《生产过程自动化》-15

15.1化学反应过程概述

化学反应器是化工生产中的一类重要设备，化学反应过程伴有物理、化学现象，涉及能量平衡、物料平衡以及物料的动量、热量、物质传递等过程。反应器的操作比较复杂，特别是处于高温、高压、易燃、易爆条件下进行的反应。而且许多化学反应伴有强烈的热效应，因此反应器的自动控制直接关系到产品的质量、产量及整个生产的安全。1.化学反应器的类型(1)按反应器进出物料状况可分为间歇式、连续式反应器通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。(2)从物料流程的进行方式可分为单程与循环两类物料在通过反应器后不再进行循环，如图15-1(a)所示。如果反应速度较慢，或受化学平衡的限制，物料一次通过反应器，转化很不完下一页返回15.1化学反应过程概述全，则必须在产品进行分离之后，把没有反应的物料与新鲜物料混合后，再送人反应器进行反应，这种流程称为循环流程，如图15-1(b)所示。(3)从反应器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反应器等。如图15-2所示，(a)为连续聚合釜，釜式反应器一也有间歇操作的;(b)为管式结构反应器，实际上就是一根管道;(c)为塔式反应器，从机理上分析，塔式反应器与管式反应器十分相似;(d)为固定床反应器，它是一种比较古老的反应器;(e)为流化床反应器，为了增加反应物之间的接触，强化反应，将固相催化剂悬浮于流体之中，形成流化(沸腾)床反应器。此外还有移动床反应器。上一页下一页返回15.1化学反应过程概述(4)从传热情况可分为绝热式反应器和非绝热式反应器2.化学反应器的控制要求(1)物料平衡控制(2)能量平衡控制(3)约束条件控制(4)质量控制质量指标的选取，即被控变量的选择可分为两类:①取出料的成分或反应的转化率等指标;②取反应过程的工艺状态参数(间接质量指标)。上一页下一页返回15.1化学反应过程概述设有下列反应:上一页下一页返回15.1化学反应过程概述现以丙烯聚合反应釜为例，说明反应器控制系统的设置情况，图15-3为丙烯聚合反应。的流程示意图。图中的控制系统满足以下几类控制要求。1)物料平衡控制2)能量平衡控制3)质量控制4)约束条件控制上一页返回15.2反应器的数学模型

化学反应过程涉及物料、能量平衡，反应动力学等，推导机理模型是比较困难的工作，但是机理模型具有较明确的物理意义，并能对控制方案进行指导。下面介绍一个非绝热反应器的动态模型的建立及分析其热稳定性问题。图15-4为非绝热连续反应器，反应器内进行的是放热反应。为了控制反应的温度，采用通过载热体(冷却剂)自夹套移去部分热量。现求取输人参数为冷却剂人口温度，输出参数为反应器内温度即通道的动态模型。若忽略热损失，根据热量平衡式，即反应器内蓄热量的变化应等于反应放出热量减去冷剂带走的热量釜内热量平衡式为下一页返回15.2反应器的数学模型反应器内化学反应所产生的热量(单位时间)为或以反应速度方程表示式中，G是反应物的质量流量,kg/s;p是反应物的密度，X。是反应物的浓度，H是每摩尔的反应热y是转化率;v是反应器的有效体积;K。是反应频率因子;TR=V/F是反应停留时间;上一页下一页返回15.2反应器的数学模型F是体积流量;R是气体常数;E是反应活化能kJ/mol;是反应器内温度。在不考虑反应器热损失的前提下，由反应物和载热体冷却所带走热量的总和为式上一页下一页返回15.2反应器的数学模型对微分方程(15-12)经拉氏变换得上一页下一页返回15.2反应器的数学模型上一页返回由此可见，这个非绝热反应器关于冷却剂人口温度对出料温度，即通道的动态特性，可以用一个一阶微分方程来描述，其传递函数是一个一阶滞后环节。15.3反应器的热稳定性分析1.反应器静态工作点的热稳定性为了进一步分析反应器热稳定性问题，现以图15-4所示的非绝热反应器为例加以说明。由式(15-6)可知，化学反应的生成热Q1与转化率y.成正比，因此，在某一停留时间下Q1与曲线如图15-5中虚线所示，它和Y与曲线有相似的形状。即曲线的下半部分是由平变陡，这是由于反应速度是随着温度的升高而加大，而且越来越大;而曲线的上半部分，是由陡变平，这是由于反应已接近完成，再增高温度将不起多大作用。所以Q1与曲线呈S形。假定反应器处于绝热状态，则由反应器流出的反应产物所带走的热量为下一页返回15.3反应器的热稳定性分析(1)直线1的情况，反应器的操作是稳定的(2)直线2情况，它与放热曲线有3个交点c,D和E点上一页下一页返回15.3反应器的热稳定性分析上一页下一页返回稳定度(3)直线3的情况它与放热曲线只有一个交点C，而这个静态工作点与直线2的C点情况是相同的，为不稳定的静态工作点，当反应器在C点受到外扰后，不是温度不断上升，直至反应全部完成，就是温度持续下降，直到反应完全终止。15.3反应器的热稳定性分析(4)直线4的情况2.开环不稳定、闭环稳定的条件式(15-13)描述了一个非绝热式反应器的动态特性，冷却剂人口温度与反应器内温度通道的特性为

上一页下一页返回15.3反应器的热稳定性分析度控制系统如图15-6所示，其系统方块图如图15-7所示。图15-6中被控过程反应器的动态特性是：用绝非值表示，说明始终为“+”值。图15-7可见，闭环传递函数为上一页下一页返回15.3反应器的热稳定性分析

可以看出，此时闭环系统仍为一阶滞后环节。要使此一阶滞后环节为稳定环节，则式(15-15)必须满足下列条件:式(15-16)即为闭环系统的稳定条件。从闭环控制系统的稳定，可以导出对控制器Kc的要求为上一页下一页返回15.3反应器的热稳定性分析

式(15-17)是开环不稳定时闭环稳定的条件，即控制器Kc值有它的稳定下限，过小的Kc;值反而会导致系统不稳定。这个结论与通常开环稳定的系统正好相反，这就是反应器控制中需注意到的例外情况。如图15-8所示，用根轨迹来论证这一结论。从图中可以看出，对于开环不稳定的一阶滞后环节，随Kc的增大，根轨迹移动，逐步从不稳定的右半平面向稳定区接近，当根轨迹与虚轴相交于一点，一也就是处于稳定与不稳定的边界状态这一点时，对应的Kc稳定下限为需说明一点，上述结论是在假定开环特性为一阶的情况下得出的。在实际过程中，系统往往高于一阶，所以，此时要使不稳定的开环对象组成稳定的闭环控制系统，Kc除了有稳定下限外，上一页下一页返回15.3反应器的热稳定性分析还将有一个稳定上限。即闭环系统的稳定条件为

式(15-18)指出，控制器的Kc不仅有它稳定上限边界而且还有它的稳定下限这个结论从物理意义分析不难理解，因为开环系统本身不稳定，是由于除热作用不够而造成的，故只有适当加强控制作用，提高除热强度，一也就是适当加大Kc才有可能使系统在外扰作用下重新建立稳定状态。图15-9是以一个开环三阶不稳定特性为例，从根轨迹图分析同时存在的情况。由图可见，随着Kc的增大，根轨迹变上一页下一页返回15.3反应器的热稳定性分析化，逐步从不稳定的根平面右侧向虚轴接近，当根轨迹与虚轴相交时，对应的Kc为此后，根轨迹的变化是随着Kc;增大，进人到稳定的根平面左侧，但当Kc增大到一定数值后，根轨迹又开始向虚轴接近，时，根轨迹又一次与虚轴相交，然后随着Kc的增大，重新返回不稳定的根平面右侧。像这种放大倍数只能处于一定范围内才能稳定的系统，有时一也称为“条件性”稳定系统。上一页返回15.4反应器的基本控制方案

1.绝热反应器的控制(1)进口浓度x0的控制以进口浓度X0作为操作变量来控制反应器温度，它的机理可从绝热反应器的热量平衡式:下一页返回15.4反应器的基本控制方案

对式(15-19)整理可得

如果以图15-5中放热曲线和除热曲线的相对位置来说明控制机理，则X0变化，除热曲线不变，而放热曲线随X0的增大上移，工作点也上移，反应器的反应温度一也随之升高。图15-10所示说明了这一机理。上一页下一页返回15.4反应器的基本控制方案

改变进日浓度X0的常用方法有以下几种。1)改变主要反应物的量2)改变已过量的反应物的量3)循环操作系统中改变循环量4)在均相催化反应中改变催化剂的量(2)进料温度的控制提高进料温度将使反应温度升高，这个控制机理由式(15-20)变形可得上一页下一页返回15.4反应器的基本控制方案

从式(15-21)中可以看出，在其他条件不变的情况下，随着升高，反应温度也升高。如果用除、放热曲线的相对位置来说明，则随着的提高，除热曲线右移，工作点上移，反应温度升高，如图15-11所示。改变进料温度的具体控制方案常用以下几种，分别如图15-12(改变进料温度的控制方案)、图15-13(改变进料温度的控制方案)图15-14(改变进料温度的控制方案与图15-13方案二类似)所示。需要注意的是，采用图15-13的方案，进u物料与出u物料进行热交换，这是为了尽可能回收热量上一页下一页返回15.4反应器的基本控制方案

(3)改变负荷G负荷G的变化同样能用来控制反应温度它的机理是，随着负荷G增大，物料在反应器内的停留时间减少，导致转化率y下降，于是反应放热也减少，在除热不变的情况下，反应温度就降低。如果用放、除热曲线来说明，如图15-15所示。在实际控制方案中，这种方法一般很少采用，其原因是负荷G经常变动，会影响生产过程的平稳，并且用改变转化率y来控制经济效益较差。2.非绝热反应器的控制控制方案中常应用分程控制和分段控制。图15-16是典型的分程控制上一页下一页返回15.4反应器的基本控制方案

方案，已在分程控制系统介绍过。图15-17所示为反应器的分段控制原理图。采用分段控制的主要目的是使反应沿最佳温度分布曲线进行，这样每段温度可根据工艺要求控制在相应的温度上。图15-18即为反应温度对夹套温度的串级控制。如果生产负荷(进料量)变化较大，可以采用以进料流量为前馈信号的控制系统。图15-19所示为反应器温度的前馈一反馈控制系统。上一页返回15.5反应器的复杂控制方案1.聚合釜的温度一压力串级控制系统对于一些聚合反应釜，由于容量大，反应放热效应强，而传热效果又较差，因此，要克服这类反应器的滞后特性，提高对其反应温度的控制精度，有时采用一般的单回路控制和串级控制难以满足工艺的要求，可采用图15-20所示的聚合釜温度一压力串级控制系统。2.具有压力补偿的反应釜温度控制图15-21表示出了具有压力补偿的温度控制系统。图15-21(a)为控制系统的组成，其温度控制系统的测量信号不是釜内的温度测量值，而是经过釜压校正后的值。校正的计算装置如图15-21(b)所示，由GY1及GY2两个运算装置组成。其中GY1是用来计算温度的，运算式为下一页返回15.5反应器的复杂控制方案上一页下一页返回而GY2是用来校正计算值的，其运算式为

压力补偿校正的思路:首先假定温度与压力n具有如式(15-22)的线性关系，再根据压力计算出对应的温度值。实际上和p之间存在非线性关系，所以再按非线性加以校正。由于压力、温度关系改变得比较缓慢，故可按式(15-23)进行逐步校正。这种具有压力补偿的反应温度控制，对于大型的聚合釜特别有效，在使用中可