过程控制-7-反应器控制

1、第七章反应器控制内 容p 引 言p反应速度与反应平衡p反应器数学模型p反应器的基本控制方案p典型反应器的控制方案化学反应过程种类p操作方式（是否连续进料与连续出料）：连续与间歇；p热交换形式（是否与外界存在热量交换）：绝热与非绝热；p反应物/生成物的形态：均相与非均相（如气、固流化床）；p物料是否循环：单程反应与循环反应；反应过程物流方式反应器后处理工序进料产品其它物料加热或冷却( a )单程型反应器后处理工序进料产品溶剂或其它加热或冷却+未反应物料( b )循环型反应器种类再生器提升管反应器沉降器待生催化剂再生催化剂空气烟气进料油反应油气气体固相经提升或再生化学反应速度QmMlLbBaA定义

2、：单位时间内单位反应体积中某一反应物或生成物定义：单位时间内单位反应体积中某一反应物或生成物摩尔数的变化量摩尔数的变化量。对反应物A，其反应速度为01dtCddtndVrAAA01dtCddtndVrMMM对生成物M，其反应速度为考虑化学反应：rmrlrbrarMLBA相互关系：影响反应速度的因素对于单向反应，反应速度通常可表示为BACCkr 其中CA、CB为反应物A、B的摩尔浓度；、为反应物A、B的反应级数，+为反应级数；k为反应速度常数，通常为温度的函数，RTEkkexp0rCCTAA,化学反应平衡QmMlLbBaA总的反应速度为当 r总 = 0 时，反应达到平衡（反应物与生成物的浓度均不

3、变）。而化学平衡常数为对于可逆反应：212121MLBACCkCCkr总212121BAMLCCCCkkKK与反应温度有关：若正向反应为吸热反应，则反应温度T K；反之，则T K；反应转化率、产率与收率)()(副反应主反应CBACBA对于可逆反应：%100*的摩尔数进入反应器的的摩尔数参加反应的转化率AA%100*的摩尔数参加反应的的摩尔数的转化为产品产率AAC%100*的摩尔数进入反应器的的摩尔数的转化为产品收率AAC操作条件对化学反应的影响p浓度浓度。提高反应物的浓度、降低生成物的浓度，可提高总的反应速度与转化率；p反应压力反应压力。对于有气体参加的可逆反应，增加总压力，化学平衡向摩尔数减

4、少的反应方向移动；p反应温度反应温度。温度升高，正反向反应速度均提高。在平衡条件下，对吸热反应有利。p催化剂催化剂。催化剂不影响化学平衡，但加快反应速度。例子：氨的合成反应与变换反应QNHNH322232220HCOCOH,反应器温度建模假设反应是一级不可逆放热反应，进料与出料的体积流量相同，密度均为 ，反应器内温度与浓度均匀，并分别与出口温度和浓度相同。BAK问题问题：求取操作变量( F、Tc )对被控变量( T、cA)的静态动态特性，并分析对象本身的稳定性。Step 1: 列写动态方程式VF, T, cA反应产物反应物F, Tf , cA0Tc冷却剂1. 化学反应速度方程AAAAVrFcF

5、cdtdVc0RTEcKdtdcrAAAexp02. 组分A的物料平衡式)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAAStep 1: 列写动态方程式（续）VF, T, cA反应产物反应物F, Tf , cA0Tc冷却剂3. 反应器内的热量衡算式21QQdtQd其中Q 为反应器内的热量累积, Q1 为单位时间内输入热量， Q2 为输出热量;AfpHVrTcFQ1TcVQp)(2cpTTKATcFQ)(exp0cpfpApTTKATcFTcFRTEcHVKdtdTcV反应器数学模型)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAA)(exp)(0TTKARTEKHVcTTcFdtdTcVc

6、Afpp动态模型动态模型：稳态模型稳态模型：0)exp()(00RTEKcccVFAAA0)()(exp0cfpATTKATTcFRTEKHVc反应器热稳定性分析0)exp()(00RTEKcccVFAAA00)exp(/AAcRTEKVFVFc)()(1cfpTTKATTcFQ00002)exp(/*)exp(KRTEVFVFKHVcRTEKHVcQAA（1）物料与冷剂所带走的热量为（2）反应所放出的热量为绝热反应热稳定性分析)(1fpTTcFQ假设某工作点C 满足Q 1 = Q 2 = Q 0（Q 0为反应温度为T0时反应的放热量）；当T 发生小的变化时，有对于绝热反应，ffTTTTQQ0

7、0100002)exp()exp(KFVRTEKFVRTEQQCDE12343803904004104202.01.51.00.50.0TQ1 /Q0反应器的热稳定性分析p多数被控工业对象具有稳定的特性，即开环传递函数的相关的极点都位于根平面的左侧，称为开环稳定的对象。但是由于化学反应器伴随有强烈的热效应，情况就复杂一些。吸热反应对象：由于反应是吸热的，Tv吸热QT，具有热自衡性，对温度变化对象具有负反馈特性。开环特性就是稳定的。1.放热反应对象：由于反应是放热的，Tv+QTv+Q，对于温度的变化对象有正反馈性质，若无适当的除热措施，对象开环情况是不稳定的。7.2 反应器的基本控制方案图图7-

8、2 7-2 调节出料量的压力控制调节出料量的压力控制7.2 反应器的基本控制方案图图7-3 7-3 聚合釜温度聚合釜温度- -压力串级控制系统压力串级控制系统 图图7-4 改变进料浓度控制方案改变进料浓度控制方案 7.3.1 绝热反应器的控制方案 图图7-5 改变进料温度控制方案改变进料温度控制方案7.3.1 绝热反应器的控制方案图图7-6 改变段间进入的冷气量控制方案改变段间进入的冷气量控制方案1 图图7-7 改变段间进入冷气量控制方案改变段间进入冷气量控制方案27.3.2 聚合釜的控制p对容量较大的聚合反应釜，其反应放热量大，传热效果差。如何控制其温度平稳较为困难。在化学反应器中，如果不能

9、及时的稳定必要的热量就会使反应器出现热量积累，造成一个正反馈的循环。即：热量Q反应速度v放热QT。对这类开环不稳定系统，只要增加传热面积或加快传热速率，使稳态热量的速度大于反应放热速度，系统开环才会稳定。p由于单体转化或聚合物的转化率取决于给定温度，给定时间下的反应速度。通过恒定给料即可控制停留时间。7.3.2 聚合反应器的控制方案图图7-8 7-8 控制进料温度方案控制进料温度方案7.3.2 聚合反应器的控制方案图图7-9 7-9 改变传热量控制方案改变传热量控制方案7.3.2 聚合釜的反应温度控制出料进料T2CT1C加热器冷却器加热阀冷却阀T1, spT1T2热水蒸汽60 H2O1 H2O

10、Tf7.3.2 聚合反应器的控制方案图图7-10 7-10 反应釜串级控制方案反应釜串级控制方案1 1 图图 7-11 7-11 反应釜串级控制方案反应釜串级控制方案2 27.3.3 连续反应器的控制方案p设计反应器控制方案时，首先要弄清反应器的控制指标和控制手段。关于控制指标有以下几点：指标：根据反应器类型进行过程不同，其控制指标可以选择反应转化率、产品质量、产量等直接指标或其它有点间接指标如T、P等。物料平衡与能量平衡：为了正常操作，运行过程中要保持物料平衡和能量平衡。为了物料平衡要求处理平稳，对主要物料设流量调节。为了能量平衡要防止热量积聚，即使除去反应热。设温度控制。约束条件：反应器操作的安全性较之其它设备更安全。它往往带有较多的约束条件。对流体的F、P、T都有一定要求。通常配置一套自动保护系统。p控制指标的选择往往是反应器控制方案设计的一个关键。p一般考虑如下几点：直接选择反应物成份、浓度作直接被控参数。1.选择某种间接参数作为被控参数。（如绝热反应器中的代替转化率）7.3.3 连续反应器的控制方案图图7-12 7-12 裂解炉的控制图裂解炉的控制图7.3.3 连续反应器的控制方案（1 1）此