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(biāo)：反應(yīng)過程性能指標(biāo)： 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(jìn)料進(jìn)料 進(jìn)料進(jìn)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(bào)警、選擇控制等安全控制，聯(lián)鎖、報(bào)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(biāo)：轉(zhuǎn)化率，要選擇間接指標(biāo)控制一般的質(zhì)量指標(biāo)：轉(zhuǎn)化率，要選擇間接指標(biāo)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(jìn)行反應(yīng)溫度控制通過冷卻水進(jìn)行反應(yīng)溫度控制 H2含量控制含量控制AC 報(bào)警系統(tǒng)（液位）報(bào)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(bào)報(bào)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(jī)理復(fù)雜傳熱、反應(yīng)，機(jī)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(qiáng)放熱過程對于強(qiáng)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(jìn)口物料狀態(tài)進(jìn)行操縱：進(jìn)口物料狀態(tài)進(jìn)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(biāo)）量指標(biāo)）反應(yīng)器的溫度控制反應(yīng)器的溫度控制 進(jìn)料濃度進(jìn)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(jìn)料濃度的量來調(diào)節(jié)進(jìn)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(dá)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(dá)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?dú)浜铣傻暮铣砂毖h(huán)操作系統(tǒng)中改變循環(huán)量。如在氮?dú)浜铣傻暮铣砂鄙a(chǎn)過程中，以改變循環(huán)氣量來調(diào)節(jié)進(jìn)料濃度生產(chǎn)過程中，以改變循環(huán)氣量來調(diào)節(jié)進(jìn)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(jìn)料濃度調(diào)整進(jìn)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(jìn)料溫度進(jìn)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(jìn)料進(jìn)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(jìn)口溫度控制，出口與進(jìn)口熱量交換，：進(jìn)口溫度控制，出口與進(jìn)口熱量交換，利用能量利用能量TCTC進(jìn)料進(jìn)料進(jìn)料進(jìn)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(jìn)料流量（負(fù)荷）進(jìn)料流量（負(fù)荷） 負(fù)荷增加，停留時間減小，放熱減小負(fù)荷增加，停留時間減小，放熱減小 缺點(diǎn)：負(fù)荷頻繁變化不利于穩(wěn)定生產(chǎn)缺點(diǎn)：負(fù)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(jìn)行熱量交換，控制類似于換熱設(shè)備可以與外部進(jìn)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(jìn)料進(jìn)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(qiáng)局部控制）分段控制（加強(qiáng)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(jìn)料進(jìn)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(jìn)料進(jìn)料出料出料冷卻劑冷卻劑反應(yīng)器的進(jìn)料流量控制反應(yīng)器的進(jìn)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(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制具有壓力補(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制 圖圖1

12、8-27 采用計(jì)算裝置對壓力影響進(jìn)行補(bǔ)償采用計(jì)算裝置對壓力影響進(jìn)行補(bǔ)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(jì)算溫度與壓力的線性模型，計(jì)算溫度與壓力的線性模型，RY2用于非線性補(bǔ)償用于非線性補(bǔ)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(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制具有壓力補(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制進(jìn)一步引入夾套溫度，組成串級控制系統(tǒng)進(jìn)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(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)釜溫度控制具有壓力補(bǔ)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(jì)算計(jì)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(biāo)函數(shù)確立目標(biāo)函數(shù) 18-21求解最優(yōu)控制