【正文】 分層的對(duì)象，可以包括不同品種，粒度和還原條件（預(yù)還原或未還原）的催化劑。遇到這種情況，可以用上述三種方法（提高混合氣中氫、惰性氣體或氨含量）之一來加以調(diào)節(jié)。這種輕易提高溫度的做法，對(duì)催化劑壽命是有害的。測(cè)量溫度的熱電偶的位置一定要安插適當(dāng)，以保證能正確指示整個(gè)催化劑床層平面的溫度狀況。因此，能耐熱的催化劑也是能抗含氧物中毒的，因此耐熱試驗(yàn) 的結(jié)果，也能指導(dǎo) 耐含氧毒物的品種選擇。例如 A A A10 型催化劑，初期熱 點(diǎn)溫度應(yīng)分別規(guī)定在 480～ 490℃ ，465～ 475℃ 以及 455～ 465℃ ，以后隨著使用時(shí)間再逐步增加，但無論如何， AA9不應(yīng)超過 525～ 550℃ ，而 A10 應(yīng)小于 500～ 525℃ . 高活性和高耐熱性一般不大可能在同一種催化劑上結(jié)合起來，往往在某一條件下最好的催化劑，在另一條件下卻不一定是最好的，因此下節(jié)將介紹混合填裝催化劑時(shí)所顯示出的優(yōu)點(diǎn)。 因此，必須人為地規(guī)定允許的催化劑工作溫度上限；而且，對(duì)于新催化劑，則應(yīng)盡量規(guī)定得低一些，以后隨著使用時(shí)間的延續(xù)可逐漸提高，以利于延長(zhǎng)催化劑的活性壽命。 對(duì)于鐵催化劑，一般說來都 不應(yīng)在超過 550℃ 以上工作。 2. 催化劑的負(fù)荷及耐熱性 氨合成催化劑即使在很純的氫氮混合氣體下工作，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其活性也會(huì)逐漸衰退，這主要是鐵的微晶逐漸 再結(jié)晶長(zhǎng)大的結(jié)果，再結(jié)晶的速度與溫度和催化劑的品種有關(guān)。循環(huán)氣中氨含量（即進(jìn)口氨含量）提高后，合成塔的出口氨含量是不會(huì)相應(yīng)提高的（只是稍有提高），而結(jié)果往往是使 氨凈值降低，因而為了提高轉(zhuǎn)化效率，一般在綜合考慮循環(huán)和冷凍功耗的條件下，盡可能采用較低的循環(huán)氨水平，一般實(shí)際生產(chǎn)中，控制冷凝溫度在 5～ +5℃ 之間，相應(yīng)的進(jìn)口氨含量為 %～ %左右。 4） 循環(huán)氣中的氨含量 循環(huán)氣中氨含量的水平，取決于分離系統(tǒng)的效率。 3） 催化劑毒物 含氧物，硫、磷、砷、氯等的化合物以及油污等都是催化劑毒物，因此在工藝流程安排中，用往復(fù)式壓縮機(jī)和循環(huán)機(jī)的系統(tǒng)，必須注意采用硫含量極低的油作為潤(rùn)滑劑，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的濾除油污，使?jié)櫥筒恢?被氣體夾帶入系統(tǒng)。為了減少排放時(shí)對(duì)有效氣體的損失，應(yīng)該將排放位置 選擇在 惰性氣體高、而氨含量最小的地方。還有，在一般情況下，系統(tǒng)在給定的壓力下操作時(shí)，為了維持一定的產(chǎn)量，則惰性氣含量越高，要求下部換熱器長(zhǎng)度也越高，而調(diào)節(jié)催化劑床層溫度的冷激或冷管的負(fù)荷就越輕，當(dāng)然在有熱量回收措施的系統(tǒng)中，這時(shí)熱量回收的效率顯著降低。 另外，也可以利用改變惰性氣含量以改 變 催化劑 床層的溫度分 布。 排放量的選定，與各系統(tǒng)的特殊條件密切相關(guān)。 循環(huán)氣中的惰性氣含量和很多因素有關(guān)，最主要的是新鮮氫 氮混合氣中的惰性氣含量、排放量，以及合成系統(tǒng)的工作壓力等。 2） 惰性氣含量 氨合成循環(huán)是將未反應(yīng)的氫氮混合氣返回氨合成反應(yīng)器再度利用的，而壓縮的新鮮氫氮混合氣作為原料，源源不斷地送入循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)相應(yīng)的液氨產(chǎn)品不斷從系統(tǒng)取出 ，雖然在液氨中溶解了一些氣體，如氫氮和 惰性氣體，以及微量水分，但是由于在新鮮氣中惰性氣的含量不是很低的，因此在一般情況下，如不進(jìn)行排放，僅靠溶解不易使帶入和帶出的惰性氣體達(dá)到平衡，往往會(huì)使惰性氣體積累至較高的濃度。 當(dāng)使用新的高效催化劑，而其生產(chǎn)能力又較為富裕時(shí)，往往 會(huì)出現(xiàn)一些問題。例如，當(dāng)新鮮氫氮混合氣中氫氮比為 3:1 時(shí)，若忽略氣體在液氨中的溶解，則循環(huán)氣也是3:，若新鮮氣中為 :1 時(shí)，則循環(huán)氣只有 :1；反之，新鮮氣為 :1，循環(huán)氣即躍為 :，由此可見。 對(duì)反應(yīng)速度及反應(yīng)平衡來說，最好的氫氮比幾乎都與 3:1 有些微偏離 。另外，通過它對(duì)質(zhì)量速度和流體特性的作用 ，可以影響傳熱條件，同樣也會(huì)因?yàn)橐饸怏w重度得變化而使壓力降有所改變。下面分別 介紹各工藝條件的選擇。 流過各段催化劑床層，至催化劑床層底部折返向上，穿過中心管和床外熱交換器管程，最后經(jīng)連接管流出管外。生產(chǎn)時(shí)可控制第一層催化劑床的進(jìn)口溫度。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 32多層直接冷激式氨合成塔 a軸向氨合成塔 b徑向氨合成塔 第一段床層上有盤管。中心孔底下有分布板，其作用是使通過中心孔的氣體沿整個(gè)催化劑床層截面重新分布。擋板有中心孔，供反應(yīng)氣體通過。 控制反應(yīng)氣體溫度用的冷激氣由頂部球形封頭上的接管進(jìn)入，經(jīng)直管到環(huán)形管，再?gòu)沫h(huán)形 管的孔眼中噴出。床外熱交換器裝在催化劑筐的上部，其管束長(zhǎng)度受催化劑筐的限制較小。 (1)多層冷激式 多 層 冷激式合成塔 的 結(jié)構(gòu)如圖 32所示 。由于間層換熱方式的不同，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)件又可分為直接式與間接式兩種。 2. 間斷換熱式內(nèi)件結(jié)構(gòu) 這種形式的內(nèi)件結(jié)構(gòu)通常都將催化劑床層 分成約 3— 6層，借催化劑各層間的換熱調(diào)節(jié)催 化劑床層的溫度。 圖 31并流雙套管式氨合成塔 雙套管內(nèi)件結(jié)構(gòu)的氣體流程是：氣體主流從合成塔頂進(jìn)口管入塔 ，在環(huán)隙中沿塔壁流下至塔底，反向而上經(jīng)下部換熱器 殼程，然后到分氣盒分別進(jìn)入各內(nèi)冷太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 管，到頂部折至外冷管，氣體被逐漸預(yù)熱至 反應(yīng)起始溫度，流入中心管（內(nèi)設(shè)開工電加熱器），向上到頂部，折入催化劑層，氣體在催化劑層中從上向下，進(jìn)行合成反應(yīng)，出催化劑筐，至下部熱交換器管程，降 低 溫度后出塔。 根據(jù)催化劑床層和換熱管內(nèi)氣流方向間相對(duì)關(guān)系的不同，此種結(jié)構(gòu)通常又可分為逆流式及并流式兩種 ：逆流式的以逆流單管型為代表；并流式 的原來都是以雙套管型為典型， 但是從溫度發(fā)布及傳熱結(jié)構(gòu)來看，實(shí)際上雙套管型是屬于此兩種結(jié)構(gòu)的混合，而后來發(fā)展的三套管及并流單管型才純屬于并流式。 1. 內(nèi)部換熱式內(nèi)件結(jié)構(gòu) 這種 結(jié)構(gòu)一般僅有一個(gè)連續(xù)的催化劑床層，在床層中設(shè)置連續(xù)的換熱裝置，太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 也有少數(shù)是反過來將催化劑置于換熱管中的，通過換熱管內(nèi)及床層內(nèi)冷熱氣流的間接換熱，以調(diào)節(jié)催化劑床層的溫度。 為了保證上述工藝條件的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然在機(jī)械結(jié)構(gòu)上必須做到 堅(jiān)固，可靠，便于運(yùn)輸，拆卸和檢修等等。 (3)具有高的單塔生產(chǎn)能力的同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)也能在高效率下運(yùn)轉(zhuǎn)（ 系 統(tǒng)阻力低，冷凍，分離和循環(huán)用功較少等）。 (2)操作上便于調(diào)劑控制。內(nèi)件結(jié)構(gòu)對(duì)塔的生產(chǎn)影響很大，從工藝角度看，對(duì)合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)一般應(yīng)具備以下條件： (1)單塔生產(chǎn)能力高。氨合成塔包括包括兩個(gè)主要部分：高壓外筒和內(nèi)件 。 該 流程的特點(diǎn) 如下 ： 、氨含量較低的部位以減少氨損失和原料氣消耗； 、第二氨分離 器 之間，循環(huán)氣溫度較低有利于壓縮作業(yè)； ，在第二次氨分離時(shí)可以進(jìn)一步達(dá)到凈化目的，可除去油污以及帶入的微量 co2和水分。而后氣體進(jìn)冷凝塔的上部熱交換器與分離液氨后的低溫循環(huán)氣換熱降溫，經(jīng)氨冷器冷卻到 0～ 8℃ ，使 氣體中絕大部分氨冷凝下來，在氨冷凝塔的下部 將氣液分開。 如 附件中 合成氨 流程 圖所示 ，合成塔出口氣經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。 這種流程的優(yōu)點(diǎn)是：只需要對(duì)全部氨被分離以后 的氣體進(jìn)行壓縮，因而可以節(jié)省循環(huán)機(jī)用功?；旌蠚鈴难h(huán)機(jī)出來，經(jīng)過換熱后，直接進(jìn)入合成塔。 屬于這類兩次分離產(chǎn)品方案的流程，單系列容量最高的已達(dá)到 1500噸 /每天，在采用離心式循環(huán)壓縮機(jī)的大型合成氨廠中，由于離心 式循環(huán)壓縮機(jī)不用油潤(rùn)滑，沒有油污污染合成氣的危險(xiǎn)。 這種流程通常用于合成壓力較高的循環(huán)回路中，如壓力為 280～ 340公斤 /厘米 2的循環(huán)回路，是傳統(tǒng)的中壓流程。 下面介紹比較典型的 兩次 分離液氨產(chǎn)品的流程 ， 氨在兩個(gè)部位 — 水冷器和氨冷器中回收?？傊?，在冷卻反應(yīng)氣體的同時(shí)，將反應(yīng)熱 都盡量加以回收利用。因此，在新的氨合成流程中，都設(shè)有反應(yīng)熱的回收裝置。 。此外，要使生產(chǎn)向大型化發(fā)展，必須進(jìn)一步注意到流程的合理性，諸如對(duì)惰性 氣的放空、循環(huán)氣中的氨含量等等，都要采取相應(yīng)措施。至于更高的壓力，如 350公斤 /厘米 2以上看來不會(huì)發(fā)展。對(duì)于氨合成生產(chǎn)流程綜合考慮（ 諸如壓縮氮?dú)浠旌蠚夂脱h(huán)氣 的功率消耗，壓縮機(jī)的軸馬力、效率和轉(zhuǎn)速，以及氨合成反應(yīng)速度、 轉(zhuǎn)化率 、產(chǎn)品分離和熱量利用等各方面的因素），普遍的趨向具有以下特點(diǎn) ： 流程基礎(chǔ)上略有降低。 在實(shí)現(xiàn)上述 原則流程時(shí)，又有各種具體的做法，使流程盡量完善。反應(yīng)后，氫氮混合氣不能全部轉(zhuǎn)化成氨，必須將其中的氨進(jìn)行分離，剩下的氫氮混合氣由循環(huán)壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱循環(huán)機(jī)）補(bǔ)充壓力后（在用活塞式循環(huán)機(jī)時(shí)，仍然應(yīng)除油），與壓縮機(jī)送來的新鮮氣混合，再次進(jìn)行合成，如此連續(xù)循環(huán)操作 。 經(jīng)過精細(xì)凈化除去一切毒物的氫氮混合氣，由壓縮機(jī)壓縮至一定的壓力（在采用活塞式壓縮機(jī)的場(chǎng)合，要經(jīng)過除油）后，引入合成系統(tǒng)。 ○ 2 主回路對(duì)副回路反饋通道特性的變化沒有魯棒性。這里需要注意 以 下兩點(diǎn) : ○ 1 主回路對(duì)副對(duì)象及控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒有這種特性。 (1) 副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效克服發(fā)生與副回路的干擾影響 (2) 串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性 副回路 具有較高的增益時(shí)，副回 路前向通道（這里主要是指控制閥和副對(duì)象）特性的變化不大會(huì)影響副回路等效環(huán)節(jié)的特性。因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。 兩個(gè)控制器都具有各 自的測(cè)量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號(hào)送給執(zhí)行器，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。 主回路：若將副回路看成一個(gè)以主控制器輸出 2r 為輸入，以副變量 2y 為輸出的等效環(huán)節(jié)，則串級(jí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)單回路，稱這個(gè)單回路 為主回路。 副控制器 )(2 sGc :接受的是副變量的偏差，其輸出去操縱閥門。 主對(duì)象 )(1 sGp :主變量與副變量之間的通道特性。 副變量 2y ：被控制過程中引入的中間變量。 如圖 22所示 。第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)該比被控變量更快感知到干擾的影響，這樣才能在干擾對(duì)被控變量產(chǎn)生很大的影響之前通過第二個(gè)反饋回路迅速克服干擾的影響。但是如果干擾不可測(cè)量或者無法獲得干擾與被控變量之間的模型時(shí)，就不能采用前饋控制策略。 (2)從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減小了 反饋控制的負(fù)擔(dān)。 前饋 反饋控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為了解決前饋控制的這一局限性，在工程上往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋 反饋控制系統(tǒng)。 4. 前饋反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)中，不存在被控變量的反饋，即對(duì)補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。這時(shí)只有當(dāng)對(duì)控制質(zhì)量要求較高時(shí)，才有必要引入前饋控制。 (3)當(dāng)對(duì)象干擾通道和控制通道的時(shí)間常數(shù)相差不大時(shí)，引入前饋控制可以很好地改善控制質(zhì)量。 (1)系統(tǒng)中存在幅度大，頻率高 且可測(cè)的干擾， 該 干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制難以克服，而工藝上對(duì)被控參數(shù)又要求十分嚴(yán)格，這時(shí)可引入前饋控制來改善系統(tǒng)的質(zhì)量。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 3. 前饋控制應(yīng)用的場(chǎng)合 實(shí)現(xiàn)前饋控制的前提是干擾可以測(cè)量的。尤其當(dāng)綜合得到的前饋控制算式 中包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時(shí)，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。 ○ 2 受前饋控制模型精度的限制。因而一般僅選擇幾個(gè)主要干擾加前饋控制。 在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實(shí)踐中，由于下列原因前饋控制系統(tǒng)仍然會(huì)存在偏差。 ○ 3 前饋控制采用的是由對(duì)象特性確定的“專用”控制器 一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的 PID控制器，而前饋控制器是專用控制器，對(duì)于不同的對(duì)象特性，前饋控制器的形式將是不同的。從一定意義上來說前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)這一點(diǎn)是前饋控制的不足之處，由于前饋控制不存在閉環(huán)，因此前饋控制的效果無法通過反饋加以檢驗(yàn)。 ○ 2 前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。從理論上說，當(dāng)干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用把偏差徹底消除。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 基于不變性原理組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，它實(shí)際上是根據(jù)不變性原理對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。即系統(tǒng)在擾動(dòng) )(tf 的作用下，穩(wěn)態(tài)時(shí)被控變量 )(ty 的偏差為零，靜態(tài)前饋系統(tǒng)就是屬于這種穩(wěn)態(tài)不變性系統(tǒng)，工程上常將 ? 不變性與穩(wěn)態(tài)不變性結(jié)合起來應(yīng)用，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)既能 消除靜態(tài)偏差，又能滿足工藝上對(duì)動(dòng)態(tài)偏差的要求。這種誤差不變性系統(tǒng)由于滿足工程領(lǐng)域的實(shí)際要求，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。對(duì)于大量工程上 應(yīng)用的 前饋或前饋 反饋控制系統(tǒng)，由于實(shí)際補(bǔ)償?shù)哪Ｐ团c理想的補(bǔ)償模型之間存在誤差，以及測(cè)量變送裝置精度的限制，有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)不變性控制。 ○ 2 誤差不變性 誤差不變性 又稱 ? 不變性， 是指在擾動(dòng) )(tf 的作用下， 被控變量 )(ty 的波動(dòng)小于一個(gè)很小的 ? 值， 如式（ 217）所示。 一般情況下存在著以下幾種類型的不變性。不變性 的 定義 如式（ 216） 所示。不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的這種影響?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控變量不受擾動(dòng)變量變化的影響。反饋控制的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是本身不形成閉合回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性的矛盾。 (3)算式中不需要累加，控制增量 )(tu? 的確定僅與最近三次的采樣值