过程控制课程设计

课程设计

题目牛奶喷雾式干燥工艺设备温度控制系统设计学院自动化学院

专业自动化专业

班级自动化1005班

姓名王建华

指导教师刘小珠

2014 年01 月10 日

课程设计任务书

学生姓名：王建华专业班级：自动化1005班

指导教师：刘小珠工作单位：自动化学院

题目: 牛奶喷雾式干燥工艺设备温度控制系统设计

初始条件：

1.课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程控制仪表

及控制系统”、“过程控制系统”等；

2.先修课程：仪表与过程控制系统等。

3.主要涉及的知识点：

过程控制仪表、控制系统、被控过程等

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1.课程设计时间：1.5周；

2.课程设计内容：根据指导老师给定的题目，按规定选择其中1套完成；

本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。

3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：

①目录；

②摘要；

③生产工艺和控制原理介绍；

④控制参数和被控参数选择；

⑤控制仪表及技术参数；

⑥控制流程图及控制系统方框图；

⑦总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）

⑧课程设计的心得体会（至少500字）；

⑨参考文献（不少于5篇）；

⑩其它必要内容等。

时间安排：

指导教师签名： 2013 年 12 月 27 日系主任（或责任教师）签名：年月日

1生产工艺和控制原理介绍 (2)

1.1生产工艺 (2)

1.2控制原理 (2)

2控制方案设计 (3)

2.1被控参数选择 (3)

2.2控制变量选择 (3)

2.3调节方案 (3)

2.4方案比较 (5)

2.5控制仪表及技术参数 (6)

2.6控制流程图及控制系统方框图 (7)

3总结与展望 (8)

3.1设计总结 (8)

3.2方案评价及改进方向 (8)

3.3喷雾干燥设备技术进展 (9)

心得体会 (10)

参考文献 (11)

喷雾干燥是系统化技术应用于物料干燥的一种方法。于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。

本次课程设计采用的是气流式喷雾干燥法，用喷雾的方法将物料喷成雾滴分散在热空气中，物料与热空气成并流、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥的目的。由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B，虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。

通过研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行了介绍，针对具体设计选择了相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表。

关键词：喷雾式乳液干燥器控制系统、参数选择与整定、温度控制

牛奶喷雾式干燥工艺设备温度控制系统

设计

1生产工艺和控制原理介绍

1.1生产工艺

本次课程设计的题目是喷雾式干燥设备控制系统设计。在众多的干燥设备中，喷雾式干燥器是应用较广的干燥器之一，是处理溶液、悬浮液或泥浆状物料的干燥设备。能从液体直接干燥成粉体，这是喷雾式干燥器的最大优点；然而，热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高是它的缺点。喷雾干燥是系统化技术应用于物料干燥的一种方法。于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，干燥器出口温度偏差小于±2℃时，乳粉产品含水量≤2%质量满足要求，因而需要对干燥的温度进行严格控制。

1.2控制原理

喷雾式乳液干燥过程示意图如图1-1所示。

图1-1 喷雾式乳液干燥过程示意图

通过空气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉，已浓缩的乳液由高位储槽流下，用喷雾的方法将乳液喷成雾滴分散在热空气中，乳液与热空气成并流、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥的目的。

由于乳液属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B（浓缩乳液容易堵塞过滤器，两台过滤器交替使用，以保证连续生产），滤去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷出。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器与乳液充分接触，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。干燥后成品质量要求高，含水量不能波动大。

2控制方案设计

2.1被控参数选择

按照生产要求，产品的质量取决于乳粉水分的含量。湿度传感器的精度低、滞后大，不易实现精确、快速的测量。而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切相关，且容易找到单值对应关系。试验表明，干燥器出口温度偏差小于±2℃时，乳粉质量满足要求，因而可选择干燥器的出口温度作为被控参数（间接），通过干燥器出口温度控制实现产品质量控制。

2.2控制变量选择

影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控因素有乳液流量变化f1、旁路空气流量变化f2、加热蒸汽流量变化f3 三个因素，并通过图1-1中的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。选择其中一个作为控制变量，都可实现干燥器出口温度（被控参数）的控制。乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路空气流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。

2.3调节方案

若分别以这三个变量为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。

方案1：以乳液流量f1为控制变量（由调节阀1进行控制），对干燥器出口温度进行（被控参数）进行控制。

方案1控制方案框图如图2-1所示。

方案2：以旁通冷风流量f2为控制变量（由调节阀2控制），对干燥器出口温度进行控制。

方案2控制方案框图如图2-2所示。

方案3：以加热蒸汽流量f3为控制变量（由调节阀3控制），对干燥器出口温度进行控制。

方案3控制方框图如图2-3所示。

在分析、比较三个方案之前，先对影响各个方案通道特性的主要环节进行定性分析。

图2-1

方案1控制方案框图

图2-3 方案3控制方案框图

图2-2 方案2控制方案框图

（1）蒸汽加热流过交换器中的冷空气，蒸汽对被加热空气温度的影响为一个双容过程，其传递函数可近似为

式中，时间常数T h1、T h2都比较大。

（2）冷、热空气混合后，通过一段风管后到达干燥器，旁通冷风流量对进入干燥器空气流量的影响可用一阶惯性环节加纯滞后近似

式中，时间常数T m较小。

（3）调节阀1到干燥器、调节阀2到混合环节、调节阀3到换热器的滞后时间较小，可忽略不计。

（4）三个方案控制通道都包含调节器、调节阀、温度检测单元，它们的特性不影响比较结果；干燥器对空气流量、空气温度、乳液流量的特性差异对三个方案影响不大，可暂不考虑。

在以上定性结论的基础上，对三个可选方案进行分析比较，从中选出合理的控制方案及对应的控制变量。

2.4方案比较

方案1：从其对应的控制系统框图（图2-1）可以看出，由调节阀1控制的乳液流量f1直接进入干燥器，控制通道短、滞后小，控制变量对干燥器出口温度控制灵敏；干扰进入控制通道位置与调节阀输入干燥器的控制变量f1重合，干扰引起的动差小，控制品质好。从干扰通道来看，f2经过一个有纯滞后一阶惯性环节Gm(s)后进入控制通道，而f3经过一个时间常数较大的双容环节Gh(s)和一个有纯滞后的一阶惯性环节Gm(s)后进入控制通道，由于Gm(s)和Gh(s)的滤波作用，干扰信号f2、尤其是f3对被控参数y（干燥器出口温度）的影响很平缓。

方案2：从其对应的控制系统框图（图2-2）可以看出，由调节阀2控制的旁通冷风流量f2经过混合和滞后（传递函数为Gm(s)）之后进入干燥器。由于一阶惯性环节Gm(s)时间常数Tm和纯滞后τ的滞后因素，控制通道（相对于方案1）有一定滞后，控制变量对干燥器出口温度的控制不够灵敏。干扰f1进入控制通道的位置距调节阀2较远，干扰通道

环节少，故其引起的动差较大；干扰f3进入控制通道的位置距离调节阀2 很近，干扰通道环节多，其引起的动差小而且平缓。总的来说，方案2相对于方案1控制品质有所下降。Tm和τ不是很大，品质下降有限。

方案3：从其对应的控制系统方框图（图2-3）可以看出，由调节阀3控制的蒸汽流量f3对流过热交换器的空气加热（传递函数为Gh(s)），热空气经过混合和滞后（传递函数为Gm(s)）之后进入干燥器。由于有Gh(s)有两个时间常数Th1和Th2、Gm(s)的时间常数Tm、风管纯滞后τ多种因素共同影响，控制通道（相对于方案1和方案2）的时间滞后很大，控制变量f3对干燥器出口温度的控制作用很慢；干扰f2进入控制通道的位置距离调节阀3较远、干扰f1进入控制通道的位置距调节阀很远，二者干扰通道环节（相对于控制通道）少，引起的动差大。方案3的控制品质相对于方案1和方案2有很大下降。

通过上面的分析可知，从控制品质角度看，方案1最优，方案2次之，方案3最差。但从生产工艺和经济效益角度来考虑，方案1并不是最有利的。因为，若以乳液流量作为控制变量，乳液流量就不可能始终稳定在最大值，限制了该系统的生产能力，对提高生产效率不利。另外，在乳液管道上安装调节阀，容易使浓缩乳液结块，甚至堵塞管道，会降低产量和质量，甚至造成停产。进行综合分析比较，选择方案2比较好，通过调节阀2控制旁通冷风流量f2，实现干燥器出口温度控制。

2.5控制仪表及技术参数

根据生产工艺要求，可选用电动单元组合（DDZ-III或DDZ-II）仪表，也可根据仪表技术的发展水平选用其他仪表或系统。

（1）温度传感器及变送器，因被控温度在600℃以下，热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进行冷端温度补偿，使用更加方便，故选用热电阻温度计。由于热电阻的三线制接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响，所以选用三线制接法，并配用温度变送器，可选用热电阻（铂电阻）温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。

（2）调节阀，根据生产安全原则、工艺特点及介质特性，适宜选用气关型调节阀；根据管路特性、生产规模、工艺过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差0.1MPa、流体重度为1g/时，每小时通过阀门的流体流量（或kg）。可见流通能力直接代表了

调节阀的容量。

（3）调节器，根据工艺特点和控制精度要求（偏差≤±2℃），调节器应采用PI 或PID 调节规律；根据构成系统负反馈的原则，结合干燥器、气关型调节风阀及测温装置的特性，调节器应采用正作用方式。

2.6控制流程图及控制系统方框图

根据上述设计控制方案有：

牛奶喷雾式干燥设备控制系统流程图如图2-4所示。

牛奶喷雾式干燥设备控制系统方框图如图2-5所示。

图2-5 牛奶喷雾式干燥设备控制系统方框图

热交换器 干燥器

乳液

产品 TT TC

蒸汽

鼓风机

调节阀

图2-4 牛奶喷雾式干燥设备控制系统流程图

3总结与展望

3.1设计总结

设计前要先熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标，然后建立被控过程的数学模型，深入分析被控过程的特性、选择正确的控制方案。控制方案的确定既要依据被控过程的工艺特点、动态特性、技术要求与性能指标还要考虑控制方案的安全性、经济性和技术实施的可行性等因素，进行反复比较与综合评价，最终确定合理的控制方案。

本次课程设计中，先根据生产工艺要求，深入分析生产过程，找出了对产品的产量和质量、安全生产、经济运行等具有决定性作用并能反映生产工艺状态及变化的参数—干燥器的出口温度作为被控参数。通过选择不同的控制变量（乳液流量变化f1、旁路空气流量变化f2、加热蒸汽流量变化f3 ）可以初步确定三套控制方案，通过从控制品质角度、生产工艺和经济效益角度等进行综合分析比较，最终确定了方案2为最优方案，即以旁通冷风流量f2为控制变量（由调节阀2控制），对干燥器出口温度进行控制。（必要时，可在初步的控制方案确定之后，应用系统仿真等方法进行系统静态、动态特性分析计算，验证控制系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足工艺要求。）方案确定之后，可根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的传感器、变送器、控制器与执行器等，并最终完成控制系统流程图和方框图。

3.2方案评价及改进方向

本系统能将牛奶液体的干燥温度进行严格控制，并且有较快的抗干扰能力，减小纯滞后时间。由于其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，能满足工业生产的要求。该设计采用单回路控制系统，在设计中采用了智能仪表能够很好的适应环境变化对于控制系统的要求。在实际的应用中只要确定了被控系统的技术指标，就可以把此指标作为控制器的外给定，系统在运行时控制器能够自己进行参数整定找到最佳控制参数随着技术进步，单回路控制在实际中的应用越来越显得不足，但是对于一些简单控制系统来说还能达到控制要求，在以后计算机控制以及各种智能仪表将在自动控制系统中占有绝对的优势，可应用智能控制仪表从而完成更好的系统控制。

本次正是以工业生产实际为标准进行的设计，控制对于干扰的预制并不是太好。如果进行多级控制，在最后的输出再增加一个负反馈回路，形成反馈回路，达到的控制效果将会更好。

排风温度是影响成品水分含量的主要因素，所以造成产品水分含量太高的原因一般是排风温度太低，而排风温度可由进料量来调节，因此相应的措施是适当减少进料量，以提高排风温度。能从液体直接干燥成粉末，这是喷雾干燥的最大优点，但喷雾干燥热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高也是最大缺点，可以利用多组合干燥将液体干燥成固体后再进入下一级干燥器进一步干燥。

3.3喷雾干燥设备技术进展

（1）改善产品物性

科学技术发展和生活水平的提高对喷雾干燥产品的物理性质提出了越来越高的要求。

例如，有的要求堆密度特别大或特别小，一些有复水性的粉体如食品等则往往要求速溶性。一般说来，改变雾化的分散度以及适当改变操作条件以控制干燥速率，可以制得具有不同密度的产品。但变化的幅度是有限的。现已证明，泡沫喷雾干燥制得的奶粉等产品粒径大、多孔、多凹陷、表面粗糙，具有良好的速溶性。

（2）开发多目标过程

把喷雾干燥与其它单元过程结合方面，已成功地开发应用的主要有两类。一类是喷雾干燥反应过程，人们熟知的喷雾干燥聚合一步法制取三聚磷酸钠就是典型实例之一。另一类已开发，并较成功的应用的多目标过程是喷雾造粒干燥，即把溶液或悬浮液在细粒物料上喷雾涂布造粒与颗粒的干燥结合起来。由于有许多产品，如肥料、染料等，制成颗粒状对贮存、运输和使用都更为有利，这些年来对这类技术的兴趣正在增长。

（3）开发组合干燥装置

能从液体直接干燥成粉末，这是喷雾干燥的最大优点。但喷雾干燥热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高也是最大缺点，近年来，中外干燥专家对以喷雾干燥为第一级的多组合干燥进行了大量的研究。利用它将液体干燥成固体后再进入下一级干燥器进一步干燥

（4）解决粘壁问题

粘壁现象迄今仍然是妨碍喷雾干燥设备正常操作的一个突出问题。一般说来，增大直径可以减轻粘壁；但为此目的的而采用非常大设备直径显然也不经济。国外专家研究干燥过程中的粘壁和结块问题，认为造成粘壁的主要宏观因素是壁温。

心得体会

通过这次的设计使我对过程控制中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己的能力和自己的学习热情。通过这次的设计也使我对控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。

还有通过这几天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。锻炼了我查阅资料，进行方案构思的的能力。这次课程设计，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。但在查阅大量资料后我们顺利的完成了本次课程设计。

在这次实践的过程中领略到了别人在处理专业问题时显示出的优秀品质更深切的体

会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前总是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计做的也不是太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，它使我终身受益。

参考文献

[1]金国淼．干燥设备设计．上海：上海科学出版社，1983．

[2]潘永康，王喜忠．现代干燥技术．北京：化学工业出版社，1998．

[3]K.Masters.．Spray Dryer in Practice．Spray Dry Consult International Aps，Denmark，2002．

[4]何离庆，等．过程控制系统与装置．重庆：重庆大学出版社，2003．

[5]施仁，等．自动化仪表与过程控制．电子工业出版社，2003．

[6]丁炜，等．过程设计仪表及装置．北京：电子工业出版社，2007．

[7]王再英，等．过程控制与仪表．北京：机械工业出版社，2005．

本科生课程设计成绩评定表

指导教师签字：

2014年01月12日