制及时，但温度测量又有较大的滞后，所以副控制器选择比例微分（PD）控制规律。主控制器控制的也是温度对象，所以选择比例积分微分(PID)控制规律。

3.1.7测量变送器的选择

在常用的用于测量流量原件孔板流量计，节流装置结构易于复制，简单、牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。

　　▲孔板计算采用国际标准与加工

　　▲应用范围广，全部单相流皆可测量，部分混相流亦可应用。

　　▲标准型节流装置无须实流校准，即可投用。

　　▲一体型孔板安装更简单，无须引压管，可直接接差压变送器。

　　▲采用进口单晶硅智能差压变送器

　　▲高精度，完善的自诊断功能

　　▲智能孔板流量计其量程可自编程调整。

　　▲可同时显示累计流量、瞬时流量、压力、温度。

　　▲具有在线、动态全补偿功能外，还具有自诊断、自行设定量程。

　　▲配有多种通讯接口

　　▲稳定性高

　　▲量程范围宽、大于10：1

3.1.8控制系统的实际工作过程

液位、流量串级控制系统方块图系统方块图所示

 只有副环有干扰作用时，假设现在系统处于稳态，当有干扰2作用于副流量对象时，使管道中流量增大。使塔内液位升高，那么副回路的副流量测量变送器的输出信号将增大，此输出信号送入副回路的副控制器——副回路控制器TC2，因为副流量控制器TC2为正作用控制器，所以副流量控制器TC2的输出的控制信号也将小。此控制信号作用于控制阀，因为控制阀为气关阀，所以当控制信号曾大时，阀的开度减小，通过阀的流量将减小，塔内液位降低，直至回到塔内液位稳定时所要求的高度。此时副温度控制器TC2的给定值也不变，副温度变送器的输出信号与此给定信号做偏差数值变小。同理当干扰使副回路中塔内液位变大，副流量测量变送器的输出增大，副流量控制器TC2的输出将减小，控制阀的开度关闭，进入塔内流量随之增小，控制液位高度，直到到达稳定时塔内液位的高度。所以当有干扰作用在副环内时能够很快的被消除，在干扰影响到主控变量之前就会被消除，这使得控制器的反应速度大大加快。所以应尽可能的吧干扰包围在副环内，尤其是对  主控变量有很大影响的干扰，这样可以很大程度的提高控制系统的控制品质。

只有主环有干扰作用时，假设现在系统处于稳态，当有干扰1作用于主液位对象时，塔内的液位升高，那么主液位测量变送器的输出将增大，因为主液位控制器TC1为正作用阀，所以其输出控制信号将减小，即副流量控制器TC2的给定值减小了。而副流量控制器TC2的测量值没变，所以测量值与给定值的偏差信号减小，副流量控制器TC2也为正作用，其输出将增大，所以阀的开度减小，塔内的液位减小。

4.设计总结

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．在这次设计过程中，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考书目

1.  孙洪程，魏杰，翁维勤，《过程控制系统及工程》，化学工业出版社，北京，20##年

2.  林德杰，《过程控制仪表及控制系统》，机械工业出版社，北京，20##年

3.  李英顺，《现代检测技术》，中国水利水电出版社，北京，20##年

4．柴诚敬，刘国维，李阿娜，《化工原理课程设计》，天津科学技术出版社，天津，1994年

 

第二篇：过程控制系统课程设计报告

目  录

第一章  概  述... 1

1.1 设计目的... 2

1.2 具体任务... 2

1.3 氧化铝生产的意义... 2

第二章  氧化铝高压溶出工序介绍... 3

2.1 铝工业的国内外现状... 3

2.2 氧化铝生产过程... 4

2.3 高压溶出工序... 9

第三章  氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求... 12

3.1 双程预热器... 12

3.2 溶出器... 12

3.3 自蒸发器... 13

3.4 蒸汽缓冲器... 14

第四章 氧化铝高压溶出工序3#溶出器温度控制系统设计... 16

4.1 方案论证... 16

4.2 硬件设计... 17

4.3 控制算法... 20

4.4 软件设计... 21

第五章 总 结... 24

5.1 方案评价及改进方向... 24

5.2 收获及体会... 24

参考文献... 26

第一章  概  述

现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司的激烈竞争，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代企业安全、优化、低功耗和高效益生产的主要技术手段。

由于工业生产过程各种各样而且非常复杂，工业生产过程可分连续的生产过程和离散的生产过程。因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的生产工业过程，生产出各种各样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程的一部分的工业过程控制系统也在不断发展和提高。在工业生产过程中，通常需要测量和控制变量有：温度、压力、流量、物位（液位）、物质成分和物性（PH值）等。

1.1 设计目的

经过一个学期的过程控制系统课程的学习，对过程控制有了一个基本的了解。然而仅仅在理论方面是远远不够的，需要将所学的应用于实际生产过程中，只有这样才能真正的对过程控制有一个比较深入的认识，为以后的学习和工作打下一个良好的基础。通过这次课程设计，我们可以了解具体生产工业过程控制系统设计的基本步骤和方法。同时也对氧化铝的生产工艺有一个大概的认识，只有弄清楚生产工艺对控制的具体要求，才能去设计一个过程控制系统。

1.2 具体任务

由于氧化铝的生产工序相当复杂，相关的控制系统也很复杂。因此在此次的课程设计中所做的是氧化铝生产中的高压溶出工序，其具体生产设备源自于郑州铝厂。本次课程设计的具体任务是设计氧化铝高压溶出工序中的3#溶出器温度控制系统。3#溶出器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。

1.3 氧化铝生产的意义

铝由于其自身的优良性能，一直以来都是经济发展过程中的重要材料，在国民经济的各个领域得到广泛的应用。近年来，铝产量大幅增长，作为电解铝的原料，氧化铝的供应显得尤为重要，国内氧化铝供应紧张、价格不断攀升。近年以来氧化铝的产量大幅攀升，供应的压力得到一定的缓解，价格也有一定程度的回落。但从长远来看，氧化铝作为资源性产品的供应应该得到重视，我们不仅要增加产量，更重要的是提升氧化铝的质量。从而提高铝产品的质量，满足日益增长的国民经济的需要。要提升氧化铝的质量，除了改进工艺之外，改善控制系统和提高控制精度也至关重要。

第二章  氧化铝高压溶出工序介绍

2.1 铝工业的国内外现状

铝和铝合金是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。铝工业是国家的基础工业之一。高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国家的战略物资。

氧化铝是铝生产的主要原料，2吨氧化铝可以生产1吨铝锭。我国具有丰富的铝土矿资源，迄今，我国已探明铝土矿矿区310处，分布于全国19个省、自治区、直辖市。其中工业储量7.05亿t，占总保有储量的31%。 国内的氧化铝生产从50年代起步，80~90年代得到了快速发展，年生产能力已达到近800万吨。20##年氧化铝年产量约高达1300万吨，较去年同期提高57%，居世界第二位 。

国内氧化铝生产状况，改革开放以来，为适应国民经济发展的需要，国家在铝土矿资源丰富的四省区内大力发展氧化铝工业，规划并建成了山西铝厂，平果铝厂和中州铝厂等氧化铝项目。采用新工艺、新技术和先进设备，加大对已有的山东铝厂、贵州铝厂和郑州铝厂的技术改造，提高产能，形成了六个氧化铝厂为基地的生产布局。为进一步发挥桂西和晋北铝土矿资源优势，国家规划建设华银氧化铝和晋北氧化铝基地，进一步扩大氧化铝产能，使氧化铝基地由六个增加到八个。

国内氧化铝供应紧张、价格不断攀升。据有关数据，20##年1-2月份，我国共生产氧化铝177.6万吨，同比增长44.6％。06年前9个月氧化铝产量为944万吨，较去年同期提高57%。

20##年的国际市场上，虽然铝市呈现供需两旺的局面，但由于占全球铝产量近三分之一的中国铝产量增长过快，铝市短期内出现了供过于求格局。全球金属统计局（WBMS）去年10月中旬表示，20##年1-8月份全球铝市过剩36.8万吨。8月份原铝产量为325.76万吨，消费量为302万吨，去年前8个月原铝需求为2450万吨，较去前年同期增加19.67万吨。同期铝产量增加25.85万吨至2484万吨。全球铝需求的增长赶不上产出的增速。供应增长的压力在库存上得以显现，并成为铝价大幅回落的主要因素。

20##年1-9月我国累计生产原铝890 .1万吨，同比增长37.1%；累计生产铝材839.8万吨，同比增长47.1%。下游消费需求大幅增长的同时，氧化铝供应亦高水平增长。

1-9月我国累计生产氧化铝1439.7万吨，同比增加50.7%。在供需两旺的情况下，供应方面的因素主导了下半年来氧化铝价格的走势。

2.2 氧化铝生产过程

2.2.1生产过程简介

自然界产出的铝矿石有各种类型，同一种类型的铝矿石中各种杂质的含量又各不相同。为了最经济地生产出氧化铝，对不同的铝矿石便需采用不同的生产方法。铝土矿的特点是化学组成和矿物组成多种多样，要采用不同的方法来处理。

铝土矿处理方法和合理的工艺设备的选择取决于许多因素，其中主要的是：a.硅指数，b.原料中硫化物；碳酸盐和有机物的含量；c.铝化合物和硅化合物的矿物组成；d.氧化铁含量。已经提出的氧化铝生产方法可以归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前用于大规模工业生产的只有碱法。

碱法生产氧化铝的实质是将铝转变为铝酸钠进入苛性碱溶液。铝原料中可溶SiO2含量越高，转变为不溶性沉淀的水合铝酸钠就越多。而从原料提取到铝酸钠溶液的氧化铝则越少。铝硅比是评价铝土矿质量和选择其具体处理方法的主要指数。

生产氧化铝的碱式法有四种：拜耳法，烧结法，混联法，选矿拜耳法。拜耳法适合Al/SiO2较高（Al/SiO2〉16）的矿石，其成本较低；烧结法适合Al/SiO2较低（Al/SiO2〈8）的矿石，其成本较高；混联法则适合Al/SiO2适中（大部分矿石的Al/SiO2在12以上，小部分矿石的Al/SiO2在8以下）的矿石，成本也适中；选矿拜耳法适合Al/SiO2为中低的矿石。我国由于矿石成分的原因，适合采用混联法生产氧化铝。

2.2.2 拜耳法

高温和高浓度的铝酸钠溶液处于介稳状态，而在温度和浓度降低的时候则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样的基础上的。

铝土矿所含的一水和三水氧化铝在一定条件下（提高温度和浓度）以铝酸钠的形式进入溶液。在95~100摄氏度时铝酸钠稳定，当降低温度和浓度时它转变为不稳定状态，析出氢氧化铝。

 

图2.1 拜耳法生产流程

按拜耳法制取氢氧化铝的过程：

1、铝土矿的溶出

铝土矿在溶出之前，先在矿山粗碎，然后再冶金混匀、中碎、细碎和湿磨。坚硬的铝土矿在工厂中用2~3级破碎，松软的用1~2级破碎。铝土矿在球磨机中湿磨，磨机与分级机或水利旋流器组成闭路循环。细磨过程在铝酸钠中进行，液固比为0.8~1.0。

大部分循环溶液在其加热溶出之前加入到分级机和搅拌槽中，以制备原矿浆。铝土矿的溶出应该在消耗最小而氧化铝进入溶液的溶出率最高的条件下进行。对于铝土矿的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：温度、循环液的浓度和苛性比、铝土矿的细磨程度、原矿浆的搅拌速度和石灰添加量。

温度是影响溶出过程的主要因素。为了达到目前实践中所允许的速度，三水铝石型铝土矿的溶出过程是在95~100摄氏度进行的，一水软铝石型铝土矿是在150~200摄氏度进行的，一水硬铝石型铝土矿是在230~245摄氏度进行的。

石灰石对一水软硬铝石型铝土矿的溶解速度和程度有十分良好的作用，向过程中添加石灰石对一水铝石型铝土矿的溶出过程有很大的意义。铝土矿中未溶出的氧化铝一般为0.5~5%。

2、赤泥的分离和洗涤

铝土矿溶出后的浆液用赤泥洗涤过程得到的一次洗液稀释至三氧化二铝的浓度为120~150克/升。为了实现铝酸钠的脱硅并保证溶液黏度降低到赤泥分离过程能以工业要求的速度进行，这种稀释过程是必要的。赤泥的分离和洗涤方法和设备流程取决于铝土矿的处理方法。

3、铝酸钠溶液的分解

过滤之后的铝酸钠溶液，在分解前，在换热器中自95~100摄氏度冷却到50~55摄氏度，分解过程持续很长时间（50~60小时）。

4、母液的蒸发

为了使拜耳循环闭路，根据铝土矿溶出条件将母液蒸发到氧化钠浓度为200~300克/升的循环母液。蒸发水量取决于溶出温度和被洗涤的赤泥的物理过程。蒸发过的溶液冷却时，结晶出纯碱，随同析出的还有各种有机物和其他杂质。

5、循环纯碱的苛化

补充的纯碱以及溶液蒸发时析出的棕色纯碱都用石灰乳苛化，以制取苛性碱来补偿拜耳法中的碱损失。为了避免在沉淀中生成难溶的复盐，这个过程是在氧化钠的浓度约为100克/升的溶液中进行的。

6、氢氧化铝的煅烧

最后这道工序的目的是将氢氧化铝在1200~1250摄氏度煅烧使之成为成品氧化铝。

2.2.3 烧结法

所有类型的高硅原料都可以用这种方法处理。烧结法的实质是含铝原料与纯碱、石灰石一同烧结时原料中的硅转变为在碱溶液中难溶的化合物原硅酸钙，而铝和铁转变为铝酸钠和铁酸钠。含铝原料与纯碱、石灰石烧结时，各原始组分的固体粉末之间的化学反应，是在有少量熔体存在下进行的。

图 2.2 烧结法生产流程

其制取氢氧化铝的过程为：

1、生料备制。

2、生料烧结

3、铝酸盐熟料的破碎和溶出。

4、泥渣的分离和洗涤及铝酸钠溶液的脱硅

5、溶液炭化分解，氢氧化铝的分离和洗涤

6、纯碱母液的蒸发

7、石灰石的煅烧和氢氧化铝的煅烧

在处理铝土矿的烧结法中，循环的物料是纯碱而不是拜耳法中的苛性钠，溶液是用炭化方法来分解的。纯碱以蒸发后浓溶液形态返回到生料配制过程。

2.2.4、混联法

1、并联法

在并联法中，大部分铝土矿按拜耳法处理，由烧结法处理的只是少部分。这两部分平行的进行直到成为铝酸钠溶液为止，然后将烧结法的脱硅的铝酸钠溶液与拜耳法部分的溶液 混合，再将混合的溶液加晶种分解。

图2.3 并联法生产流程

并联法的优越性：可以在一个工厂里高硅和低硅两种铝土矿。拜耳法循环中的全部苛性碱损失都用铝土矿烧结时的苛化来补偿，降低了成本。烧结法部分除了实现纯碱的热化苛化，还增产一定量的氧化铝。拜耳法赤泥经洗涤和过滤后，用烧结法回收其中的氧化铝和氧化钠。烧结法除了处理拜耳法赤泥外，尚添加相当数量的低品位的铝土矿。

2、串联法

在串联法中，铝土矿常压溶出或压煮溶出后的高氧化铝和氧化钠赤泥与纯碱和石灰石一同烧结。熟料溶出后的铝酸钠溶液经过脱硅，然后与稀释的拜耳法溶液混合到一起分解。母液蒸发出的棕色纯碱在烧结之前与赤泥、棕色纯碱返料、石灰石和霞石组成的。加入的霞石数量应该保证完全补偿拜耳法中苛性碱损失。

图2.4 串联法生产流程

在烧结过程处理赤泥时，生料的组成应该保证在熟料中得到铝酸钠、原硅酸钙，或是合成铁酸钙。在烧结过程中氧化时催化剂。

串联法适用于处理高硅铝土矿，具有以下优化：有当量的纯碱来补偿苛性碱的损失。原料中总氧化铝回收高。烧结过程的生料流量较烧结法少。

2.2.5 选矿拜耳法

选矿拜耳法生产工艺与烧结法有很大不同，总体上可分为选矿和拜耳法两大部分。选矿部分主要包括磨浮选矿、矿浆调配等工段；拜耳法部分主要包括高压溶出、种子分解、过滤洗涤、焙烧等工段。

2.3 高压溶出工序

高压溶出工序属于拜耳法中的一个环节。它也是混联法生产氧化铝的生产过程中的重要工序。高压溶出的目的就是用苛性钠溶液把铝土矿中的氧化铝溶出来。

 

图2.5 高压溶出生产流程

高压溶出的生产条件为：2.0~2.2 Mpa的高压；245摄氏度的高温。高压溶出的化学反应可以分为两大类：

Ⅰ、氧化铝水合物的溶出反应，这是主反应。

Ⅱ、各种杂质在溶出过程中的化学反应，这是副反应。

为了使高压溶出过程得到良好的效果，必须掌握主副反应的规律。

2、溶出化学反应

在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中Al(OH)3与NaOH发生反应：

用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反应如下：

3、溶出速度

铝土矿溶出属于多相反应，即液体和固体之间的反应，其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。两相接触界面的OH-,由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面层的溶液中的OH-浓度显著降低。

同时，在这一层中的反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-的浓度则接近饱和，于是形成扩散层。OH-通过扩散层不断地向固相（矿粒）表面移动与氧化铝水合物反应，而反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-则不断地通过扩散层向外移动（离开矿粒），使反应能继续进行。

因此，铝土矿的溶出过程可分为下列几步：

(1)、循环母液湿润矿粒表面；

(2)、OH-与氧化铝水合物反应；

(3)、形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2扩散层；

(4)、Al(OH)4-或AlO(OH)2-从扩散层扩散出来，而OH-则从溶液中扩散到固液接触面上。

铝土矿的溶出过程在低温低碱浓度下的溶出速度随温度变化很快，因而在这种情况下的溶出速度是决定于化学反应。在高温高碱浓度下，化学反应速度极快，此时溶出速度随温度变化而变化的幅度较小，因而这时溶出速度决定于扩散。

溶出速度可以用下式表示：

由溶出速度的表达式可得下式：

当矿石一定时，其粘度一定，且P、S均为常数，则从式中可以看出通过控制温度T，可以控制反应速度。并且，通过提高温度来提高溶出反应的速度也是可行的。

第三章  氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求

高压溶出工序的生产设备主要包含四个部分：1、双程预热器，2、溶出器，3、自蒸发器，4、蒸汽缓冲器。它们全部是不同结构的高压罐。

高压溶出工序生产设备的四个部分中，各部分高压罐的级数是由各工厂的实际情况和设计情况来定的。但是，各部分生产设备的功能并不因工厂的不同而不同。在此次的课程设计中所做的高压溶出工序源自于郑州铝厂。因此，在后面介绍高压溶出工序各部分生产设备时，如涉及到具体的量或某高压罐的级数的话，那就是说它是针对于郑州铝厂而言的。

首先对后面将要用到的符号作相应的解释：
        I -----------表示该监测量要显示
        P-----------表示该监测量为压力
        T-----------表示该监测量为温度
        T-----------这个T是紧跟在压力或温度后面的，表示该监测量要传送
        F-----------表示该监测量为流量

3.1 双程预热器

双程预热器有四组双程预热罐。采用高压蒸汽间接加热。其内部是蒸汽管。矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管，由60摄氏度被加热到195摄氏度左右，称为预热。这时，因为矿浆温度低（反应温度为245摄氏度），所以还不能用于生产。

预热器在此次控制系统未作要求。

3.2 溶出器

溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（245摄氏度左右）。溶出器内加热为直接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来了水份，使得矿浆溶液的浓度降低。

溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。

在溶出稳度低到一定值（240摄氏度），则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1摄氏度，则减少矿浆流量0.5%）；

若溶出温度高到一定值（250摄氏度），则控制变频调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高1摄氏度，则增加矿浆流量0.5%），以保证溶出温度的稳定。

矿浆经1?9溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa左右。

溶出器需要监测的量有:1#~9#溶出器的压力PT401~PT409以及就地仪表显示的量PI401~PI409。

在此次控制系统的设计中，设计的是3#溶出器温度控制系统，3#溶出器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。

3.3 自蒸发器

自蒸发器的作用主要是回收热量。它由五个高压罐组成，各级压力逐渐降低，由2.0~2.2Mpa下降到0.2Mpa。在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。 其产生的蒸汽称为乏气。不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆。

 

图3.1 自蒸发器高压罐

为了既充分利用乏汽又保证自蒸发器正常工况，选择自蒸发器压力作为监测量。自蒸发器需要监测的量有：自蒸发器各级的压力PT501~PT505；同时还有就地显示仪表PI501~PI505；需要控制的压力PC ,不能过高亦不能过低。

在此次控制系统的设计中，自蒸发器部分包括Ⅰ#，Ⅱ#，Ⅲ#自蒸发器压力控制三部分。氧化铝高压溶出工序蒸发器压力控制系统分为Ⅰ#~Ⅴ#自蒸发器的分步控制，通过这五步的控制使压力由2.0~2.2Mpa降到0.2Mpa。矿浆由Ⅰ#自蒸发器进入，通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。

给定的矿浆流量值经过调节蒸汽来达到所要求的Ⅰ#自蒸发器的出口压力值。之后矿浆进入到Ⅱ#自蒸发器，经调节最后由Ⅴ#自蒸发器流出，此时压力为所需要的值。

 压力的控制精度应为：+0.1Mpa。自蒸发器的压力控制可以通过控制蒸汽的流量来调节压力的变化，用压力变送器来检测压力并返回控制。

3.4 蒸汽缓冲器

蒸汽缓冲器用于存储高压蒸汽，给1#溶出器和2#溶出器提供加热蒸汽。其高压蒸汽一般为2.4Mpa。它有稳定加热蒸汽压力的作用。在此次控制系统的设计中，蒸汽缓冲器部分包括蒸汽缓冲器压力控制。

为了防止蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为3.15MPa，若蒸汽缓冲器的进出口压力降低了0.05MPa，则给出报警信号。

 

图3.2 蒸汽缓冲器高压罐

蒸汽缓冲器需要监视的量有：TT301和PT301；就地显示的量有：TI301和PI301

蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此处需要监测蒸汽的流量FT101和FT102（此处监测蒸汽流量主要是为了与锅炉房输出的流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。

新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调节。

第四章 氧化铝高压溶出工序3#溶出器温度控制系统设计

4.1 方案论证

溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（245摄氏度左右）。然后矿浆从2#罐流入3#罐进行铝土矿的溶出，在3#溶出器中需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。

控制器采用单片机可以取得比较好的控制效果，。但采用单片机控制软件编程复杂,积木式搭建的硬件可靠性较低。采用小型的模块化PLC控制温度系统，不仅简单方便而且可靠性大大提高。PLC 是一种专门用于工业环境过程控制的数字运算操作的电子系统,是集自动控制、计算机网络、通信等功能于一体的自动化装置,可靠性高、功能完善，具有编程简单、体积小、重量轻等特点。

控制方案采用数字PID控制，根据检测到的温度值和设定值之间的偏差，经过PID运算得到控制输出值控制变频调速装置，以便调节电机转速改变进入高压溶出器的矿浆流量来控制温度保持在设定值。整个温度控制系统的原理如图4.1所示：

图4.1 3#溶出器温度控制系统

该系统主要由控制器PLC、执行器、调节对象3#溶出器、温度传感器等四大环节组成, 构成负反馈闭环系统。

4.2 硬件设计

4.2.1 PLC选型

根据控制工艺的要求、综合输入、输出点以及性价比等综合因素,选择西门子公司的SIMATIC S7-200 作为数据采集、运算、自动操作和回路控制的核心，S7-200是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。S7-200CPU22*系列PLC具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。

S7-200PLC硬件系统由CPU模块、扩展模块、特殊功能模块、编程器和工业软件。CPU模块采用CPU224，它由14输入/10输出，I/O共计24点，可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力。另外同时还选择一块模拟量输入扩展模块EM231，模拟量输入/输出扩展模块EM235。

确定控制系统开关量输入输出信号点数：1、输人信号点数 温度控制系统的启动、停止开关各需点动按钮一个, 此外还需要手动/自动切换按钮一个。因此, 共需开关量输入点3个。2、输出信号点数 指示系统运行和报警的指示灯各1个, 因此, 共需开关量输出点2个。

模拟量输入、输出特殊功能模块：1、模拟量输人模块的选择 与连接本系统使用热电偶来测量溶出器温度, 选用可以与热电偶直接相连而不需要温度变送器的模拟量输人特殊功能模块EM231一块，其包括有4路热电偶输入, 其输入电压为0～24V DC ,经A/ D 转换成数值为:0～1023 ,最大误差≤0.2 %。输入点内部均有一放大器,增益<10～>100倍。2、模拟量输人模块的选择 PLC需要输出4～20mA电流信号给变频器，选取模拟量输入/输出扩展模块EM235，它具有4路模拟量输入/1路模拟量输出，为以后的系统扩展提供方便。

表4.1输入输出地址分配表

其配置图如图4.2所示。

图4.2 PLC与输入、输出设备之间的接线图

4.2.2温度传感器的选型

为了实现对溶出器温度的精确测量, 可采用以下技术措施：

1、选择工业应用最多、适应氧化性气氛、线性度好的K型热电偶，WRN系列K防爆热电偶HT-131允许等级I级，用于测量生产过程中范围在0℃～+1300℃之间的液体、蒸汽、气体介质及固体表面的温度, 以充分保证测量精度。2、为了保证测量结果能充分反映溶出器内的实际情况, 采用适当的测量点数量和位置。3、为了节省昂贵的热电极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射等的影响, 在热电偶和模拟量输入模块EM231之间用补偿导线连接。

4.2.3显示仪表选型

显示仪表用于显示温度的值，以便进行监测。本系统采用XSD多通道数显表进行显示，XSD多通道数显表进行显示可与各类模拟量输出的传感器、变送器配合完成温度、压力、流量和液位等物理量的测量变换和显示。XSD多通道数显表的注意性能指标如下：

输入信号类型，如电压、电流、热电阻、热电偶、电位器、远传压力表等。

对来自传感器、变送器的输入信号具有误差修正和故障检测功能，有效提高系统的测控性能。

最多可有8点报警输出，可选择10种报警方式，报警灵敏度独立设定，防止干扰原因造成误报。

多重保护，隔离设计，抗干扰能力强，可靠性高。

各通道输入信号及量程独立设定，各通道调校、数字滤波独立设定。

精度：优于0.2%FS。

供电：220V AC,24V DC或12V DC。

测控周期：0.2s。

显示范围：-1999～9999。

4.2.4 变频器的选型

以前工业生产中常采用滑差调速、直流调速两种传统的调速方式,这些调速方式已满足不了现代工业生产发展的需要。变频调速控制系统克服了以上两种调速系统的缺点,具有节能、线性调速、保护可靠、维护量小等诸多优点。本系统选用西门子MMV400 变频器, 将此变频器设置为4～20mA的电流控制，由PLC 控制器判断比较用户指令和现场状态反馈后发送4～20mA 电流至变频器的4 - ,2 ,3 + 模拟量输入口,变频器将输入的电流信号转换为对应的频率后输出控制电机,电路如图4.3所示。

图4.3 变频器接线原理图

整个仪表的清单如表4.2所示：

表4.2 仪表清单

4.3 控制算法

由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性,这使系统控制出现误差。为了减小误差提高系统控制精度。我们采用PID控制算法。

比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

模拟PID控制算法为：

                             （4.1）

在数字PID算法中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。

数字PID位置型控制算法为

为了便于计算机实现，必须把式（4.1）变换为差分方程，为此可作如下近似：

                                             （4.2）

                          （4.3）

式中，T为采样周期，k为采样序号。

由式（4.1）、（4.2）、（4.3）可得数字PID位置型控制算式为

              （4.4）

式（4.4）表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)，如阀门的开度，所以被称为数字PID位置型算式。

4.4 软件设计

S7-200PLC采用梯形图编程，其专门有一个PID指令，如图4.4所示。

图4.4 PID 指令

TBL是回路表的起始地址, LOOP是回路的编号,可以是0-7的常数。PID指令有一个能流记忆位, 用该位检测到EN 输入端从0到1正跳时, 指令执行一系列操作, 使PID能实现自动与手动的切换。PID 运算程序流程如图3 所示。

PID 回路有2 个输入量即SP (给定值) 和PV (过程变量)。SP通常是固定值, PV则要经过扩展模块经A/D 转换后得到。SP与PV 是实际值, 由于PLC考虑到系统的通用性, 对不同系统的数字大小、范围与工程单位的区别, 故在PID 运算之前要将他们转换成标准化浮点数, 即转换为0.0～1.0之间的标准化实数, 这可通过指令运算来完成。与之相对应回路的输出, 要将运算后的标准化实数(0.0～1.0之间) 转换成相应的整数, 再通过D/A转换输出。

S7-200的PID指令没有设置控制方式,执行PID指令时为自动方式, 不执行PID指令时为手动方式。I0.2是手动/自动转换开关信号，I0.2为1时，为系统自动运行。

整个程序包括主程序、初始化子程序SBR_0和中断服务程序INT_0。

主程序的方框图：

图4.5 主程序框图

初始化子程序SBR_0是将设定值、采样时间、比例增益、积分时间、微分时间和定时中断设定好。由于溶出器的传递函数无法确定, 因此的参数只能根据经验法来选取。假如还需要更精确的调整，在这个基础上再进行整定。其程序框图为

图4.6 回路表初始化子程序SBR_0的程序框图

中断服务程序INT_0的作用是采样温度值，将其转化为标准化实数，然后进行PID运算，最后将控制输出值转换成相应的整数。其程序框图为

图4.7中断服务程序INT_0的程序框图

第五章 总 结

5.1 方案评价及改进方向

本次课程设计提出了以PLC为核心的溶出器温度控制系统，采用成熟的PLC技术和增量式数字PID算法,进行了硬件设计和程序设计,比较理想的解决了溶出器温度控制系统中出现的问题。系统的硬件和软件经过不断的改进和完善,实现了设计目标，即将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。此外，还设计了手动/自动无扰切换功能和系统报警信号，提高了系统的可靠性和稳定性,为实现溶出器的自动控制,降低系统的功耗,打下了坚实的基础。

由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性,会使对象可控程度下降，从而使系统控制难度增加，单纯使用数字PID往往达不到非常好的控制效果。因此可以加入史密斯预估器，用以改善纯滞后系统的控制品质。还可以将PID控制与各种先进算法相结合，比如自整定PID、模糊PID等，可以进一步改善温度控制系统的控制性能。

5.2 收获及体会

经过两周的过程控制系统课程设计，自己学到了很多。不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。提高了自己的自学能力，学会了如何去搜寻自己需要的资料。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

温度是工业生产中最为常见和最为基本的工艺参数之一。温度控制系统中通过采用增量式PID控制对温度实现了较好的控制, 达到了一定的控制效果。以后遇到需要控制压力、流量或者液位时，可以举一反三，达到一个比较熟练的状态。通过这次课程设计，我们了解了具体生产工业过程控制系统设计的基本步骤和方法。同时也对氧化铝的生产工艺有一个大概的认识，也认识到了氧化铝生产的意义。

这次过程控制系统课程设计不仅可以提起我们对这门课的学习兴趣，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不再对所学专业感到陌生，而且还可以培养大家的积极性。这次课程设计能够顺利完成，还要对给过我帮助的所有同学和指导老师表示感谢！

参考文献

[1] 王树青等编. 工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2003

[2] 王永华主编. 现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航天航空大学出版社，2003

[3] 于海生等编著. 微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999

[4] 汪晋宽等编著. 自动控制系统工程设计.北京：北京邮电大学出版社，2005

[5] 向婉成主编. 控制仪表与装置.北京：机械工业出版社，1999