第18章化學(xué)反應(yīng)器的控制

1、過程控制工程第第1818章章 化學(xué)反應(yīng)器的控制化學(xué)反應(yīng)器的控制第 13 課Process Control EngineeringProcess Control Engineering北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自動化系 宿翀 化學(xué)反應(yīng)器的控制化學(xué)反應(yīng)器的控制18.1 概述概述18.2 反應(yīng)器的特性反應(yīng)器的特性18.3 反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析18.4 反應(yīng)器的基本控制方案反應(yīng)器的基本控制方案18.5 反應(yīng)器的新型控制方案反應(yīng)器的新型控制方案化學(xué)反應(yīng)的一些基本概念化學(xué)反應(yīng)的一些基本概念 反應(yīng)速度、反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)速度、反應(yīng)熱效應(yīng) 反應(yīng)過程性能指標：反應(yīng)過程性能指標： 轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率

2、、收率、選擇性轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、收率、選擇性 典型化學(xué)反應(yīng)類型典型化學(xué)反應(yīng)類型化學(xué)反應(yīng)器的類型化學(xué)反應(yīng)器的類型 按物料狀況：連續(xù)式、間歇式按物料狀況：連續(xù)式、間歇式 按物料流程：單程、循環(huán)按物料流程：單程、循環(huán) 圖圖18-1加熱或冷卻加熱或冷卻 反應(yīng)器反應(yīng)器 后處理后處理工序工序 產(chǎn)品產(chǎn)品 其他物料其他物料 進料進料 進料進料 反應(yīng)器反應(yīng)器 后處理后處理工序工序 產(chǎn)品產(chǎn)品 溶劑或其他溶劑或其他 未反應(yīng)物未反應(yīng)物 按設(shè)備結(jié)構(gòu)：釜式、管式、塔式、固定床、流動床按設(shè)備結(jié)構(gòu)：釜式、管式、塔式、固定床、流動床 圖圖18-2 按傳熱情況：絕熱式、非絕熱式按傳熱情況：絕熱式、非絕熱式化學(xué)反應(yīng)器的類型化學(xué)反應(yīng)器的

3、類型化學(xué)反應(yīng)器的控制要求化學(xué)反應(yīng)器的控制要求（1）物料平衡控制）物料平衡控制 流量控制流量控制（2）能量平衡控制）能量平衡控制 溫度控制溫度控制（3）約束條件控制）約束條件控制 安全控制，聯(lián)鎖、報警、選擇控制等安全控制，聯(lián)鎖、報警、選擇控制等（4）質(zhì)量控制）質(zhì)量控制 一般的質(zhì)量指標：轉(zhuǎn)化率，要選擇間接指標控制一般的質(zhì)量指標：轉(zhuǎn)化率，要選擇間接指標控制例子，丙烯聚合反應(yīng)釜控制例子，丙烯聚合反應(yīng)釜控制 圖圖18-3 物料的流量定值控制、液位控制物料的流量定值控制、液位控制 通過冷卻水進行反應(yīng)溫度控制通過冷卻水進行反應(yīng)溫度控制 H2含量控制含量控制AC 報警系統(tǒng)（液位）報警系統(tǒng)（液位） 化學(xué)反應(yīng)器的

4、控制要求化學(xué)反應(yīng)器的控制要求化學(xué)反應(yīng)器的控制要求化學(xué)反應(yīng)器的控制要求ACFC氣相出料氣相出料 FCFCFC催化劑催化劑 冷卻水冷卻水 漿漿液液 冷冷卻卻水水 液液位位報報警警TC LC 乙乙烷烷 乙乙烯烯 丙丙烯烯 H2 反應(yīng)動態(tài)特性涉及了傳質(zhì)、反應(yīng)動態(tài)特性涉及了傳質(zhì)、 傳熱、反應(yīng)，機理復(fù)雜傳熱、反應(yīng)，機理復(fù)雜非絕熱連續(xù)反應(yīng)器非絕熱連續(xù)反應(yīng)器 熱量平衡關(guān)系：熱量平衡關(guān)系： dQ/dt （熱量變化）（熱量變化）= Q1（吸熱（吸熱/反應(yīng)放熱）反應(yīng)放熱） Q2（被移走的熱量）（被移走的熱量） P358 推導(dǎo)，得到熱量平衡方推導(dǎo)，得到熱量平衡方程程 若假設(shè)反應(yīng)釜內(nèi)溫度分布均勻，若假設(shè)反應(yīng)釜內(nèi)溫度分布

5、均勻，這是一個一階集中參數(shù)對象這是一個一階集中參數(shù)對象（常微分方程）（常微分方程） 反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物G，f，cp G， c 冷卻劑冷卻劑 VF圖圖18-4對于放熱類型反應(yīng)，熱特性是開環(huán)不穩(wěn)定的，特別是對于放熱類型反應(yīng)，熱特性是開環(huán)不穩(wěn)定的，特別是對于強放熱過程對于強放熱過程 圖圖18-5說明了反應(yīng)器的溫度穩(wěn)定特性說明了反應(yīng)器的溫度穩(wěn)定特性 Q1 234 EDC1組成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)組成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng) 圖圖18-6反應(yīng)物反應(yīng)物物料物料冷劑冷劑TC組成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)組成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)1sTKPPKC R e 圖圖18-7開環(huán)是不穩(wěn)定環(huán)節(jié)開環(huán)是不穩(wěn)定環(huán)節(jié) 分母分母TS-1若要閉

6、環(huán)穩(wěn)定，須若要閉環(huán)穩(wěn)定，須 KC1/KP即，即，KC過小會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定（與開環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)過小會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定（與開環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)論相反）結(jié)論相反）一般為高階系統(tǒng)，因此一般為高階系統(tǒng)，因此KC還有穩(wěn)定上限還有穩(wěn)定上限 式式18-14(KC)minKC(KC)max （1）絕熱反應(yīng)器的溫度控制）絕熱反應(yīng)器的溫度控制 絕熱反應(yīng)絕熱反應(yīng)與外界沒有熱量交換，溫度控制只能對與外界沒有熱量交換，溫度控制只能對進口物料狀態(tài)進行操縱：進口物料狀態(tài)進行操縱： 物料濃度、溫度、流量物料濃度、溫度、流量 反應(yīng)速度快的反應(yīng)器控制難度較大反應(yīng)速度快的反應(yīng)器控制難度較大 溫度、壓力是最常用的控制參數(shù)（直接影響質(zhì)溫度、壓力是最

7、常用的控制參數(shù)（直接影響質(zhì)量指標）量指標）反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制 進料濃度進料濃度 濃度增大，反應(yīng)溫度增加濃度增大，反應(yīng)溫度增加 式式18-16 改變濃度的方法：改變濃度的方法： 反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制pfcyHx0)(改變主要反應(yīng)物的量。如氨氧化的硝酸生產(chǎn)過程，常用改變主要反應(yīng)物的量。如氨氧化的硝酸生產(chǎn)過程，常用 Q1改變主要反應(yīng)物改變主要反應(yīng)物NH3的量來調(diào)節(jié)進料濃度的量來調(diào)節(jié)進料濃度x0，從而控制反，從而控制反應(yīng)溫度應(yīng)溫度。改變已過量的反應(yīng)物的量。如在一氧化碳變換的合成氨改變已過量的反應(yīng)物的量。如在一氧化碳變換的合成氨 x0 生產(chǎn)過程中，通過改變已過量的反應(yīng)物水蒸氣的

8、量，達到控生產(chǎn)過程中，通過改變已過量的反應(yīng)物水蒸氣的量，達到控制變換爐內(nèi)反應(yīng)溫度制變換爐內(nèi)反應(yīng)溫度。反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制循環(huán)操作系統(tǒng)中改變循環(huán)量。如在氮氫合成的合成氨循環(huán)操作系統(tǒng)中改變循環(huán)量。如在氮氫合成的合成氨生產(chǎn)過程中，以改變循環(huán)氣量來調(diào)節(jié)進料濃度生產(chǎn)過程中，以改變循環(huán)氣量來調(diào)節(jié)進料濃度x0，從而，從而控制合成控制合成塔的反應(yīng)溫度塔的反應(yīng)溫度。 在均相催化反應(yīng)中改變催化劑的量。如在高壓聚乙烯在均相催化反應(yīng)中改變催化劑的量。如在高壓聚乙烯的聚合反應(yīng)中，改變催化劑量來的聚合反應(yīng)中，改變催化劑量來調(diào)整進料濃度調(diào)整進料濃度x0，控制，控制聚合釜內(nèi)反應(yīng)溫度聚合釜內(nèi)反應(yīng)溫度。 反應(yīng)器的溫度

9、控制反應(yīng)器的溫度控制 進料溫度進料溫度 溫度增加，反應(yīng)溫度增加溫度增加，反應(yīng)溫度增加 式式18-17 控制方案控制方案 圖圖18-12：改變加熱量：改變加熱量pfcyHx0載熱體載熱體進料進料TC反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制控制方案控制方案圖圖18-13、14：進口溫度控制，出口與進口熱量交換，：進口溫度控制，出口與進口熱量交換，利用能量利用能量TCTC進料進料進料進料出料出料出料出料反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制 進料流量（負荷）進料流量（負荷） 負荷增加，停留時間減小，放熱減小負荷增加，停留時間減小，放熱減小 缺點：負荷頻繁變化不利于穩(wěn)定生產(chǎn)缺點：負荷頻繁變化不利于穩(wěn)定生產(chǎn)反應(yīng)器的溫

10、度控制反應(yīng)器的溫度控制（2）非絕熱反應(yīng)器的溫度控制）非絕熱反應(yīng)器的溫度控制 可以與外部進行熱量交換，控制類似于換熱設(shè)備可以與外部進行熱量交換，控制類似于換熱設(shè)備 分程控制（加熱、撤熱）分程控制（加熱、撤熱）TC冷水冷水蒸汽蒸汽出料出料進料進料圖圖18-16反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制分段控制（加強局部控制）分段控制（加強局部控制） 圖圖18-17冷卻劑冷卻劑冷卻劑冷卻劑冷卻劑冷卻劑TCTCTC反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制串級控制（克服熱載體波干擾）串級控制（克服熱載體波干擾）冷卻劑冷卻劑進料進料出料出料TCTC圖圖18-18反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制前饋前饋反饋控制（克服復(fù)合變化

11、干擾）反饋控制（克服復(fù)合變化干擾） 圖圖18-19 +Gff TC進料進料出料出料冷卻劑冷卻劑反應(yīng)器的進料流量控制反應(yīng)器的進料流量控制圖圖18-20、 21、22、23反應(yīng)器的壓力控制反應(yīng)器的壓力控制圖圖18-23、 24、 25聚合釜的溫度聚合釜的溫度-壓力串級控制系統(tǒng)壓力串級控制系統(tǒng)聚合反應(yīng)釜：密閉容器、容量大、傳熱效果差聚合反應(yīng)釜：密閉容器、容量大、傳熱效果差 壓力變化提前反映了溫度變化壓力變化提前反映了溫度變化 PC TC T1i p T1 冷卻水冷卻水圖圖18-26 18-26 反應(yīng)溫反應(yīng)溫度度壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng) 具有壓力補償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制具有壓力補償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制 圖圖1

12、8-27 采用計算裝置對壓力影響進行補償采用計算裝置對壓力影響進行補償 控制效果比串級控制要好控制效果比串級控制要好 RY1 計算溫度與壓力的線性模型，計算溫度與壓力的線性模型，RY2用于非線性補償用于非線性補償TC RY RY2 冷卻水冷卻水TCT0T1PRY1 RY2TC=ap+T0 dtTTbTC)(10T1 TC b a p 具有壓力補償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制具有壓力補償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制進一步引入夾套溫度，組成串級控制系統(tǒng)進一步引入夾套溫度，組成串級控制系統(tǒng) CT 給出溫給出溫度變化規(guī)律，度變化規(guī)律，T1C通過冷凝回流控制溫度，通過冷凝回流控制溫度，T2C和和T3C串級系統(tǒng)控制冷水閥和蒸汽閥

13、（分程控制）串級系統(tǒng)控制冷水閥和蒸汽閥（分程控制）T1C 蒸汽蒸汽水水水水T2C T3C CT RY RY C 0 1 j 水水冷凝回流冷凝回流圖圖18-281 1 tt具有壓力補償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制具有壓力補償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制變換爐的最優(yōu)控制變換爐的最優(yōu)控制 合成氨生產(chǎn)，變換產(chǎn)生合成氨生產(chǎn)，變換產(chǎn)生H2 圖圖18-30 Cin SV AF 變換爐變換爐 原料氣原料氣 高壓蒸汽高壓蒸汽 廢熱廢熱鍋爐鍋爐鍋爐給水鍋爐給水變換器變換器預(yù)熱器預(yù)熱器inop 計算計算inop TC變換爐的最優(yōu)控制變換爐的最優(yōu)控制最優(yōu)控制：使變換氣中最優(yōu)控制：使變換氣中CO含量最小含量最小 方法：建立數(shù)學(xué)模型方法：建立數(shù)學(xué)模型 18-20確立目標函數(shù)確立目標函數(shù) 18-21求解最優(yōu)控制