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100 kg/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200 kg/hr，水的变送器量程为0到160 kg/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。

2

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

4222CH +2H O CO +4H

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PC

57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%。

燃料燃料

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，

总流量

过滤器的流量进入#1

R

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。

过滤水

过滤水

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HV wg，燃油的热值为HV oil。空气/废气的比值为R wg，空气/燃油的比值为R oil。

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HV wg。试完善上述控制方案以考虑热值HV wg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。

空气

FO

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。

FC

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。

分离器

题图 10