第18章化学反应器的控制

1、过程控制工程第第1818章章 化学反应器的控制化学反应器的控制第 13 课Process Control EngineeringProcess Control Engineering北京化工大学信息科学与技术学院自动化系 宿翀 化学反应器的控制化学反应器的控制18.1 概述概述18.2 反应器的特性反应器的特性18.3 反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析18.4 反应器的基本控制方案反应器的基本控制方案18.5 反应器的新型控制方案反应器的新型控制方案化学反应的一些基本概念化学反应的一些基本概念 反应速度、反应热效应反应速度、反应热效应 反应过程性能指标：反应过程性能指标： 转化率、产率

2、、收率、选择性转化率、产率、收率、选择性 典型化学反应类型典型化学反应类型化学反应器的类型化学反应器的类型 按物料状况：连续式、间歇式按物料状况：连续式、间歇式 按物料流程：单程、循环按物料流程：单程、循环 图图18-1加热或冷却加热或冷却 反应器反应器 后处理后处理工序工序 产品产品 其他物料其他物料 进料进料 进料进料 反应器反应器 后处理后处理工序工序 产品产品 溶剂或其他溶剂或其他 未反应物未反应物 按设备结构：釜式、管式、塔式、固定床、流动床按设备结构：釜式、管式、塔式、固定床、流动床 图图18-2 按传热情况：绝热式、非绝热式按传热情况：绝热式、非绝热式化学反应器的类型化学反应器的

3、类型化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求（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 温度控制温度控制（3）约束条件控制）约束条件控制 安全控制，联锁、报警、选择控制等安全控制，联锁、报警、选择控制等（4）质量控制）质量控制 一般的质量指标：转化率，要选择间接指标控制一般的质量指标：转化率，要选择间接指标控制例子，丙烯聚合反应釜控制例子，丙烯聚合反应釜控制 图图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 通过冷却水进行反应温度控制通过冷却水进行反应温度控制 H2含量控制含量控制AC 报警系统（液位）报警系统（液位） 化学反应器的

4、控制要求化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求ACFC气相出料气相出料 FCFCFC催化剂催化剂 冷却水冷却水 浆浆液液 冷冷却却水水 液液位位报报警警TC LC 乙乙烷烷 乙乙烯烯 丙丙烯烯 H2 反应动态特性涉及了传质、反应动态特性涉及了传质、 传热、反应，机理复杂传热、反应，机理复杂非绝热连续反应器非绝热连续反应器 热量平衡关系：热量平衡关系： dQ/dt （热量变化）（热量变化）= Q1（吸热（吸热/反应放热）反应放热） Q2（被移走的热量）（被移走的热量） P358 推导，得到热量平衡方推导，得到热量平衡方程程 若假设反应釜内温度分布均匀，若假设反应釜内温度分布

5、均匀，这是一个一阶集中参数对象这是一个一阶集中参数对象（常微分方程）（常微分方程） 反应产物反应产物反应产物反应产物G，f，cp G， c 冷却剂冷却剂 VF图图18-4对于放热类型反应，热特性是开环不稳定的，特别是对于放热类型反应，热特性是开环不稳定的，特别是对于强放热过程对于强放热过程 图图18-5说明了反应器的温度稳定特性说明了反应器的温度稳定特性 Q1 234 EDC1组成闭环温度控制系统组成闭环温度控制系统 图图18-6反应物反应物物料物料冷剂冷剂TC组成闭环温度控制系统组成闭环温度控制系统1sTKPPKC R e 图图18-7开环是不稳定环节开环是不稳定环节 分母分母TS-1若要闭

6、环稳定，须若要闭环稳定，须 KC1/KP即，即，KC过小会导致系统不稳定（与开环稳定系统过小会导致系统不稳定（与开环稳定系统结论相反）结论相反）一般为高阶系统，因此一般为高阶系统，因此KC还有稳定上限还有稳定上限 式式18-14(KC)minKC(KC)max （1）绝热反应器的温度控制）绝热反应器的温度控制 绝热反应绝热反应与外界没有热量交换，温度控制只能对与外界没有热量交换，温度控制只能对进口物料状态进行操纵：进口物料状态进行操纵： 物料浓度、温度、流量物料浓度、温度、流量 反应速度快的反应器控制难度较大反应速度快的反应器控制难度较大 温度、压力是最常用的控制参数（直接影响质温度、压力是最

7、常用的控制参数（直接影响质量指标）量指标）反应器的温度控制反应器的温度控制 进料浓度进料浓度 浓度增大，反应温度增加浓度增大，反应温度增加 式式18-16 改变浓度的方法：改变浓度的方法： 反应器的温度控制反应器的温度控制pfcyHx0)(改变主要反应物的量。如氨氧化的硝酸生产过程，常用改变主要反应物的量。如氨氧化的硝酸生产过程，常用 Q1改变主要反应物改变主要反应物NH3的量来调节进料浓度的量来调节进料浓度x0，从而控制反，从而控制反应温度应温度。改变已过量的反应物的量。如在一氧化碳变换的合成氨改变已过量的反应物的量。如在一氧化碳变换的合成氨 x0 生产过程中，通过改变已过量的反应物水蒸气的

8、量，达到控生产过程中，通过改变已过量的反应物水蒸气的量，达到控制变换炉内反应温度制变换炉内反应温度。反应器的温度控制反应器的温度控制循环操作系统中改变循环量。如在氮氢合成的合成氨循环操作系统中改变循环量。如在氮氢合成的合成氨生产过程中，以改变循环气量来调节进料浓度生产过程中，以改变循环气量来调节进料浓度x0，从而，从而控制合成控制合成塔的反应温度塔的反应温度。 在均相催化反应中改变催化剂的量。如在高压聚乙烯在均相催化反应中改变催化剂的量。如在高压聚乙烯的聚合反应中，改变催化剂量来的聚合反应中，改变催化剂量来调整进料浓度调整进料浓度x0，控制，控制聚合釜内反应温度聚合釜内反应温度。 反应器的温度

9、控制反应器的温度控制 进料温度进料温度 温度增加，反应温度增加温度增加，反应温度增加 式式18-17 控制方案控制方案 图图18-12：改变加热量：改变加热量pfcyHx0载热体载热体进料进料TC反应器的温度控制反应器的温度控制控制方案控制方案图图18-13、14：进口温度控制，出口与进口热量交换，：进口温度控制，出口与进口热量交换，利用能量利用能量TCTC进料进料进料进料出料出料出料出料反应器的温度控制反应器的温度控制 进料流量（负荷）进料流量（负荷） 负荷增加，停留时间减小，放热减小负荷增加，停留时间减小，放热减小 缺点：负荷频繁变化不利于稳定生产缺点：负荷频繁变化不利于稳定生产反应器的温

10、度控制反应器的温度控制（2）非绝热反应器的温度控制）非绝热反应器的温度控制 可以与外部进行热量交换，控制类似于换热设备可以与外部进行热量交换，控制类似于换热设备 分程控制（加热、撤热）分程控制（加热、撤热）TC冷水冷水蒸汽蒸汽出料出料进料进料图图18-16反应器的温度控制反应器的温度控制分段控制（加强局部控制）分段控制（加强局部控制） 图图18-17冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂TCTCTC反应器的温度控制反应器的温度控制串级控制（克服热载体波干扰）串级控制（克服热载体波干扰）冷却剂冷却剂进料进料出料出料TCTC图图18-18反应器的温度控制反应器的温度控制前馈前馈反馈控制（克服复合变化

11、干扰）反馈控制（克服复合变化干扰） 图图18-19 +Gff TC进料进料出料出料冷却剂冷却剂反应器的进料流量控制反应器的进料流量控制图图18-20、 21、22、23反应器的压力控制反应器的压力控制图图18-23、 24、 25聚合釜的温度聚合釜的温度-压力串级控制系统压力串级控制系统聚合反应釜：密闭容器、容量大、传热效果差聚合反应釜：密闭容器、容量大、传热效果差 压力变化提前反映了温度变化压力变化提前反映了温度变化 PC TC T1i p T1 冷却水冷却水图图18-26 18-26 反应温反应温度度压力控制系统压力控制系统 具有压力补偿的反应釜温度控制具有压力补偿的反应釜温度控制 图图1

12、8-27 采用计算装置对压力影响进行补偿采用计算装置对压力影响进行补偿 控制效果比串级控制要好控制效果比串级控制要好 RY1 计算温度与压力的线性模型，计算温度与压力的线性模型，RY2用于非线性补偿用于非线性补偿TC RY RY2 冷却水冷却水TCT0T1PRY1 RY2TC=ap+T0 dtTTbTC)(10T1 TC b a p 具有压力补偿的反应釜温度控制具有压力补偿的反应釜温度控制进一步引入夹套温度，组成串级控制系统进一步引入夹套温度，组成串级控制系统 CT 给出温给出温度变化规律，度变化规律，T1C通过冷凝回流控制温度，通过冷凝回流控制温度，T2C和和T3C串级系统控制冷水阀和蒸汽阀

13、（分程控制）串级系统控制冷水阀和蒸汽阀（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图图18-281 1 tt具有压力补偿的反应釜温度控制具有压力补偿的反应釜温度控制变换炉的最优控制变换炉的最优控制 合成氨生产，变换产生合成氨生产，变换产生H2 图图18-30 Cin SV AF 变换炉变换炉 原料气原料气 高压蒸汽高压蒸汽 废热废热锅炉锅炉锅炉给水锅炉给水变换器变换器预热器预热器inop 计算计算inop TC变换炉的最优控制变换炉的最优控制最优控制：使变换气中最优控制：使变换气中CO含量最小含量最小 方法：建立数学模型方法：建立数学模型 18-20确立目标函数确立目标函数 18-21求解最优控制