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化学反应过程控制解析第1页/共80页 2化学反应过程化学反应过程是一种或几种物质变成另一种或另几种物质的过程。一般可用下列化学反应方程式表示式中，A、B等称为反应物，C、D等称为生成物。a、b、c、d等则表示相应物质在反应中消耗或生成的摩尔比例数； Q为反应的热效应，Q值可以从手册中获得，或用实验测量的方法获得。例如，氨合成反应可写成 上式表示每3摩尔的氢气与1摩尔的氮气，可生成2摩尔的氨，并且产生热量Q。 第2页/共80页 3化学反应过程的特点 ①遵循物质守恒定律和能量守恒定律，反应前后物料平衡，能量也平衡；②反应严格地按反应方程式所示的摩尔比例进行；③反应过程中，除发生化学变化外，还发生物理变化，其中比较重要的有温度和体积的变化；④许多反应需在一定的温度、压力和催化剂存在等条件下才能进行。化学反应在化学反应器中进行，它经常是整个生产过程的核心。化学反应器是化工工业生产过程中的重要设备之一 第3页/共80页 4化工反应指标测量 化工生产工艺上要求的指标是达到一定的转化率和反应深度，是一种成分指标。目前成分在线测量还有一定难度。在一定条件下，反应过程中的温度和压力可以反映产品的成分，即间接反映转化率和反应深度。当压力恒定（或已知时），可以用温度来表征转化率和反应深度。 反应过程的可控因素有进料温度、浓度，引发剂的添加量，物料的停留时间与反应过程中的温度和压力等。第4页/共80页 5化学反应器的类型 按照化学反应器进出物料的状况，可以分为间歇式反应器与连续式反应器两类。间歇式反应器通常应用于生产批量小、反应时间长或在反应的全过程中，对反应温度、压力有严格要求的场合。间歇式反应器的控制大多采用时间程序控制方式，即设定值按照一个预先规定的时间程序变化，因此属一种随动控制系统。（轨线控制） 连续式反应器用于基本化工产品生产，连同前后工序一起连续而平稳地生产。对于连续反应器，为了保持反应的正常进行，希望控制反应器内的若干关键工艺参数(例如温度、压力、成分等)的稳定。通常为定值控制系统。 第5页/共80页 6化学反应器的类型按照物料的流程，化学反应器可分为单程与循环两类。当反应转化率和收率足够高时，可以采用单程反应方式。物料通过反应器后，不再循环进行再次反应，如图(a)所示，这种方式能耗较小。在单程反应系统中常用的操纵变量有进料温度、进料浓度、进料流量和加入或移去的热量等四个变量。若反应速度比较慢、平衡常数比较小的情况下，物料一次通过反应器的转化过程很不完善，必须将反应产物进行分离，把未反应的物料与新鲜的反应物混合后，再次进入反应器反应，如图(b)所示。对于循环式反应器，除了上述四个变量可供选择作为操纵变量外，又增加了一个循环量。 第6页/共80页 7化学反应流程 第7页/共80页 8循环式反应器，如在进料中混有惰性物质，则随着循环的进行，将引起惰性物质的积聚，从而影响反应的正常进行，为此必须将循环物料部分放空。例如合成氨过程中的合成气中，常含有甲烷等惰性气体，如不放空部分循环气，则惰性气体的含量就会不断增高。化学反应的速率随温度升高而加快。有些反应过程，在较高的温度下，虽然具有较高的转化率。但由于副反应的存在，同时引起了副产物的增加。这样就不得不降低反应温度来抑制副反应，这样同时降低了主反应的转化率。此时，在工艺流程的安排上只得采用循环型的流程。循环型反应器中除了反应物的循环外，有时也有溶剂的循环使用和为了防止反应过于剧烈而在进料中加入部分反应产物等多种形式。 第8页/共80页 9化学反应器的类型反应器的结构形式有釜式、管式、塔式、固定床、流化床等多种反应器形式，它们适用于不同的化学反应，对象特性和对控制的要求也各不相同 。第9页/共80页 10釜式反应器连续聚合釜是釜式反应器的一例，如图中(a)所示。单体以一定的流量连续进入反应釜，反应物在釜内经历一定的停留时间(取决于物料流量和釜的有效容积)，反应产物连续由釜内流出。间歇式釜式反应器是另一种常见的反应器，它是将一种反应物先注入反应釜内，然后控制另一种反应物的注入过程，直到整个反应过程完成，一次排出反应生成物，开始另一循环。釜式反应器一般带搅拌器，使反应物充分均匀。许多釜式反应器带有夹套，按照反应的热效应，通过夹套对反应过程进行冷却或加热。有些情况，由于反应阶段的不同，需要在反应初期进行加热，而随着反应的进行，在反应的中期和末期进行冷却。 第10页/共80页 11釜式反应器的控制反应工艺要求的目标通常是达到一定的转化率和反应深度，但直接对其测量有困难。因此，往往代之以温度来间接表征。可控因素是进料温度、浓度、引发剂的添加量、停留时间与釜温等。对于小型反应釜，特别带搅拌器时，对象特性可以用集中参数描述，控制比较方便。大型反应釜，对象特性要用分布参数描述，控制复