化學反應器自動控制系統設計
發布時間：
2023-07-14 16:50
1關于化學反應
化學反應的本質是物質的原子、離子重新組合，使一種或者幾種物質變成另一種或幾種物質。化學反應過程具備以下特點：
1)化學反應遵循物質守恒和能量守恒定律。因此，反應前后物料平衡，總熱量也平衡；
2)反應嚴格按反應方程式所示的摩爾比例進行；
3)化學反應過程中，除發生化學變化外，還發生相應的物理等變化，其中比較重要的有熱量和體積的變化；
4)許多反應應需在一定的溫度、壓力和催化劑存在等條件下才能進行。
此外，反應器的控制方案決定于化學反應的基本規律：
1．化學反應速度
化學反應速度定義為：單位時間單位容積內某一部分A生成或反應掉的摩爾數，即
(1-1)
若容積V為恒值，則有
(1-2)
式中 r——組分A的反應速度，mol/m·h；
n——組分A的摩爾數，mol；
C——組分A的摩爾濃度，mol/m；
V——反應容積，m。
2．影響化學反應速度的因素
實驗和理論表明，反應物濃度(包括氣體濃度，溶液濃度等)對化學反應速度有關鍵作用。溫度對化學反應速度影響較為復雜，最普遍的是反應速度與溫度成正比。而對于氣相反應或有氣相存在的反應，增大壓力(壓強)會加速反應的進行。化學反應還受催化劑，反應深度等因素的影響，這些都是要在設計反應器是需要考慮的。
2 關于化學反應器
2.1 反應器的類型
化學反應器的種類很多。根據反應物料的聚集狀態可分為均相反應器和非均相反應器兩大類：均相是指反應器內所有物料處于一種狀態；按反應器的進出料形式可以分為間歇式、半間歇式和連續式；從傳熱情況，可分為絕熱式反應器和非絕熱式反應器：絕熱式反應器與外界不進行熱量交換；從結構上可以分為釜式、管式、固定床、流化床、鼓泡床等多種形式，分別運用于不同的化學反應，過程特性和控制要求也各不相同。
2.2 反應器的性能指標
1) 產量；
2) 原料消耗：它可由轉化率、產率、收率等指標反應出。影響這些指標的因素一般有進料濃度、反應溫度、壓力、停留時間、催化劑和反應器類型等；
3) 單位能量消耗：生產單位重量產品所消耗的能量，一般希望原料消耗少，單位能耗少，產量高。
2.3 反應器的控制要求
通常，在設計化學反應器的自控方案時，應從質量指標、物料平衡、約束條件三方面加以考慮。
l) 質量指標
化學反應器的質量指標要求反應達到規定的轉化率或反應生成物達到規定的濃度。顯然，轉化率或反應生成物的濃度應當是被控變量，但它們往往不能直接測量。因此，只好選取幾個與它們相關的參數，經過運算進行間接控制。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關系為
(2-1)
式中 y——轉化率；
ρ——進料密度；
g——重力加速度；
c——物料的比熱容；
θ，θ——分別為進料與出料溫度；
x——進料濃度；
H——每摩爾進料的反應熱。
上式表明，對于絕熱反應器，當進料溫度恒定時，轉化率與出口溫度差成正比。原因是轉化率越高，反應生成的熱量越多，物料出口的溫度也就越高。所以，用溫差作為被控變量，可以間接控制反應器的轉化率。
由于化學反應過程總伴隨有熱效應，不是吸熱就是放熱，所以，溫度被廣泛用作間接控制指標。出料濃度也常用來作為被控變量，如在合成氨生產中，可以取變換爐出口氣體中的CO濃度作為被控變量。
2) 物料和能量平衡
為了使反應器的操作能正常進行，必須維持整個反應器系統的物料平衡和能量平衡。為此，往往采用流量定值控制或比值控制維持物料平衡；采用溫度控制維持能量平衡。另外，在有些反應系統中，為了維持濃度和物料平衡，需另設輔助控制系統自動放空或排放惰性氣體。
3) 約束條件
與其他化工單元操作設備相比，反應器操作的安全性具有更重要的意義，這樣就構成了反應器控制中的一系列約束條件。要防止反應器的工藝變量進入危險區域或不正常工況，應當配備一些報警、聯鎖裝置或選擇性控制系統，保證系統的安全。
3 反應器的控制方案
3.1 反應器常用的控制方式
控制指標的選擇是反應器控制方案設計中的關鍵問題，應按照實際情況作出選擇。此外，由于影響化學反應的因素大部分是從外部進入反應器的，所以保證反應質量的一種自然設想，是盡可能將干擾排除在進入反應器之前，即將進入反應器的每個參數維持在規定的數值。這些控制回路大多設置在反應器以外。最常用的方案有：
1．反應物料流量自動控制
保證進入量的穩定，將使參加反應的物料比例和反應時間恒定，并避免由于流量變化而使反應物料帶走的熱量和放出的熱量變化，從而引起反應溫度的變化。這在轉化率，低反應熱較小的絕熱反應器或轉化率高，反應放熱大的反應器中顯得更重要。
2．流量比值控制
在上述物料流量自控的方案中，如果每一進入反應器的物料都采取流量自動控制，則物料之間的比值也得到保證，但這種方案只能保持靜態比例關系。另外，當其中一個物料由于工藝等原因不能采用流量控制時，就不能保證進入反應器的各個物料之間成一定的比值關系。在控制要求較高時，流量變化較大的情況下，針對上述情況可采用單閉環比值控制系統或雙閉環比值控制系統。在有些化學反應過程中，當需要兩種物料的比值根據第三參數的需要不斷校正時，可采用變比值控制系統。
3．反應器入口溫度
反應器入口溫度的變化同樣會影響反應。這對反應體積小，反應放熱又不大的反應影響更顯著，這是需要穩定入口溫度。但是，對反應體積大，又是強放熱的反應，入口溫度變化對反應影響較小。
上述幾個外圍控制，主要目的是穩定進入反應器的物料量和熱量。對出反應器的物料，因為它對反應一般不發生影響，所以一般不設置控制系統。有時，從物料平衡角度出發，采用反應器液位對出料進行控制；從反應條件角度出發，用反應器壓力控制反應器的氣體量等。
3.2 溫度被控變量的選擇
化學反應器的控制指標主要是反應的轉化率、產量、收率、主要產品的含量和產物分布等。用這些變量作為被控變量，反應要求就得到了保證。但是，這些指標大多數是綜合性的，無法測量；有的是成分指標，缺乏測量手段，或者測量滯后大，精度差，不宜作為被控變量。目前，在化學反應器的反應過程控制中，溫度和上述這些指標關系密切，且容易測量，所以大多用溫度作為反應器控制中的被控變量。
一般地，對于間歇攪拌反應釜，連續攪拌反應釜、流化床、鼓泡床等內部具有強烈混合的反應器，反應器內溫度分布比較均勻，檢測點位置變化的關系不大，都能代表反應釜的反應溫度。對于其他連續生產的反應器，反應情況的好壞并不受限于反應器內某一點的溫度，而是取決于整個反應器的溫度分布情況。只有在一定的溫度分布情況下，反應器才處于最佳的反應狀態。但作為定值控制系統，溫度測量點只能是有限的、具體的點。因此，如何選擇一些關鍵的點，使它能反映整個反應情況，或者能夠反映反應器的溫度分布情況，是反應器溫度控制的一個關鍵。對于這一類反應器，溫度檢測點大概有反應器的進口、出口、反應器內部和反應器進出口溫差四種。
1．出口溫度作為被控變量
在反應變化不大的情況下，出口溫度在一定程度上反映了轉化率。但是，當出口溫度發生變化，流過控制回路調節，由于控制滯后，不合格的產品已經離開反應器。而且，反應器的出口溫度不一定是最高的，反應變化較大時，難以避免反應器內局部溫度急劇升高，造成催化劑受損。對于反應在出口處已經趨向平衡的反應器，出口溫度就不能靈敏地反映反應的最終情況。因此，一般不直接用出口溫度作為被控變量。
2．反應器內熱點作為被控變量
熱點即為反應器內溫度最高的一點。這一點溫度得到控制，可以防止催化劑的破壞。熱點往往會隨著催化劑的使用時間增加而移動，這樣檢測位置也要跟著轉移。另外，熱點往往不夠敏感，對于控制精度要求高，反應迅速的反應系統很不適合。
3．溫差作為被控變量
如果反應是絕熱的，則由熱量恒算式知，轉化率和進出口溫差成正比。用溫差作為被控變量來反應轉化率，可以排除進料流量和溫度對轉化率的影響，比用反應溫度衡量轉化率更精確。但是，它使用的條件必須是絕熱反應。而且，溫差控制并不能保證反應器溫度本身的恒定，即溫差恒定時，反應器溫度可以變動，從而影響到反應速度等其他因素，反應不一定處于合適的狀態。同時，一般情況下，溫差控制穩定性比較差，不宜控制。
4．進口溫度作為被控變量
反應溫度變化是由熱量不平衡所引起的。對具體反應器，催化劑穩定情況下，這個不平衡就是由散熱情況和進入反應器的物料狀態變化所引起的。當反應比較復雜，難以測定反應變化時，可以設想，不管反應器里進行怎樣的化學反應，只要控制好進入反應器的物料狀態和冷卻情況，反應的結果大體就有了保障。在進料的組分變化不大，流量有了自動控制以后，反應物料的入口溫度就基本上決定了反應的結果。因此，可以用進口溫度作為被控變量，控制反應器的反應。
3.3 控制系統的選擇
以溫度為被控變量的系統種類很多，常用的控制方案有：
1．簡單的溫度控制系統
圖3-1 簡單溫度控制系統
圖3-1所示是單回路溫度控制系統，反應熱量由制冷劑帶走，其控制方案是通過控制制冷劑的流量來穩定反應溫度。冷劑流量相對較小，釜溫與冷劑溫度差較大，當內部溫度不均勻時，易造成局部過熱或過冷。
圖3-2 冷劑循環的簡單溫度控制系統
圖3-2的控制方案是通過冷劑的溫度變化來保持反應溫度的不變。冷劑是強制循環方式，流量大，傳熱效果好，但釜溫與冷劑溫差較小。
圖3-3 反應器進口溫度控制方案
圖3-3是控制反應物進口溫度的反應器系統，在這個流程中，進口物料與出口物料進行熱交換，這是為了盡可能回收熱量。系統通過調節出料的流量控制熱量交換程度，從而控制進料的溫度。
上述簡單控制系統是生產過程自動控制中較為基本的形式，解決了生產過程中大量參數控制問題。但是，這些系統通常滯后時間較大，對于生產效率和生產質量要求高的化學反應往往不能滿足需要。
在簡單系統的基礎上，加入進一步的控制成分，構成串級、均勻、比值等復雜控制系統可以實現更好的控制效果，滿足更高的生產需求。
2．串級溫度控制系統
在多回路控制系統中，用兩臺控制器相串聯，其中一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值，這樣的系統稱為串級控制系統。采用溫度串級控制的反應器系統可以克服反應釜大滯后的問題，是實際生產運用最廣泛的同相、大熱量化學反應裝置，其示意圖如圖3-4所示。
圖3-4 反應器的溫度串級控制系統
除了串級控制外，還有前饋控制、分程控制分段控制等復雜控制系統，分別視不同的化學反應和生產需求而確定，本文就圖3-4的串級系統進行分析。
4 反應器串級系統的控制原理
4.1 系統方框圖
圖3-4所示的反應器系統采用入口原料溫度和釜心溫度串級控制，其中原料溫度為主控制變量，釜心溫度為副控制變量，原料流量為控制對象。該反應器主要針對反應過程熱量變化大的同相化學反應，原料與反應釜在夾套進行熱交換，以充分節約能量成本，系統原理方框圖如圖4-1所示。
圖4-1 反應器的串級控制系統方框圖
4.2 系統原理分析
串級系統工作原理如下(以放熱反應為例)：
1)原料溫度有偏差(釜心溫度正常恒定)
設某時原料溫度偏高，則主被控變量的檢測變送單元輸出值偏高，主控制器控制調節原料閥增加流量。原料流量增加后，在夾層單位停留時間減少，交換到的熱量減少，原料溫度下降。如此，就實現了對原料溫度的自動調節，溫度偏低時同理。
2) 釜心溫度有偏差(原料溫度正常恒定)
設某時釜心溫度偏高，由前述分析可知此時釜內化學反應程度超過理想情況，或者反應的環境溫度受到干擾。副被控變量的檢測變送單元輸出值上升，使副控制器調節原料閥增加流量。原料流量增加后，一方面會更快、更多地交換走釜心的溫度；另一方面，由上述分析知原料溫度會下降，一定程度上減緩反應程度，降低釜心溫度。
3)原料溫度和釜心溫度同時有偏差
設原料溫度偏高，釜心溫度也偏高，則主、副被控變量的檢測變送單元輸出值變高，同時使主副控制器發出增加原料流量的信號，控制閥更大程度地增加流量，使原料溫度和釜心溫度同時降低，迅速控制了反應進行。
通過上述分析可知，串級控制通過對反應器進口物料溫度和釜心溫度兩項控制對象的反饋控制，既能夠迅速克服多種擾動，又能讓化學反應按給定的原料溫度進行反應控制，很大程度提高了系統性能。
對于串級控制還有很多其他形式，包括釜溫與原料流量串級控制、釜溫與冷劑流量串級控制、釜溫與釜壓串級控制、釜溫與夾套溫度串級控制等，需視具體反應和生產要求設計。
5 反應器的部分實現
5.1 原料的比值控制
實際生產中，原料往往不是只有一種，而且一般需要原料之間成一定比例關系進入反應器。對進料進行比值控制可以很好地解決這個問題，加入了原料比值控制的串級系統原理圖如圖5-1所示。
圖5-1 含比值、串級控制的反應器原理圖
圖示的系統采用簡單的開環比值控制，使物料關系滿足比值給定。此處，原料1是主導，其流量受溫度串級控制；原料2是按比例跟隨原料1的流量，簡介受控于串級控制系統。這樣，既可保證反應原料按理論比例反應，不會引起原料浪費或者工業危險，又可通過設定原料溫度和釜心的反應溫度對反應進程進行檢測和自動控制。系統基本可以承擔一般較大熱量交換的化學反應，在保證生產安全和效率的同時，充分利用了反應熱量進行原料預熱，節約成本，提高化學效率。
5.2 儀器儀表的選擇
1) 檢測儀表的選擇
由于系統串級控制部分主、副控制對象都是溫度，所以設計所需的檢測傳送裝置是溫度傳感器。原料和釜心溫度的檢測需根據具體的化學反應來決定。對于大發熱量的化學反應，需要用量程較大的溫度傳感器，而對反應熱量變化不大的反應需要用小量程但反映靈敏的檢測裝置。另外，釜心溫度傳感器還需由化學反應的最佳反應溫度決定。
2)控制器的選擇
控制器的控制效果是保證控制質量的基本條件，一般有P、PI、PD、PID等幾種控制算法，需由化學反應熱量大小、夾套熱交換效率、原料的狀態、熱容比等數據具體計算整定，還要考慮反應釜的容量滯后、時間滯后等。設計控制器應該以系統抗干擾性強、穩態性能好、響應速度快、超調波動小等幾個方向為目標。一般上述的幾種控制算法足夠滿足不同的系統要求。
3) 控制閥的選擇
控制閥是控制系統非常重要的一個環節，它接受控制器的輸出信號，改變操縱量，執行最終控制任務。控制閥的結構型式種類很多，選擇時主要從控制介質的工藝條件和物理性質考慮，工藝條件如閥前后壓差的大小，流體靜壓的大小，介質溫度，對泄漏的要求等。物理性質如是否易燃、易爆、易腐蝕、易結晶、黏度大小等等。從控制特性和相應效果方面，對不同的應用情況可以選擇電動、啟動等。
總之，儀表儀器的選擇需根據具體的化學和生產要求而定，綜合考慮系統安全、響應性能、經濟效應等多重因素，是系統投產前的關鍵環節。
6 設計總結與展望
設計初步確定了工業常用的化學反應器的控制系統結構，討論并選定了一般控制系統常用的控制對象。針對選定的控制對象，給出了能適應多數化學生產的控制系統的設計。設計時，考慮對化學生產過程進行最有效，最直接，最利于實現和執行的控制，選物料溫度為控制對象。為克服一般反應釜的時間滯后，容量滯后特性，系統加入了反應器內部溫度為副控制對象，構成串級控制系統，大大提高了系統性能。此外，設計考慮生產實際，加入了原料比值控制以恒定原料輸入比例滿足化學反應要求。設計還對儀器儀表的選定做了初步介紹。
設計的系統理論上能夠承擔一部分化學生產任務，但要具體時間還需很多進一步的設計，比如調節器的設計整定，調節閥的參數計算和選擇等，都是復雜而關鍵的過程。事實上，工業所用的化學反應其器一般是大型的、綜合型的復雜系統，結合了控制理論里的許多其他理論和環節，比如前饋控制、分程控制、選擇性控制等。
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