《第十八章化学反应器的控ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十八章化学反应器的控ppt课件（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程信息学院自动化系：孙洪程 Email:S第第1818章章 化学反应器的控制化学反应器的控制 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第第18章章教学进程教学进程教学进程教学进程18.118.1概述概述概述概述18.1.118.1.1 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v间歇式反应器：用于批量小，反应时间长，对反
2、应温间歇式反应器：用于批量小，反应时间长，对反应温度有一定秩序要求。这类反应器有一部分聚合釜及生度有一定秩序要求。这类反应器有一部分聚合釜及生物化学反应器，其控制多半为程序控制系统。物化学反应器，其控制多半为程序控制系统。v连续式反应器：原料不断加入，产品不断生成，产品连续式反应器：原料不断加入，产品不断生成，产品无一批、一罐的概念。这时，往往要对反应过程中的无一批、一罐的概念。这时，往往要对反应过程中的一些关键参数如一些关键参数如T、成份、成份、P等进行定值控制。等进行定值控制。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
3、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 18.118.1概述概述概述概述18.1.118.1.1 化学反应器的类型化学反应器的类型按物料流程：单程、循环按物料流程：单程、循环 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 按传热情况：绝热式、非绝热式按传热情况：绝热式、非绝热式18.1.118.1.1 化学反应器的类型化学反应器的类型18.1.218.1.2 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
4、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） 18.1.218.1.2 化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求18.1.218.1.2 化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求浆浆液液 ACFC气相出料气相出
5、料 FCFCFC催化剂催化剂 冷却水冷却水 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 18.218.2反应器的特性反应器的特性反应器的特性反应器的特性 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） P357 推导，得到热量平衡方程推导，得到热量平衡方程 若假设反映釜内温度分布均匀，若假设反映釜内温度分布均匀，这是一个一阶集中参数对象这是一个一阶
6、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冷却剂冷却剂 G，f，cp G， c VF图图18-4v多数被控工业对象具有稳定的特性，即开环传递函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。应，情况就复杂一些。1.吸热反应对象：由于反应是吸热的，吸热反应对象：由于反应是吸热的，Tv吸热吸热QT，具有热自衡性，对温度变化对象具有具有热自衡性，对温度变化对象具有负反馈特性。开环
7、特性就是稳定的。负反馈特性。开环特性就是稳定的。2.放热反应对象：由于反应是放热的，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。环情况是不稳定的。18.318.3反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析18.318.3反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析对对于于放放热热类类型型反反应应，热热特特性性是是开开环环不不稳稳定定的的，特特别别是是对对于强放热过程于强放热过程 图图
8、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反应产物带反应产物带走的热量：走的热量：反应产生的反应产生的热量：热量：非绝热状态：非绝热状态：18.318.3反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析组成闭环温度控制系统组成闭环温度控制系统 反应物反应物物料物料冷剂冷剂TC18.318.3反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析组成闭环温度控制系统组成闭环温度控制系统KC R e 18.318.3反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析反应器的热稳定性分析开环
9、是不稳定环节开环是不稳定环节 分母分母TS-1 若要闭环稳定，须若要闭环稳定，须 KC1/KP 即即，KC过过小小会会导导致致系系统统不不稳稳定定（与与开开环环稳稳定定系系统统结论相反）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13-14(KC)minKC(KC)max 18.418.4反应器的基本控制方案反应器的基本控制方案反应器的基本控制方案反应器的基本控制方案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（直接影响质量指标）温度、压力是最常用的控制参数（直接影响质量指标）v设计反应器控制方案时，首先要
10、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：1.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。2.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。3.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。 绝绝热热反反应应与与外外界界没没有有热热量量交交换换，温温度度控控制制只只能能对对进口物料状态进行操纵进口
11、物料状态进行操纵 物料浓度、温度、流量物料浓度、温度、流量 18.4.118.4.1 绝热反应器的控制绝热反应器的控制 （1 1）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： 18.4.118.4.1 绝热反应器的控制绝热反应器的控制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
12、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。18.4.118.4.1 绝热反应器的控制绝热反应器的控制循环操作系统中改变循环量。如在氮氢合成的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合成氨生产过程中，以改变循环气量来调节进料浓度浓度x0，从而控制合成从而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，改变催化剂量来聚乙烯的聚合反应中，改变催化剂量来调
13、整进料调整进料浓度浓度x0，控制聚合釜内反应温度控制聚合釜内反应温度。 18.4.118.4.1 绝热反应器的控制绝热反应器的控制（2 2）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13-17控制方案控制方案 图图 改变加热量改变加热量载热体载热体进料进料TC18.4.118.4.1 绝热反应器的控制绝热反应器的控制（2 2）进料温度）进料温度控制方案控制方案图图 ：进进口口温温度度控控制制，出出口口与与进进口口热热量量交交换换，利利用用能能量量TC进料进料进料进料出料出料TC出料出料18.4.118.4.1 绝热反应器的控制绝热反应器的控制 （3 3）进料流量（负
14、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18.4.118.4.1 非绝热反应器的控制非绝热反应器的控制 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）蒸汽蒸汽TC冷水冷水出料出料进料进料18.4.118.4.1 非绝热反应器的控制非绝热反应器的控制分段控制（加强局部控制）分段控制（加强局部控制） 冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂TCTCTC18.4.118.4.1 非绝热反应器的控制非绝热反应器的
15、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）出料出料冷却剂冷却剂进料进料TCTC18.4.118.4.1 非绝热反应器的控制非绝热反应器的控制前馈前馈反馈控制（克服复合变化干扰）反馈控制（克服复合变化干扰） +Gff TC进料进料出料出料冷却剂冷却剂18.518.5反应器的新型控制方案反应器的新型控制方案反应器的新型控制方案反应器的新型控制方案18.5.118.5.1 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
16、 p T1 冷却水冷却水18.5.218.5.2 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 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 T1 TC b ap18.5.218.5.2 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进一一步步引引入入夹夹套套温温度度，组组成成串串级级控控制制系系统统 CT 给给出出温温度度变变化化规
17、规律律，T1C通通过过冷冷凝凝回回流流控控制制温温度度，T2C和和T3C串串级系统控制冷水阀和蒸汽阀（分程控制）级系统控制冷水阀和蒸汽阀（分程控制）水水T1C 蒸汽蒸汽水水T2C T3C CT RY RY C 0 1 j 水水冷凝回流冷凝回流1 1 tt18.5.218.5.2 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18.5.318.5.3 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 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 TC18.5.318.5.3 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 确立目标函数确立目标函数 求解最优控制方程求解最优控制方程 求解最优控制方程求解最优控制方程 18.5.318.5.3 变换炉的最优控制变换炉的最优控制 计算机实现计算机实现SPC 预热器预热器 变换气变换气 Cin SV AF inop 计算计算 锅炉给水锅炉给水变换炉变换炉高压蒸汽高压蒸汽 inop TC 原料气原料气废热废热锅炉锅炉
