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化学反应器自动控制系统设计

发布时间:

2023-07-14 16:50

 1关于化学反应

化学反应的本质是物质的原子、离子重新组合,使一种或者几种物质变成另一种或几种物质。化学反应过程具备以下特点:

1)化学反应遵循物质守恒和能量守恒定律。因此,反应前后物料平衡,总热量也平衡;

2)反应严格按反应方程式所示的摩尔比例进行;

3)化学反应过程中,除发生化学变化外,还发生相应的物理等变化,其中比较重要的有热量和体积的变化;

4)许多反应应需在一定的温度、压力和催化剂存在等条件下才能进行。

此外,反应器的控制方案决定于化学反应的基本规律:

1.化学反应速度

化学反应速度定义为:单位时间单位容积内某一部分A生成或反应掉的摩尔数,即(1-1)

若容积V为恒值,则有(1-2)

式中 r——组分A的反应速度,mol/m·h;

n——组分A的摩尔数,mol;

C——组分A的摩尔浓度,mol/m;

V——反应容积,m。

2.影响化学反应速度的因素

实验和理论表明,反应物浓度(包括气体浓度,溶液浓度等)对化学反应速度有关键作用。温度对化学反应速度影响较为复杂,最普遍的是反应速度与温度成正比。而对于气相反应或有气相存在的反应,增大压力(压强)会加速反应的进行。化学反应还受催化剂,反应深度等因素的影响,这些都是要在设计反应器是需要考虑的。

2 关于化学反应器

2.1 反应器的类型

化学反应器的种类很多。根据反应物料的聚集状态可分为均相反应器和非均相反应器两大类:均相是指反应器内所有物料处于一种状态;按反应器的进出料形式可以分为间歇式、半间歇式和连续式;从传热情况,可分为绝热式反应器和非绝热式反应器:绝热式反应器与外界不进行热量交换;从结构上可以分为釜式、管式、固定床、流化床、鼓泡床等多种形式,分别运用于不同的化学反应,过程特性和控制要求也各不相同。

2.2 反应器的性能指标

1) 产量;

2) 原料消耗:它可由转化率、产率、收率等指标反应出。影响这些指标的因素一般有进料浓度、反应温度、压力、停留时间、催化剂和反应器类型等;

3) 单位能量消耗:生产单位重量产品所消耗的能量,一般希望原料消耗少,单位能耗少,产量高。

2.3 反应器的控制要求

通常,在设计化学反应器的自控方案时,应从质量指标、物料平衡、约束条件三方面加以考虑。

l) 质量指标

化学反应器的质量指标要求反应达到规定的转化率或反应生成物达到规定的浓度。显然,转化率或反应生成物的浓度应当是被控变量,但它们往往不能直接测量。因此,只好选取几个与它们相关的参数,经过运算进行间接控制。如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为

(2-1)

式中 y——转化率;

ρ——进料密度;

g——重力加速度;

c——物料的比热容;

θ,θ——分别为进料与出料温度;

x——进料浓度;

H——每摩尔进料的反应热。

上式表明,对于绝热反应器,当进料温度恒定时,转化率与出口温度差成正比。原因是转化率越高,反应生成的热量越多,物料出口的温度也就越高。所以,用温差作为被控变量,可以间接控制反应器的转化率。

由于化学反应过程总伴随有热效应,不是吸热就是放热,所以,温度被广泛用作间接控制指标。出料浓度也常用来作为被控变量,如在合成氨生产中,可以取变换炉出口气体中的CO浓度作为被控变量。

2) 物料和能量平衡

为了使反应器的操作能正常进行,必须维持整个反应器系统的物料平衡和能量平衡。为此,往往采用流量定值控制或比值控制维持物料平衡;采用温度控制维持能量平衡。另外,在有些反应系统中,为了维持浓度和物料平衡,需另设辅助控制系统自动放空或排放惰性气体。

3) 约束条件

与其他化工单元操作设备相比,反应器操作的安全性具有更重要的意义,这样就构成了反应器控制中的一系列约束条件。要防止反应器的工艺变量进入危险区域或不正常工况,应当配备一些报警、联锁装置或选择性控制系统,保证系统的安全。

3 反应器的控制方案

3.1 反应器常用的控制方式

控制指标的选择是反应器控制方案设计中的关键问题,应按照实际情况作出选择。此外,由于影响化学反应的因素大部分是从外部进入反应器的,所以保证反应质量的一种自然设想,是尽可能将干扰排除在进入反应器之前,即将进入反应器的每个参数维持在规定的数值。这些控制回路大多设置在反应器以外。最常用的方案有:

1.反应物料流量自动控制

保证进入量的稳定,将使参加反应的物料比例和反应时间恒定,并避免由于流量变化而使反应物料带走的热量和放出的热量变化,从而引起反应温度的变化。这在转化率,低反应热较小的绝热反应器或转化率高,反应放热大的反应器中显得更重要。

2.流量比值控制

在上述物料流量自控的方案中,如果每一进入反应器的物料都采取流量自动控制,则物料之间的比值也得到保证,但这种方案只能保持静态比例关系。另外,当其中一个物料由于工艺等原因不能采用流量控制时,就不能保证进入反应器的各个物料之间成一定的比值关系。在控制要求较高时,流量变化较大的情况下,针对上述情况可采用单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统。在有些化学反应过程中,当需要两种物料的比值根据第三参数的需要不断校正时,可采用变比值控制系统。

3.反应器入口温度

反应器入口温度的变化同样会影响反应。这对反应体积小,反应放热又不大的反应影响更显著,这是需要稳定入口温度。但是,对反应体积大,又是强放热的反应,入口温度变化对反应影响较小。

上述几个外围控制,主要目的是稳定进入反应器的物料量和热量。对出反应器的物料,因为它对反应一般不发生影响,所以一般不设置控制系统。有时,从物料平衡角度出发,采用反应器液位对出料进行控制;从反应条件角度出发,用反应器压力控制反应器的气体量等。

3.2 温度被控变量的选择

化学反应器的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。用这些变量作为被控变量,反应要求就得到了保证。但是,这些指标大多数是综合性的,无法测量;有的是成分指标,缺乏测量手段,或者测量滞后大,精度差,不宜作为被控变量。目前,在化学反应器的反应过程控制中,温度和上述这些指标关系密切,且容易测量,所以大多用温度作为反应器控制中的被控变量。

一般地,对于间歇搅拌反应釜,连续搅拌反应釜、流化床、鼓泡床等内部具有强烈混合的反应器,反应器内温度分布比较均匀,检测点位置变化的关系不大,都能代表反应釜的反应温度。对于其他连续生产的反应器,反应情况的好坏并不受限于反应器内某一点的温度,而是取决于整个反应器的温度分布情况。只有在一定的温度分布情况下,反应器才处于最佳的反应状态。但作为定值控制系统,温度测量点只能是有限的、具体的点。因此,如何选择一些关键的点,使它能反映整个反应情况,或者能够反映反应器的温度分布情况,是反应器温度控制的一个关键。对于这一类反应器,温度检测点大概有反应器的进口、出口、反应器内部和反应器进出口温差四种。

1.出口温度作为被控变量

在反应变化不大的情况下,出口温度在一定程度上反映了转化率。但是,当出口温度发生变化,流过控制回路调节,由于控制滞后,不合格的产品已经离开反应器。而且,反应器的出口温度不一定是最高的,反应变化较大时,难以避免反应器内局部温度急剧升高,造成催化剂受损。对于反应在出口处已经趋向平衡的反应器,出口温度就不能灵敏地反映反应的最终情况。因此,一般不直接用出口温度作为被控变量。

2.反应器内热点作为被控变量

热点即为反应器内温度最高的一点。这一点温度得到控制,可以防止催化剂的破坏。热点往往会随着催化剂的使用时间增加而移动,这样检测位置也要跟着转移。另外,热点往往不够敏感,对于控制精度要求高,反应迅速的反应系统很不适合。

3.温差作为被控变量

如果反应是绝热的,则由热量恒算式知,转化率和进出口温差成正比。用温差作为被控变量来反应转化率,可以排除进料流量和温度对转化率的影响,比用反应温度衡量转化率更精确。但是,它使用的条件必须是绝热反应。而且,温差控制并不能保证反应器温度本身的恒定,即温差恒定时,反应器温度可以变动,从而影响到反应速度等其他因素,反应不一定处于合适的状态。同时,一般情况下,温差控制稳定性比较差,不宜控制。

4.进口温度作为被控变量

反应温度变化是由热量不平衡所引起的。对具体反应器,催化剂稳定情况下,这个不平衡就是由散热情况和进入反应器的物料状态变化所引起的。当反应比较复杂,难以测定反应变化时,可以设想,不管反应器里进行怎样的化学反应,只要控制好进入反应器的物料状态和冷却情况,反应的结果大体就有了保障。在进料的组分变化不大,流量有了自动控制以后,反应物料的入口温度就基本上决定了反应的结果。因此,可以用进口温度作为被控变量,控制反应器的反应。

3.3 控制系统的选择

以温度为被控变量的系统种类很多,常用的控制方案有:

1.简单的温度控制系统

图3-1 简单温度控制系统

图3-1所示是单回路温度控制系统,反应热量由制冷剂带走,其控制方案是通过控制制冷剂的流量来稳定反应温度。冷剂流量相对较小,釜温与冷剂温度差较大,当内部温度不均匀时,易造成局部过热或过冷。

 

图3-2 冷剂循环的简单温度控制系统

图3-2的控制方案是通过冷剂的温度变化来保持反应温度的不变。冷剂是强制循环方式,流量大,传热效果好,但釜温与冷剂温差较小。

图3-3 反应器进口温度控制方案

图3-3是控制反应物进口温度的反应器系统,在这个流程中,进口物料与出口物料进行热交换,这是为了尽可能回收热量。系统通过调节出料的流量控制热量交换程度,从而控制进料的温度。

上述简单控制系统是生产过程自动控制中较为基本的形式,解决了生产过程中大量参数控制问题。但是,这些系统通常滞后时间较大,对于生产效率和生产质量要求高的化学反应往往不能满足需要。

在简单系统的基础上,加入进一步的控制成分,构成串级、均匀、比值等复杂控制系统可以实现更好的控制效果,满足更高的生产需求。

2.串级温度控制系统

在多回路控制系统中,用两台控制器相串联,其中一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值,这样的系统称为串级控制系统。采用温度串级控制的反应器系统可以克服反应釜大滞后的问题,是实际生产运用最广泛的同相、大热量化学反应装置,其示意图如图3-4所示。

图3-4 反应器的温度串级控制系统

除了串级控制外,还有前馈控制、分程控制分段控制等复杂控制系统,分别视不同的化学反应和生产需求而确定,本文就图3-4的串级系统进行分析。

4 反应器串级系统的控制原理

4.1 系统方框图

图3-4所示的反应器系统采用入口原料温度和釜心温度串级控制,其中原料温度为主控制变量,釜心温度为副控制变量,原料流量为控制对象。该反应器主要针对反应过程热量变化大的同相化学反应,原料与反应釜在夹套进行热交换,以充分节约能量成本,系统原理方框图如图4-1所示。

图4-1 反应器的串级控制系统方框图

4.2 系统原理分析

串级系统工作原理如下(以放热反应为例):

1)原料温度有偏差(釜心温度正常恒定)

设某时原料温度偏高,则主被控变量的检测变送单元输出值偏高,主控制器控制调节原料阀增加流量。原料流量增加后,在夹层单位停留时间减少,交换到的热量减少,原料温度下降。如此,就实现了对原料温度的自动调节,温度偏低时同理。

2) 釜心温度有偏差(原料温度正常恒定)

设某时釜心温度偏高,由前述分析可知此时釜内化学反应程度超过理想情况,或者反应的环境温度受到干扰。副被控变量的检测变送单元输出值上升,使副控制器调节原料阀增加流量。原料流量增加后,一方面会更快、更多地交换走釜心的温度;另一方面,由上述分析知原料温度会下降,一定程度上减缓反应程度,降低釜心温度。

3)原料温度和釜心温度同时有偏差

设原料温度偏高,釜心温度也偏高,则主、副被控变量的检测变送单元输出值变高,同时使主副控制器发出增加原料流量的信号,控制阀更大程度地增加流量,使原料温度和釜心温度同时降低,迅速控制了反应进行。

通过上述分析可知,串级控制通过对反应器进口物料温度和釜心温度两项控制对象的反馈控制,既能够迅速克服多种扰动,又能让化学反应按给定的原料温度进行反应控制,很大程度提高了系统性能。

  对于串级控制还有很多其他形式,包括釜温与原料流量串级控制、釜温与冷剂流量串级控制、釜温与釜压串级控制、釜温与夹套温度串级控制等,需视具体反应和生产要求设计。

5 反应器的部分实现

5.1 原料的比值控制

 

实际生产中,原料往往不是只有一种,而且一般需要原料之间成一定比例关系进入反应器。对进料进行比值控制可以很好地解决这个问题,加入了原料比值控制的串级系统原理图如图5-1所示。

图5-1 含比值、串级控制的反应器原理图

图示的系统采用简单的开环比值控制,使物料关系满足比值给定。此处,原料1是主导,其流量受温度串级控制;原料2是按比例跟随原料1的流量,简介受控于串级控制系统。这样,既可保证反应原料按理论比例反应,不会引起原料浪费或者工业危险,又可通过设定原料温度和釜心的反应温度对反应进程进行检测和自动控制。系统基本可以承担一般较大热量交换的化学反应,在保证生产安全和效率的同时,充分利用了反应热量进行原料预热,节约成本,提高化学效率。

5.2 仪器仪表的选择

1) 检测仪表的选择

由于系统串级控制部分主、副控制对象都是温度,所以设计所需的检测传送装置是温度传感器。原料和釜心温度的检测需根据具体的化学反应来决定。对于大发热量的化学反应,需要用量程较大的温度传感器,而对反应热量变化不大的反应需要用小量程但反映灵敏的检测装置。另外,釜心温度传感器还需由化学反应的最佳反应温度决定。

2)控制器的选择

控制器的控制效果是保证控制质量的基本条件,一般有P、PI、PD、PID等几种控制算法,需由化学反应热量大小、夹套热交换效率、原料的状态、热容比等数据具体计算整定,还要考虑反应釜的容量滞后、时间滞后等。设计控制器应该以系统抗干扰性强、稳态性能好、响应速度快、超调波动小等几个方向为目标。一般上述的几种控制算法足够满足不同的系统要求。

3) 控制阀的选择

控制阀是控制系统非常重要的一个环节,它接受控制器的输出信号,改变操纵量,执行最终控制任务。控制阀的结构型式种类很多,选择时主要从控制介质的工艺条件和物理性质考虑,工艺条件如阀前后压差的大小,流体静压的大小,介质温度,对泄漏的要求等。物理性质如是否易燃、易爆、易腐蚀、易结晶、黏度大小等等。从控制特性和相应效果方面,对不同的应用情况可以选择电动、启动等。

总之,仪表仪器的选择需根据具体的化学和生产要求而定,综合考虑系统安全、响应性能、经济效应等多重因素,是系统投产前的关键环节。

6 设计总结与展望

设计初步确定了工业常用的化学反应器的控制系统结构,讨论并选定了一般控制系统常用的控制对象。针对选定的控制对象,给出了能适应多数化学生产的控制系统的设计。设计时,考虑对化学生产过程进行最有效,最直接,最利于实现和执行的控制,选物料温度为控制对象。为克服一般反应釜的时间滞后,容量滞后特性,系统加入了反应器内部温度为副控制对象,构成串级控制系统,大大提高了系统性能。此外,设计考虑生产实际,加入了原料比值控制以恒定原料输入比例满足化学反应要求。设计还对仪器仪表的选定做了初步介绍。

设计的系统理论上能够承担一部分化学生产任务,但要具体时间还需很多进一步的设计,比如调节器的设计整定,调节阀的参数计算和选择等,都是复杂而关键的过程。事实上,工业所用的化学反应其器一般是大型的、综合型的复杂系统,结合了控制理论里的许多其他理论和环节,比如前馈控制、分程控制、选择性控制等。

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