過程控制-7-反應(yīng)器控制

1、第七章反應(yīng)器控制內(nèi) 容p 引 言p反應(yīng)速度與反應(yīng)平衡p反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型p反應(yīng)器的基本控制方案p典型反應(yīng)器的控制方案化學(xué)反應(yīng)過程種類p操作方式（是否連續(xù)進(jìn)料與連續(xù)出料）：連續(xù)與間歇；p熱交換形式（是否與外界存在熱量交換）：絕熱與非絕熱；p反應(yīng)物/生成物的形態(tài)：均相與非均相（如氣、固流化床）；p物料是否循環(huán)：單程反應(yīng)與循環(huán)反應(yīng)；反應(yīng)過程物流方式反應(yīng)器后處理工序進(jìn)料產(chǎn)品其它物料加熱或冷卻( a )單程型反應(yīng)器后處理工序進(jìn)料產(chǎn)品溶劑或其它加熱或冷卻+未反應(yīng)物料( b )循環(huán)型反應(yīng)器種類再生器提升管反應(yīng)器沉降器待生催化劑再生催化劑空氣煙氣進(jìn)料油反應(yīng)油氣氣體固相經(jīng)提升或再生化學(xué)反應(yīng)速度QmMlLbBaA定義

2、：單位時間內(nèi)單位反應(yīng)體積中某一反應(yīng)物或生成物定義：單位時間內(nèi)單位反應(yīng)體積中某一反應(yīng)物或生成物摩爾數(shù)的變化量摩爾數(shù)的變化量。對反應(yīng)物A，其反應(yīng)速度為01dtCddtndVrAAA01dtCddtndVrMMM對生成物M，其反應(yīng)速度為考慮化學(xué)反應(yīng)：rmrlrbrarMLBA相互關(guān)系：影響反應(yīng)速度的因素對于單向反應(yīng)，反應(yīng)速度通常可表示為BACCkr 其中CA、CB為反應(yīng)物A、B的摩爾濃度；、為反應(yīng)物A、B的反應(yīng)級數(shù)，+為反應(yīng)級數(shù)；k為反應(yīng)速度常數(shù)，通常為溫度的函數(shù)，RTEkkexp0rCCTAA,化學(xué)反應(yīng)平衡QmMlLbBaA總的反應(yīng)速度為當(dāng) r總 = 0 時，反應(yīng)達(dá)到平衡（反應(yīng)物與生成物的濃度均不

3、變）。而化學(xué)平衡常數(shù)為對于可逆反應(yīng)：212121MLBACCkCCkr總212121BAMLCCCCkkKK與反應(yīng)溫度有關(guān)：若正向反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則反應(yīng)溫度T K；反之，則T K；反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率與收率)()(副反應(yīng)主反應(yīng)CBACBA對于可逆反應(yīng)：%100*的摩爾數(shù)進(jìn)入反應(yīng)器的的摩爾數(shù)參加反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率AA%100*的摩爾數(shù)參加反應(yīng)的的摩爾數(shù)的轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品產(chǎn)率AAC%100*的摩爾數(shù)進(jìn)入反應(yīng)器的的摩爾數(shù)的轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品收率AAC操作條件對化學(xué)反應(yīng)的影響p濃度濃度。提高反應(yīng)物的濃度、降低生成物的濃度，可提高總的反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率；p反應(yīng)壓力反應(yīng)壓力。對于有氣體參加的可逆反應(yīng)，增加總壓力，化學(xué)平衡向摩爾數(shù)減

4、少的反應(yīng)方向移動；p反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度。溫度升高，正反向反應(yīng)速度均提高。在平衡條件下，對吸熱反應(yīng)有利。p催化劑催化劑。催化劑不影響化學(xué)平衡，但加快反應(yīng)速度。例子：氨的合成反應(yīng)與變換反應(yīng)QNHNH322232220HCOCOH,反應(yīng)器溫度建模假設(shè)反應(yīng)是一級不可逆放熱反應(yīng)，進(jìn)料與出料的體積流量相同，密度均為 ，反應(yīng)器內(nèi)溫度與濃度均勻，并分別與出口溫度和濃度相同。BAK問題問題：求取操作變量( F、Tc )對被控變量( T、cA)的靜態(tài)動態(tài)特性，并分析對象本身的穩(wěn)定性。Step 1: 列寫動態(tài)方程式VF, T, cA反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)物F, Tf , cA0Tc冷卻劑1. 化學(xué)反應(yīng)速度方程AAAAVrFcF

5、cdtdVc0RTEcKdtdcrAAAexp02. 組分A的物料平衡式)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAAStep 1: 列寫動態(tài)方程式（續(xù)）VF, T, cA反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)物F, Tf , cA0Tc冷卻劑3. 反應(yīng)器內(nèi)的熱量衡算式21QQdtQd其中Q 為反應(yīng)器內(nèi)的熱量累積, Q1 為單位時間內(nèi)輸入熱量， Q2 為輸出熱量;AfpHVrTcFQ1TcVQp)(2cpTTKATcFQ)(exp0cpfpApTTKATcFTcFRTEcHVKdtdTcV反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAA)(exp)(0TTKARTEKHVcTTcFdtdTcVc

6、Afpp動態(tài)模型動態(tài)模型：穩(wěn)態(tài)模型穩(wěn)態(tài)模型：0)exp()(00RTEKcccVFAAA0)()(exp0cfpATTKATTcFRTEKHVc反應(yīng)器熱穩(wěn)定性分析0)exp()(00RTEKcccVFAAA00)exp(/AAcRTEKVFVFc)()(1cfpTTKATTcFQ00002)exp(/*)exp(KRTEVFVFKHVcRTEKHVcQAA（1）物料與冷劑所帶走的熱量為（2）反應(yīng)所放出的熱量為絕熱反應(yīng)熱穩(wěn)定性分析)(1fpTTcFQ假設(shè)某工作點C 滿足Q 1 = Q 2 = Q 0（Q 0為反應(yīng)溫度為T0時反應(yīng)的放熱量）；當(dāng)T 發(fā)生小的變化時，有對于絕熱反應(yīng)，ffTTTTQQ0

7、0100002)exp()exp(KFVRTEKFVRTEQQCDE12343803904004104202.01.51.00.50.0TQ1 /Q0反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析p多數(shù)被控工業(yè)對象具有穩(wěn)定的特性，即開環(huán)傳遞函數(shù)的相關(guān)的極點都位于根平面的左側(cè)，稱為開環(huán)穩(wěn)定的對象。但是由于化學(xué)反應(yīng)器伴隨有強烈的熱效應(yīng)，情況就復(fù)雜一些。1.吸熱反應(yīng)對象：由于反應(yīng)是吸熱的，Tv吸熱QT，具有熱自衡性，對溫度變化對象具有負(fù)反饋特性。開環(huán)特性就是穩(wěn)定的。2.放熱反應(yīng)對象：由于反應(yīng)是放熱的，Tv+QTv+Q，對于溫度的變化對象有正反饋性質(zhì)，若無適當(dāng)?shù)某裏岽胧?，對象開環(huán)情況是不穩(wěn)定的。7.2 反應(yīng)器的基本控制方案圖圖

8、7-2 7-2 調(diào)節(jié)出料量的壓力控制調(diào)節(jié)出料量的壓力控制7.2 反應(yīng)器的基本控制方案圖圖7-3 7-3 聚合釜溫度聚合釜溫度- -壓力串級控制系統(tǒng)壓力串級控制系統(tǒng) 圖圖7-4 改變進(jìn)料濃度控制方案改變進(jìn)料濃度控制方案 7.3.1 絕熱反應(yīng)器的控制方案 圖圖7-5 改變進(jìn)料溫度控制方案改變進(jìn)料溫度控制方案7.3.1 絕熱反應(yīng)器的控制方案圖圖7-6 改變段間進(jìn)入的冷氣量控制方案改變段間進(jìn)入的冷氣量控制方案1 圖圖7-7 改變段間進(jìn)入冷氣量控制方案改變段間進(jìn)入冷氣量控制方案27.3.2 聚合釜的控制p對容量較大的聚合反應(yīng)釜，其反應(yīng)放熱量大，傳熱效果差。如何控制其溫度平穩(wěn)較為困難。在化學(xué)反應(yīng)器中，如果

9、不能及時的穩(wěn)定必要的熱量就會使反應(yīng)器出現(xiàn)熱量積累，造成一個正反饋的循環(huán)。即：熱量Q反應(yīng)速度v放熱QT。對這類開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，只要增加傳熱面積或加快傳熱速率，使穩(wěn)態(tài)熱量的速度大于反應(yīng)放熱速度，系統(tǒng)開環(huán)才會穩(wěn)定。p由于單體轉(zhuǎn)化或聚合物的轉(zhuǎn)化率取決于給定溫度，給定時間下的反應(yīng)速度。通過恒定給料即可控制停留時間。7.3.2 聚合反應(yīng)器的控制方案圖圖7-8 7-8 控制進(jìn)料溫度方案控制進(jìn)料溫度方案7.3.2 聚合反應(yīng)器的控制方案圖圖7-9 7-9 改變傳熱量控制方案改變傳熱量控制方案7.3.2 聚合釜的反應(yīng)溫度控制出料進(jìn)料T2CT1C加熱器冷卻器加熱閥冷卻閥T1, spT1T2熱水蒸汽60 H2O1 H

10、2OTf7.3.2 聚合反應(yīng)器的控制方案圖圖7-10 7-10 反應(yīng)釜串級控制方案反應(yīng)釜串級控制方案1 1 圖圖 7-11 7-11 反應(yīng)釜串級控制方案反應(yīng)釜串級控制方案2 27.3.3 連續(xù)反應(yīng)器的控制方案p設(shè)計反應(yīng)器控制方案時，首先要弄清反應(yīng)器的控制指標(biāo)和控制手段。關(guān)于控制指標(biāo)有以下幾點：1.指標(biāo)：根據(jù)反應(yīng)器類型進(jìn)行過程不同，其控制指標(biāo)可以選擇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等直接指標(biāo)或其它有點間接指標(biāo)如T、P等。2.物料平衡與能量平衡：為了正常操作，運行過程中要保持物料平衡和能量平衡。為了物料平衡要求處理平穩(wěn)，對主要物料設(shè)流量調(diào)節(jié)。為了能量平衡要防止熱量積聚，即使除去反應(yīng)熱。設(shè)溫度控制。3.約束條件：反應(yīng)器操作的安全性較之其它設(shè)備更安全。它往往帶有較多的約束條件。對流體的F、P、T都有一定要求。通常配置一套自動保護系統(tǒng)。p控制指標(biāo)的選擇往往是反應(yīng)器控制方案設(shè)計的一個關(guān)鍵。p一般考慮如下幾點：1.直接選擇反應(yīng)物成份、濃度作直接被控參數(shù)。2.選擇某種間接參數(shù)作為被控參數(shù)。（如絕熱反應(yīng)器中的代替轉(zhuǎn)化率）7.3.3 連續(xù)反應(yīng)器的控制方案圖圖7-12 7-12 裂解爐的控制圖裂解爐的控制圖7.3.3 連續(xù)反應(yīng)器的控制方案（1 1）