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文檔簡介
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
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