燕山大学
专业综合课程设计说明书题目：控制系统与调节阀设计
学院（系）：过程装备与控制工程系
年级专业： 10过程装备
学号： 100110040004
学生姓名：息健
指导教师：郭奇
教师职称：教授
过程装备综合课程设计任务书2—容器设计部分
目录
第一章工艺流程简介
工艺流程文字叙述
工艺流程图
第二章调节阀设计计算
调节阀流量系数计算
调节阀原理图；调节阀外型结构图
第三章蒸汽储罐设计
贮罐壁厚设计
封头设计
水压试验校核
支座设计
法兰垫片的选择
第四章控制回路设计
串级控制回路设计
前馈反馈控制回路设计
比值控制回路设计
选择控制回路设计
分程控制回路设计
均匀控制回路设计
按工程标准符号绘制的带控制点的工艺流程图结语
参考文献
第一章工艺流程简介
1.1文字描述
一方面原料丙烯氯化法制得氯丙烯，另一方面氯气和水送入次氯酸塔T0401中生成次氯酸从塔顶流出送入贮罐V0401，与制得的氯丙烯一起进入二氯丙醇反应器R0401生成二氯丙醇，从塔顶流出进入分离器V0402，一部分分离出的水回流塔底，另一部分已经分离的二氯丙醇与石灰乳进入环氧氯丙烷反应器R0402，残渣从塔底排出，环氧氯丙烷从塔顶排出送入氯化钙塔T0402，用直接蒸汽进行蒸馏，塔底除去氯化钙，塔顶气体经冷凝器E0401冷凝后进入分相回流器V0403，部分回流塔顶，其余进入粗环化物贮槽V0404后送入第一精馏塔T0403，通入蒸气，塔底流出精馏后的环氧氯丙烷，塔顶排出气体经冷凝器E0402冷凝出水和混合液体回流塔顶，精馏后进入第二精馏塔，通入蒸气塔顶排出气体冷凝后经分相回流器V0406，部分回流塔顶，其余为环氧氯丙烷产品，塔底排出残液。
1.2工艺流程图
见附图1
第二章 调节阀法计算
2.1调节阀流量系数计算
已知流体介质为二氧化碳，在最大流量条件下的计算数据为：
q m=6900m
3
/h ，ρS =1.977kg/m 3，K =1.3，P 1=4MPa ，P 2=1.8MPa ，t=50℃
试选择所需的调节阀。
（1）判别是否阻塞流，临界压差比为F k X T X T 值查表得XT =0.7 而 64.04
.17
.03.11.4KX X F T T k =?== 由 55.04
8.1-41p 2p -1p X ===
小于0.64 处于非阻塞流状态 （2）流量系数的计算 膨胀系数714.064
.0355
.0-1X F 3X -1y T k =?==
查表，临界压力pc=74.7×105Pa 临界温度Tc=304.2K P T =
54.0pc 1p = T 06.1Tc
T1
T == 则Z=0.83
()86
.1445
.083
.0977.150273714
.0400019.56900
X Z 1T y
1p 19.5Q K v =??+??==
ρ圆整至20
初选用DN=40 气动直通单座阀
(3)管件形状修正判别 D=D 1=D 2=50mm 可不必做此项修正
故选用 C 100=40 Dg=50 dg=50 的气动直通单座阀
气动直通单座阀DN=40mm ，公称压力PN=4.0Mpa ，行程
L=25mm 介质温度为常温型，阀体材质ZG230-450，阀芯材质1Cr18Ni9，上阀盖型式为普通式，H 1=131mm 。
2.2调节阀原理图
50
1 1.550
g
D D =
=<
2.2调节阀动作原理
调节信号压力p通入薄膜气室作用于薄膜波纹膜片上，产生向下推力，使推杆向下移动，将弹簧压缩，直到弹簧反作用力与信号压力在波纹膜片上的推力相平衡，使推杆稳定在一个新位置为止。
2.3调节阀外型结构图
见附图2
第三章 蒸汽贮罐的设计
3.1贮罐壁厚设计
1.设计题目：蒸汽贮罐设计 已知条件：
工作压力为0.7MPa ，工作温度为170℃，罐体内径i D 为500mm,罐体材料为Q235R 。罐体采用双面对接焊，局部无损探伤 设计压力：
取最高工作压力的1.1倍，即Pc=0.7×1.1=0.77MPa 。 设计温度：
最高工作温度为170℃，一般当W T >15℃时，介质设计温度应在工作温度的基础上加15~30℃，故可取设计温度为200℃。
Pc=0.77MPa ，设计温度为200℃，综合考虑安全性和经济性，查询有关资料，Q235R ，假设壳体厚度在3—16 mm 范围内，查表可得
[]t σ=126.5MP a 。考虑采用双面对接焊，局部无损擦伤，焊接接头系数
取0.85?=。则有：
[]mm 80.177
.085.05.1262500
77.0P 2D P c
t
i
c =-???=
-=
φσδ 取C 1=0.3 C 2=1 则有：
δn=δ+C 1+C 2+圆整值=1.80+0.3+1+圆整值=4mm 对于Q235R ，δmin ≥3mm
则筒体设计厚度δd=δ+c2=1.80+1=2.80mm 则筒体名义厚度δn=4mm
δn=4mm 介于3—16 mm 之间，满足条件。
3.2封头壁厚设计
选用标准椭圆形封头，其形状系数1k =，封头采用钢板整体冲压而成，焊接接头系数取0.85?=，故封头计算壁厚：
[]mm 79.10.77
*5.085.05.1262500
77.01P 5.02D KP c
t
i
c =-????=
-=
φσδ
取C 1=0.3 21C mm =
则封头设计厚度δd=δ+C 2=1.79+1=2.79mm
则封头名义厚度δn=δ+C 1+C 2+圆整值=1.79+0.3+1+圆整值=4mm δn=4mm 介于3—16 mm 之间，满足条件。
3.3 液压试验应力校核：
Q235R 在小于常温时的许用应力均为148MPa. 试验压力[][]
125
1.25 1.250.88 1.185116T t
p p
MPa σσ==??=1.25×0.77×148/126.5=1.13MPa δe=δn-C 1-C 2=4-1-0.3=2.7mm 故()()
1.185500
2.7110.3122 2.7
T i e T e
P D MPa σσσ?+?+=
==?1.13×(500+2.7)/2×2.7=105.2MPa
而0.9φRel=0.9×0.85×345=264.0MPa
0.9T eL R σ?<,液压试验应力校核合格。
3.4 支座设计
DN<=900,容器厚度>3mm,选用Q235为支座材料，本不需要设置垫板，考虑问题压力内部压力比较大，可直接选择使用鞍式支座。
由前边各项数据已定，由JB/T4712.3-2007，选用JB/T4712.3-2007 鞍式支座。
3.5法兰、垫片、材料确定
法兰如图
选用带颈对焊钢制管法兰，按GB20595-2009标准，都是FM（凹面），凹凸面安装时易于对中，且能有效地防止垫片被挤出压紧面，使用于PN≤6.4MPa的容器法兰和管法兰。选用尺寸见表1。
垫片的选择
垫片是螺栓法兰连接的核心，决定密封性能，选用非石棉纤维橡胶，尺寸见表4。
材料的选择
筒体、封头、鞍座为Q345R，考虑焊接性能，接管选用20号钢。
布置图见附图3，罐体装配图见附图4
第四章控制回路设计
4.1前馈反馈控制回路设计
冷凝器E0401的温度控制为前馈反馈控制系统，系统的被控变量是换热器出口被冷却流体温度。
其控制原理图、方框图如下：
调节阀为气开阀，调节器为反作用。
当由于干扰作用流体出口温度升高时，信号被变送到加法器，同时此时物料的温度情况也由检测信号输送到加法器，由于调节器为副作用会是气动阀的信号减弱，开度减小。而前馈补偿可以克服温度带来的滞后。使调节阀达到合理的开度，使调节准确迅速。
4.2比值控制回路设计
为变比值控制系统，系统的被控变量是水的流量。
，其控制原理图、方框图如下：
调节阀为气关阀，调节器为正作用。
当氯气的流量变大时，前馈检测会式信号传送到流量调节器内。由于为正作用会是调节阀的开度减小，流量下降，流量趋于稳定。
同时通过比例器使水的流量增加，进而使氯气得到充分反映。同时氯气为有毒气体，所以需要现场监控。
4.3串级均匀控制回路设计
为串级均匀控制系统，系统的被控变量是管道内物料的流量，
其控制原理图、方框图如下：
调节阀为气关阀，流量调节器为正作用、温度调节器为反作用。当塔底温度升高时，TC得到的信号变强，由于为副作用则其输出信号下降。蒸汽流量通过前馈补偿作用克服滞后，以Tc的输出为给定的信号流量调节器为正作用，使气关阀的开度减小，那么蒸汽流量减小，内部温度下降。TC来改变流量调节器的给定值，使温度与流量在规定变化范围内作均匀缓慢地变化，达到了均匀控制的目的。
4.4串级控制回路设计
精馏塔提留段的温度与蒸汽流量控制为串级控制系统，FRC-101为副回路，对加热蒸汽流量进行控制；TRC-102为主回路，对提馏段温度进行控制。当加热蒸汽压力波动不大时，通过“主／串”切换开关可使主控制器的输出直接去控制执行器，实现主控。其控制原理图、方框图如下：
调节阀为气关阀，副调节器为正作用，主调节器为反作用。
副回路：当蒸汽流量增大时，测量信号增强，调节器为正作用，则输出增强，调节阀为气关阀，信号增强，阀开度减小，使蒸汽流量减小。
主回路：当塔底温度升高时，主调节器的测量信号增强，主调节器为反作用，则输出信号减小。主输出作为副给定，副调节器的给定值减小，相当于测量值增大，副调节器为正作用，测量值增大，输出信号增大，调节阀为气关阀，信号增大，阀开度减小，蒸汽量减小，塔釜温度降低。
带控制点的管道仪表流程图见附图5
第五章结语
在课程设计过程中，我们对整套设备控制进行了设计研究，设计了规定的阀门和储罐。在设计过程中我遇到许多实际问题，通过与其他老师讨论的方法。这次课程设计历时一个多星期左右，通过这两个多星期的学习，发现了自己的很多不足和很多的知识漏洞，真实的感觉到自己实践经验的缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
通过查阅课程设计指南和先关书记和标准，我了解熟悉了国家标准的同时也对具体的设计过程有了一定的认识。这段时间里，我初步学会了如何选择管道、法兰、垫片的形式以及它们的配合，并且对公称通径有了更清晰的了解。树立了工程意识，由老师的指导下，我更深刻地理解了控制技术这门课程的意义。在老师的细心指导与指点下，学到了很多课本上找不到的知识，受益匪浅。
参考文献
【1】《过程设备设计》第二版，郑津洋，董其伍，桑芝富，化学工业出版社，2005
【2】GB150-1998《钢制压力容器》
【3】HGJ20580-20585-1998《钢制化工容器设计基础规定》
【4】JB/T4712.1-4712.4-2007《容器支座》
【5】HG/T20592-20635-2009《钢制管法兰，垫片，紧固件》
【6】材料与零部件
【7】JB/T4736-2002《补强圈》
【8】JB/T4736《钢制压力容器用封头》
【9】《压力容器安全技术监察规程》
【10】HG/T21514-21535-2005《钢制人孔和手孔》
【11】JB/T4731-2005《钢制卧式容器》
【12】TSGR004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
燕山大学课程设计评审意见表