第十八章化学反应器的控制.pptVIP

* * 过程控制系统及工程 信息学院自动化系：孙洪程 Email:Sunhc@mail.buct.edu.cn 第18章 化学反应器的控制 化学反应器的控制 18.1 概述 18.2 反应器的特性 18.3 反应器的热稳定性分析 18.4 反应器的基本控制方案 18.5 反应器的新型控制方案 第18章 教学进程 18.1 概述 18.1.1 化学反应器的类型 按物料状况：连续式、间歇式 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物化学反应器，其控制多半为程序控制系统。 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一些关键参数如T、成份、P等进行定值控制。 加热或冷却 反应器 后处理工序 产品 其他物料 进料 进料 反应器 后处理工序 产品 溶剂或其他 未反应物 18.1 概述 18.1.1 化学反应器的类型 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 按传热情况：绝热式、非绝热式 18.1.1 化学反应器的类型 18.1.2 化学反应器的控制要求 （1）物料平衡控制 流量控制 （2）能量平衡控制 温度控制 （3）约束条件控制 安全控制，联锁、报警、选择控制等 （4）质量控制 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 图18-3 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 H2含量控制AC 报警系统（液位） 18.1.2 化学反应器的控制要求 18.1.2 化学反应器的控制要求 浆液 AC FC 气相出料 FC FC FC 催化剂 冷却水 冷 却 水 液 位 报 警 TC LC 乙烷 乙烯 丙烯 H2 18.2 反应器的特性 反应动态特性涉及了传质、 传热、反应，机理复杂 非绝热连续反应器 热量平衡关系： dQ/dt （热量变化）= Q1（吸热/反应放热） – Q2（被移走的热量） P357 推导，得到热量平衡方程 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（常微分方程） 反应产物 反应产物 冷却剂 G，θf，cp G，θ θc V F 图18-4 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。 吸热反应对象：由于反应是吸热的，T↑→v↑→吸热→Q↑→T↓，∴具有热自衡性，对温度变化对象具有负反馈特性。开环特性就是稳定的。 放热反应对象：由于反应是放热的，T↑→v↑→+Q↑→T↑→v↑↑+Q↑↑，∴对于温度的变化对象有正反馈性质，若无适当的除热措施，对象开环情况是不稳定的。 18.3 反应器的热稳定性分析 18.3 反应器的热稳定性分析 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 图18-5说明了反应器的温度稳定特性 Q1 2 3 4 θ E D C 1 反应产物带走的热量： 反应产生的热量： 非绝热状态： 18.3 反应器的热稳定性分析 组成闭环温度控制系统 反应物 物料 冷剂 TC 18.3 反应器的热稳定性分析 组成闭环温度控制系统 KC R e θ 18.3 反应器的热稳定性分析 开环是不稳定环节 分母TS-1 若要闭环稳定，须 KC1/KP 即，KC过小会导致系统不稳定（与开环稳定系统结论相反） 一般为高阶系统，因此KC还有稳定上限 式13-14 (KC)min＜KC＜(KC)max 18.4 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 温度、压力是最常用的控制参数（直接影响质量指标） 设计反应器控制方案时，首先要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： 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。 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。 约束条件：反应器操作