【反应釜温度过程分析及控制模型建立案例3800字（论文）】

反应釜温度过程分析及控制模型建立案例目录TOC\o"1-3"\h\u27038反应釜温度过程分析及控制模型建立案例 16221.1反应釜的结构及其工艺特性 177161.1.1反应釜结构 2291231.1.2反应釜生产过程的工艺参数 3140971.1.3反应釜工作特性 4187791.2温度控制系统模型建立介绍 4173561.1.1模型的种类 4309061.1.2温度对反应速率的影响 511871.1.3升温阶段 6231672-3对温度控制指标的描述 81.1反应釜的结构及其工艺特性连续、间歇性生产为工艺流程的不同生产方式，随着科技的发展，小批量，多样化、多品种等生产方式被各个企业所采纳。小批量生产、多批次品种、反应时长高、间断式生产的产品成为反应釜的主要功能，因而广泛应用于各个企业的产品生产中。其控制图和间歇反应釜结构如图1.1所示。图1.1间歇反应釜结构示意图1.1.1反应釜结构反应釜由反应釜本体、反应釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支架等组成，当搅拌装置高径比较大时，可采用多层搅拌叶片，可根据用户要求选择，夹套置于茶壶外壁，或换热面固定在反应釜内，或外循环换热，当转速超过160转/分时，应使用减速器、孔数、规格或其它要求可根据用户要求设计制作。连续式反应釜通常用于连续批量生产，间歇反应釜通常用于小批量生产，由上所述，现在小批量生产发展前景不可估量，正因为如此它才能在各个行业之间稳步立足，被各个行业广泛应用，更能满足生产过程的需要。反应釜所用的复合材料：搪瓷、不锈钢、碳锰钢等；换热结构：夹套式、电加热式等。在我们现实所用生产工程中，选择反应釜的材料和参数时我们必须事先了解系统的功能[13]。其结构如图1.2所示，如表1.3部件介绍。图1.2结构介绍表1.3组成部件介绍标号名称标号名称标号名称标号名称1罐体5搅拌器9进料口13出料口2夹套6搅拌轴10排污口14导热油进口3釜内蛇形管7传动装置11冷凝器15导热油出口4视镜8磁力耦合器12回流罐16罐体支架1.1.2反应釜生产过程的工艺参数原料重量、进料阀输入、导热油输入、导热油温度、釜的温度、搅拌器、发动机等为反应釜生产过程中的控制参数[14]。（1）进料前，要计算出原料的准确质量，一定要达到原料之间的标准配制比例。配制比例不同会生产出和需要生产出的产品不同的物质或者直接使此次产的产品报废，因此生产出合格产品的必要条件是要求原料配比达到规定标准。添加到制备罐中的不同原料的质量通过电子称重传感器传输到控制系统中去，之后根据之前预存好的工艺配方控制相应进料阀的输入原料的质量，最后准确完成原料配比。（2）通过监测器查看导热油的输入和输出温度，由此可以大致估计出反应釜的温度，提高温度控制的精度。导热油的温度是监测导热系数的一个指标。（3）在反应过程中，可以利用导热油的温度来控制反应釜内所加原料的温度，然后控制搅拌器转速让它转动起来，这样就可以使釜内的原料分布均匀、混合均匀，温度分布均匀，能有效抑制飞温现象。反应釜内原料的温度参数是控制过程的最终参数和技术指标。（4）为了确保生产的安全进而控制釜内压力。釜内压力不能超高，否则会使反应釜发生爆炸，所以这也是工艺流程的一个重要参数。但是如果反应釜内压力不达标并且密封性能低同样会影响产品的合格率。在工艺开始前，对釜内进行充压，来检测反应釜内的密封性。在工艺生产过程中，不同的生产设备要根据不同的标准进行配制，在釜内施加不同的压力值。因为釜内的压力会对原料的沸点及反应速率有至关重要的影响。要想使反应釜中的原料达到反应过程中需要的温度时，在反应釜中添加压力时要遵循适当的原则。（5）搅拌器速度过慢或停止转动，反应所产生的所有热量会积聚在一起，会使反应速度极快并且随时都会有生命危险，而且一直保持高速搅拌状态会造成不必要的经济浪费，影响发动机的使用寿命。因此搅拌速度也是一个需要监测的重要参数[15]。1.1.3反应釜工作特性在企业工艺生产过程中反应釜是一个不可或缺的设备，其实它自己本身就伴随着各种化学反应原理，使系统产生强烈的滞后、时变、非线性等问题[16]。在生产过程中，要熟悉产品的生产工艺，掌握产品的工艺流程反应特性。准备阶段、加热阶段、恒温阶段和冷却阶段为反应釜温度控制的几个阶段，釜内温度随时间的变化和均匀性都会影响温度变送器将温度信号传送给控制单元。反应釜的温度控制是产品质量的保证。在升温阶段，釜内的温度根据正比例实时变化，控制单元中的温度值与实际温度值之间的联系存在时间间隔，故传递的滞后性就体现出来，温度甚至会超调。所以应该提前控制好釜内温度不让温度超标，就可以尽量避免温度超调，但还需要反应时间尽量短些，这也成了一大难点所在[17]。处于恒温阶段过程中的放热反应温度变化十分剧烈。在此阶段，在反应结束之前要尽量多的排除多余的热量来维持釜内温度平衡。工艺所需要的最后成品也会在这个阶段生成出来。因此，现阶段温度控制的关键和重点是保持反应釜温度的稳定性和准确性。1.2温度控制系统模型建立介绍要想建立一个成型的温度控制数学模型，就要从本质上了解反应釜中温度控制的内在特点，再根据控制过程的类型和具体要求选择合适的算法进行研究，我们还需要了解模型的含义、类型和方法。1.1.1模型的种类在一个特定的过程中，相关模型对相关因素的影响没有进行考虑；要相对相关要素进行考虑取决于所研究的对象。模型是对过程或对象的客观描述，是解释其内在规律、形式和结构的表达工具[18]。例如，为了研究工艺生产的相关计划，就不需正面反映反应釜的动态性能，而需反映产品（质量）、原料及成品（销售、库存）的变化；了解反应釜的动态性能之后，才能更好的研究出产品的最佳质量。1.1.2温度对反应速率的影响工艺流程中至关重要的因素是温度的影响，如果对它不加以重视则会对生产安全、产品质量、生产速率等有严重影响。如果釜内的化学反应速度加快，使釜内温度迅速上升则是对温度没有严格控制，进而导致出现的正反馈现象。工艺生产过程中反应速率与温度之间的关系如下列公式来表示。（2-1）式中K反应速率常数，l/s；k0频率常数，L/(mol/h)；--活化能，[分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的（平均）能量]；R摩尔气体常数，R=8.314472J/(mol·k)；T热力学温度（绝对温度K）；可以根据上式得，扰动会影响到反应釜的温度使反应速率和放热速率也加快，这将会进一步加速放热反应，并进一步提高反应釜温度，即反应温度与反应速率、放热速率呈显正相关[19]，如果不制止的话，就会出现严重影响生产安全的“爆釜”现象，三者之间的关系如图1.4所示。图1.4正反馈关系图反应开始时，原料加入釜后，反应物不会在温度环境和大气压下发生反应，直至加热到反应所需要的温度才能让釜内原料得以进行反应。在此阶段，反应释放出大量热量。通过检测可以得知釜内升温速率，它和工艺流程规定的温进行对比之后，若釜内温度比规定值高则加热终止，后续情况由自身释放来完成，反应釜内的热平衡关系：反应釜内积累的热量=交换热量-交换中损失热量。进入下图第二阶段后剧烈放热，温度变化如下图1.5所示。从下图可以看出第二阶段占总反应时间的一半以上，此阶段会影响产品生产出来之后的质量问题。它被认为是反应釜温度控制的核心阶段，是建模过程中的主要研究对象，这一阶段反应釜中热量公式是：釜中热量=反应产生的热量-交换热量-交换中损失热量。图1.5温度变化曲线1.1.3升温阶段在生产的初始阶段，原料按一定比例加入反应釜，在上位机中设置恒温后，然后开始进行加热，反应釜内温度将得以提高。升温阶段是：导热油被加热棒进行加热，之后导热油通过反应釜壁将热量传递给反应釜内的原料，不管其他细节影响时，就可以认为是下列公式所表示的那样：（Q--加热棒加热出的热量；--釜内收集的热量；--对外界环境丢失的热量）（2-2）的公式可以这样表示：（2-3）式中：C反应釜热容；T釜内温度；t反应时间。如下列所示：（2-4）式中：室内温度；R热阻由于釜内温度远高于外界温度，因此可以忽略不计，表达式：（2-5）把式子2-3和2-5带入2-2中：（2-6）式中:C反应釜热容量；T釜内温度；R热阻。对式2-6进行拉氏变换得：（2-7）整理得：（2-8）我们为了实现建模成功的目的并不影响动态性能的前提下，所建的模型要简单。从高阶到低阶、从复杂到简单等简化模型必须能够使模型更接近机理更符合实际过程。从系统机理出发，在釜的温度控制中采用闭环系统的控制方式，便可以满足各种要求。控制器以反应釜内固定温度与实际温度之差为系统输入，导热油阀门开度为系统控制[21]，反应釜内调节温度为输出，为了实时调节反应釜内的温度，其数学模型可视为一阶延迟环节。（2-9）式中T时间常数；K比例系数；滞后时间系数；再根据具体实验参数算出滞后环节这个参数具体数值。2-3对温度控制指标的描述结合实际生产需要来看温度控制的要求也较多，需要控制的方面如下展示：（1）温度-20~220℃是反应釜要一直保持的温度，高、中、低阶段为温度控制的重要监管阶段。在第一个阶段：导热油被蒸汽及加热棒加热，最高可到250℃；第二个阶段：20℃的自开水对反应之后的反应釜进行降温，本阶段不用于过程反应中的温度调节；第三个阶段：冷却水对导热油进行降温，可使导热油降至-20℃。（2）精度在温控过程中定要精确控制反应釜中的温度，此精度表示为此过程恒温值与规定值的差值，要