反应釜温度过程控制课程设计.doc

0前言 反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量 （进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。 由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方式，选用FX2N-2LC温度调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。 1系统工艺过程及被控对象特性选取 1.1 被控对象的工艺过程 本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器 （CSTR）为过程系统被控对象。反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm，釜底到上端盖法兰高度1376mm，反应器总容积0.903m，耐压2.5MPa。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应器的工艺流程如图1-1所示。 图1-1 釜式反应器工艺流程图 该装置主要参数如表1-1所示。各个阀门的设备参数如表1-2所示，其中，Dg为阀门公称直径、Kv为国际标准流通能力。 表1-1 主要测控参数表 F4 反应物A 进料流量 729 kg/h F5 反应物B 进料流量 1540 kg/h F6 催化剂C 进料流量 88 kg/h F7 冷却水流量 （蛇管冷却） 最大25 t/h F8 冷却水流量 （夹套冷却） 最大42 t/h F9 反应物料混合液出口流量 kg/h T1 反应温度 ℃ P7 反应压力 MPa （绝压） L4 反应器料位 % (0-1.3m，0-100%) 表1-2 设备参数表 V4 反应物A 进料阀 Dg25 Kv=3.42 (Cv=4) V5 反应物B 进料阀 Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3) V6 催化剂C 进料阀 Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25) V7 冷却水阀 （蛇管） Dg40 Kv=25.64 (Cv=30) V8 冷却水阀 （夹套） Dg50 Kv=42.73 (Cv=50) V9 反应器出口阀 Dg25 Kv=8.54 (Cv=10) S6 热水阀 开、关两种状态 S8 反应器搅拌电机开关 开、关两种状态 由图1-1可以看出，该被控对象的反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下，在反应温度70±1.0℃发生反应，生成产物D。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。图1中，各参数含意如下：F4、F5 和F6 分别反应物A、B和催化剂 C 的进料流量，V4、V5 和V6 分别是A、B和C的进料阀。A为反应器内主产物D重量百分比浓度，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量为F9,由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液，由产物D与未反应的 A、B以及催化剂C组成。F7为夹套冷却水入口流量，由阀V7进行控制。F8为蛇管冷却水入口流量，由阀V8 进行控制。此外，在反应初期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。 1.2 被控对象特性描述 本设计中的被控对象主要是反应釜的温度部分。由于被控对象有其特殊特性，直接影响着操纵变量和控制方案的选取，因此对于被控变量的特性分析显得尤为重要。下面就针对反应釜反应温度分析和描述。 该反应属于放热反应，放热反应属于非自衡的危险过程，反应温度高将导致反应速度加快，释放出热量导致反应温度进一步升高，温度迅速升高的同时，反映压力也会迅速加大，从而有可能导致火灾或者爆炸事故。因此有必要对反应温度加以控制，其主要手段是控制夹套以及蛇管冷却水的流量。冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时 （这种干扰在现场时有发生），即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走的热量减少，反应器中物料温度会上升。反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大的高阶特性。由于温度变化的滞后，用常规控