化學反應過程控制解析

1、1,化學反應過程控制,2,化學反應過程,化學反應過程是一種或幾種物質變成另一種或另幾種物質的過程。一般可用下列化學反應方程式表示 式中，A、B等稱為反應物，C、D等稱為生成物。 a、b、c、d等則表示相應物質在反應中消耗或生成的摩爾比例數(shù)； Q為反應的熱效應，Q值可以從手冊中獲得，或用實驗測量的方法獲得。例如，氨合成反應可寫成 上式表示每3摩爾的氫氣與1摩爾的氮氣，可生成2摩爾的氨，并且產(chǎn)生熱量Q。,3,化學反應過程的特點,遵循物質守恒定律和能量守恒定律，反應前后物料平衡，能量也平衡； 反應嚴格地按反應方程式所示的摩爾比例進行； 反應過程中，除發(fā)生化學變化外，還發(fā)生物理變化，其中比較重要的有溫

2、度和體積的變化； 許多反應需在一定的溫度、壓力和催化劑存在等條件下才能進行。 化學反應在化學反應器中進行，它經(jīng)常是整個生產(chǎn)過程的核心。 化學反應器是化工工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要設備之一,4,化工反應指標測量,化工生產(chǎn)工藝上要求的指標是達到一定的轉化率和反應深度，是一種成分指標。目前成分在線測量還有一定難度。在一定條件下，反應過程中的溫度和壓力可以反映產(chǎn)品的成分，即間接反映轉化率和反應深度。當壓力恒定（或已知時），可以用溫度來表征轉化率和反應深度。 反應過程的可控因素有進料溫度、濃度，引發(fā)劑的添加量，物料的停留時間與反應過程中的溫度和壓力等。,5,化學反應器的類型,按照化學反應器進出物料的狀況，可以

3、分為間歇式反應器與連續(xù)式反應器兩類。 間歇式反應器通常應用于生產(chǎn)批量小、反應時間長或在反應的全過程中，對反應溫度、壓力有嚴格要求的場合。間歇式反應器的控制大多采用時間程序控制方式，即設定值按照一個預先規(guī)定的時間程序變化，因此屬一種隨動控制系統(tǒng)。（軌線控制） 連續(xù)式反應器用于基本化工產(chǎn)品生產(chǎn)，連同前后工序一起連續(xù)而平穩(wěn)地生產(chǎn)。對于連續(xù)反應器，為了保持反應的正常進行，希望控制反應器內(nèi)的若干關鍵工藝參數(shù)(例如溫度、壓力、成分等)的穩(wěn)定。通常為定值控制系統(tǒng)。,6,化學反應器的類型,按照物料的流程，化學反應器可分為單程與循環(huán)兩類。 當反應轉化率和收率足夠高時，可以采用單程反應方式。物料通過反應器后，不再

4、循環(huán)進行再次反應，如圖(a)所示，這種方式能耗較小。在單程反應系統(tǒng)中常用的操縱變量有進料溫度、進料濃度、進料流量和加入或移去的熱量等四個變量。 若反應速度比較慢、平衡常數(shù)比較小的情況下，物料一次通過反應器的轉化過程很不完善，必須將反應產(chǎn)物進行分離，把未反應的物料與新鮮的反應物混合后，再次進入反應器反應，如圖(b)所示。 對于循環(huán)式反應器，除了上述四個變量可供選擇作為操縱變量外，又增加了一個循環(huán)量。,7,化學反應流程,8,循環(huán)式反應器，如在進料中混有惰性物質，則隨著循環(huán)的進行，將引起惰性物質的積聚，從而影響反應的正常進行，為此必須將循環(huán)物料部分放空。例如合成氨過程中的合成氣中，常含有甲烷等惰性氣

5、體，如不放空部分循環(huán)氣，則惰性氣體的含量就會不斷增高。 化學反應的速率隨溫度升高而加快。有些反應過程，在較高的溫度下，雖然具有較高的轉化率。但由于副反應的存在，同時引起了副產(chǎn)物的增加。這樣就不得不降低反應溫度來抑制副反應，這樣同時降低了主反應的轉化率。此時，在工藝流程的安排上只得采用循環(huán)型的流程。 循環(huán)型反應器中除了反應物的循環(huán)外，有時也有溶劑的循環(huán)使用和為了防止反應過于劇烈而在進料中加入部分反應產(chǎn)物等多種形式。,9,化學反應器的類型,反應器的結構形式有釜式、管式、塔式、固定床、流化床等多種反應器形式，它們適用于不同的化學反應，對象特性和對控制的要求也各不相同 。,10,釜式反應器,連續(xù)聚合釜

6、是釜式反應器的一例，如圖中(a)所示。單體以一定的流量連續(xù)進入反應釜，反應物在釜內(nèi)經(jīng)歷一定的停留時間(取決于物料流量和釜的有效容積)，反應產(chǎn)物連續(xù)由釜內(nèi)流出。 間歇式釜式反應器是另一種常見的反應器，它是將一種反應物先注入反應釜內(nèi)，然后控制另一種反應物的注入過程，直到整個反應過程完成，一次排出反應生成物，開始另一循環(huán)。 釜式反應器一般帶攪拌器，使反應物充分均勻。 許多釜式反應器帶有夾套，按照反應的熱效應，通過夾套對反應過程進行冷卻或加熱。有些情況，由于反應階段的不同，需要在反應初期進行加熱，而隨著反應的進行，在反應的中期和末期進行冷卻。,11,釜式反應器的控制,反應工藝要求的目標通常是達到一定的

7、轉化率和反應深度，但直接對其測量有困難。 因此，往往代之以溫度來間接表征。 可控因素是進料溫度、濃度、引發(fā)劑的添加量、停留時間與釜溫等。 對于小型反應釜，特別帶攪拌器時，對象特性可以用集中參數(shù)描述，控制比較方便。 大型反應釜，對象特性要用分布參數(shù)描述，控制復雜，因此反應釜一般都較小。,12,管式反應器,管式反應器結構非常簡單，就是一根管道，如圖(b)所示。管式反應器是連續(xù)反應器。 通常也用加熱或冷卻來解決反應的熱效應問題。管式反應器是一個典型的分布參數(shù)對象，各點溫度和成分都不相同。 工程上為了方便，也常將它處理成具有集中參數(shù)的對象。 管式反應器是典型的大滯后對象。 圖(c)所示的塔式反應器與管

8、式反應器特性十分相似。它往往伴有物料的逆向混合過程。 塔式反應器也是一連續(xù)反應器,應用十分廣泛。,13,固定床反應器,固定床反應器是一種比較古老的反應器，如圖(d)所示。如二氧化硫氧化反應器，合成氨生產(chǎn)過程中的變換爐、合成塔都屬于這一類型。當需要較大的傳熱面積時，也采用列管式固定床反應器，如圖(e)所示。 2SO2+O2=2SO3 CO+H2O = CO2+H2 這類反應器目前應用仍很廣泛，特別當催化劑價格昂貴或易破損時用得較多。 就對象特性而言，固定床反應器嚴格說來也是一個分布參數(shù)系統(tǒng)，但工程上仍然處理成集中參數(shù)系統(tǒng)。,14,流化床和移動床反應器,流化床也稱為“沸騰床”，在氣-固或液-固兩相

9、反應中，為了增加反應物之間的接觸，強化反應過程，將固相物質懸浮于流體之中，例如硫酸生產(chǎn)中的黃鐵礦焙燒爐。 沸騰狀況直接影響反應的進行，必須保證合適的流體速度和沸騰層的高度，以獲得良好的反應效果。 在氣-固相接觸反應中，若催化劑需要再生時，可采用移動床反應器，催化劑從反應器頂部加入，懸浮于氣相之中，逐漸下沉，經(jīng)外部提升后重新加入反應器， 這類反應器需要控制的變量較多，如反應溫度、氣流速度、催化劑的藏量、反應器內(nèi)壓力、反應器與再生器的壓差等?？刂茖ο蟮奶匦詮碗s，是一種較難控制的反應器。,15,流化床和移動床反應器可以通過改變原料入口溫度，也可以通過改變進入流化床的冷劑流量，控制反應溫度。 由于流化

10、床中固體物料懸浮在空中，氣流的速度直接影響流化床的沸騰狀況，也影響反應過程。因此，在流化床控制中必須保證合適的氣流速度和沸騰層的高度，以保證反應效果。,流化床反應器,16,化學反應的基本規(guī)律,(1)化學反應速度及其影響因素 化學反應速度定義為：單位時間單位反應體積中某一物質摩爾數(shù)的變化率 式中，ri；為物質i的反應速度，mol(m3s)；ni為物質i的摩爾數(shù)；t為反應時間，s；VR為反應體積，m3；ci為物質r的摩爾濃度，molm3,17,化學反應的基本規(guī)律,對于不可逆反應，生成物的反應速度為正值；而反應物反應速度為負值。對于下述反應 各物質的反應速度關系為 例如 有,18,化學反應的基本規(guī)律

11、,(2)濃度對反應速度的影響 對不可逆反應,反應速度與反應物濃度的關系為 （6） rC為組分C的生成速度； cA，cB分別為反應物A和B的摩爾濃度；、分別為反應物A和B的反應級數(shù)，可以是正數(shù)或負數(shù)、分數(shù)或整數(shù)；K稱為反應速度常數(shù)。根據(jù)式(6)，顯然、值為正時，相應的物質濃度越大，反應速度也越大；若數(shù)值等于零，該物質濃度對反應速度沒有影響；若數(shù)值為負時，該物質濃度增加，會抑制反應，使反應速度下降。,19,化學反應的基本規(guī)律,對于氣相反應，由于壓壓與濃度存在對應關系，所以反應速度可以用分壓p表示 (7) 式中，pA、pB分別為反應物A和B的分壓。 (6)、（7）式中，物質A稱級反應物，物質B稱級反

12、應物，整個反應稱+級反應。,20,化學反應的基本規(guī)律,對可逆反應 ，式(6)所示的反應速度為正反應速度；逆反應速度表達式與式(6)類似，只是濃度分別為產(chǎn)物C和D的濃度，反應級數(shù)為、（與、值不一定相同）。對于可逆反應，總的反應速度為正逆反應速度之差 （8） 式中，rC為組分C總的生成速度；Kl、K2分別為正向與逆向反應的反應速度常數(shù)。對于可逆反應，隨著反應的進行，反應物的濃度不斷下降，生成物的濃度不斷上升。總的反應速度隨反應深度的增加而減小，最后反應速度等于零，達到平衡。,21,化學反應的基本規(guī)律,對于不是單一的反應，例如對于平行反應(AB，AC)、串聯(lián)反應(ABC)，則總的反應速度是幾個反應速

13、度的代數(shù)和，即 平行反應 串聯(lián)反應,22,溫度對反應速度的影響,溫度對反應速度的影響非常復雜，常見的影響情況如圖所示。隨著反應溫度的升高，反應速度呈指數(shù)增長趨勢。溫度和反應速度的關系，通常用阿累尼烏斯公式表示 式中，K為反應速度常數(shù)；K0稱為頻率因子 ； R為氣體常數(shù)，R=8.3196KJ(molK)，E為活化能，表示使反應物分子成為能進行反應的分子(稱活化分子)所需的平均能量，單位為kJmol，在一定的溫度范圍內(nèi)活化能可視為不變；T為反應器的絕對溫度，K。對上式取對數(shù)得,23,溫度對反應速度的影響,(a)隨著反應溫度的升高，反應速度呈指數(shù)增長趨勢。 (b)表示了lnK與l/T的關系。溫度升高

14、使K值增大，從而使反應速度加快。 對于可逆反應，溫度的升高使正反應速度K1和逆反應速度K2都增加。如果是吸熱反應， K1的增加速度大于K2的增加速度，則總的反應速度提高；如果是放熱反應，隨著溫度升高， K1的增長速度小于K2的增長速度，總的反應速度就會下降。,24,壓力對反應速度的影響,壓力是通過改變單位體積內(nèi)的分子數(shù)，增加或減少分子之間相互碰撞機會而影響化學反應平衡。 壓力對反應物和生成物全是固體或液體的反應沒有什么影響。 對有氣體存在的反應，壓力對平衡就有影響。實驗證明：壓力增加，氣相物質的濃度增加，平衡向摩爾數(shù)減少的反應方向移動；降低總壓力，平衡向摩爾數(shù)增加的反應方向移動。,25,壓力對

15、反應速度的影響,例： 三個摩爾體積的氫和一個摩爾體積的氮，生成兩個摩爾體積的氨。如果增加反應壓力，平衡向生成氨的方向移動，因為這個方向使系統(tǒng)內(nèi)總摩爾數(shù)減少；反之，降低壓力，平衡將沿反應的逆方向移動，整個系統(tǒng)的總摩爾數(shù)增加。由此可見，對合成氨反應而言，增加反應壓力，對提高氨的平衡濃度有利。,26,催化劑對反應速度的影響,催化劑對反應速度的影響是通過改變活化能E來實現(xiàn)的。 活化能的改變對反應速度影響很大，所以催化劑對反應速度的影響也很大。 對同時進行多個反應的過程，由于催化劑對反應具有很大的選擇性，因此，選擇合適的催化劑，可以加速某一反應的反應速度。,27,化學平衡及其影響因素,對于可逆反應，當達

16、到某一反應深度時，正逆反應速度相等，總的反應速度等于零，此時就稱反應達到了化學平衡。 對于可逆反應 總反應速度為 達到化學平衡時 得 即 當溫度一定時，KC為一常數(shù)，稱為用濃度表示的平衡常數(shù)。KC越大，平衡轉化率越高。,28,化學平衡及其影響因素,對于完全由氣體參加的可逆反應(即氣相反應)，如果理想氣體定律可以適用，則平衡常數(shù)也可以用分壓來表示 式中，當總壓p和溫度T一定時，KP為一個常數(shù)，pA、pB和pC分別為組分A、B、C的分壓 。,29,化學平衡及其影響因素,反應物與生成物濃度對化學平衡的影響： 增加反應物濃度或降低生成物濃度，平衡向增加生成物方向移動；反之，平衡向增加反應物方向移動。

17、這個結論的實際意義表現(xiàn)為兩方面。 第一，在生產(chǎn)過程中，為了充分利用原料，提高產(chǎn)量，可以降低生成物的濃度，促使平衡沿正方向移動 第二，在生產(chǎn)上為了充分利用某一反應物原料，可以使另一反應物的原料過量，增加反應物濃度，保證某一反應物原料的充分反應，促使反應沿增加生成物方向進行。,30,化學平衡及其影響因素,日查德平衡移動原理 如果改變平衡狀態(tài)時的某一條件，使平衡被破壞時，平衡將自動地向減少這種改變的方向移動。 化學平衡反映了可逆反應過程的一種極限狀態(tài)，要達到平衡狀態(tài)通常需要相當長的時間；而化學反應器的操作目標是得到盡可能多的目的產(chǎn)品。因此，使反應過程遠離化學平衡狀態(tài)，同時使反應朝著最有利的方向進行。

18、只有這樣，才能保證有一定的反應速度，并得到盡可能多的目的產(chǎn)品。,31,化學平衡及其影響因素,仍以氨合成反應為例 在一定的反應溫度下，增大反應物H2，N2的濃度，減少生成物NH3的濃度，在設備允許的范圍內(nèi)增大反應壓力，都將有利于正向反應的進行，有利于氨收率的提高；對于反應溫度而言，溫度升高，盡管正、逆反應速度均增大，并使化學平衡沿氨的分解方向移動。但只要使反應器中NH3的濃度足夠低，逆向反應速度的絕對值就不會太大。,32,反應的轉化率、產(chǎn)率和收率,設有下列化學反應： 式中，A為反應物，則可作如下定義 如不存在副反應，則產(chǎn)率為100。轉化率與產(chǎn)率的乘積稱為收率,33,反應的轉化率、產(chǎn)率和收率,轉化

19、率、產(chǎn)率或收率是反映反應狀況的重要指標，若不存在副反應，它們?nèi)呤墙y(tǒng)一的，可用轉化率或收率來衡量反應的好壞；而對于存在副反應的場合，則必須認真分析，根據(jù)生產(chǎn)要求來選擇，一般以收率最高為目標函數(shù)。 影響轉化率、產(chǎn)率和收率的因素，一般有進料濃度、反應溫度、壓力、停留時間、催化劑和反應器類型等。 通常情況，反應溫度相同時，停留時間越長，轉化率越高。但當停留時間已經(jīng)很長時，繼續(xù)增加停留時間，影響就不會顯著，而在相同停留時間下，隨著反應溫度的上升，反應加快，轉化率也上升，但當達到一定程度后，再增加反應溫度，轉化率的變化也將不明顯。,34,化學反應器的動態(tài)數(shù)學模型,建立反應器的數(shù)學模型是一項十分重要的任務

20、。 機理模型具有明確的物理意義，有比較嚴密的科學性。 但是由機理建模法來獲取反應過程的數(shù)學模型往往十分困難，它涉及到物料平衡、能量平衡和反應動力學等一系列問題。 本節(jié)將以圖所示的非絕熱連續(xù)攪拌釜式液相反應器為例，說明反應器機理模型的建模思路 。,35,非絕熱連續(xù)釜式液相反應器,36,基本動態(tài)方程式化學反應速度方程,假設反應器內(nèi)進行的是一級不可逆放熱反應，反應器內(nèi)溫度T和濃度cA是均勻分布的，并分別與產(chǎn)物的出口溫度和濃度相同。由此可得到反應物A的反應速度方程為 （1） 式中，E為反應活化能，kJ/mol；R為氣體常數(shù)；K0為反應頻率因子。,37,基本動態(tài)方程式物料平衡方程,對于一個化學反應器來說

21、，單位時間內(nèi)進入系統(tǒng)的物料量減去流出系統(tǒng)的物料量，再加上(或減去)由化學反應生成(或消耗)的物料量，等于系統(tǒng)內(nèi)該物料累積量的變化率。對于圖所示的連續(xù)反應器，其總的物料平衡方程為 （2） 式中，F(xiàn)0、F分別為進、出物料的體積流量；0、分別為進、出物料的密度；V為反應器的有效體積。反應物A的物料平衡方程式 （3） 式中，cA0、cA為進、出物料中反應物A的濃度，rA。為反應器內(nèi)物料A的生成速度。,38,基本動態(tài)方程式熱量平衡方程式,反應器熱量平衡關系為 式中，HR為反應器內(nèi)累積熱量；Ql、Q2為單位時間內(nèi)進入、離開反應器的物料所帶的熱量；Q3為單位時間內(nèi)化學反應的熱效應，對于放熱反應取“+”，吸熱

22、反應取“-”。Q4為單位時間內(nèi)反應器與外界的換熱量，向外散熱取“-”，外界向系統(tǒng)供熱取“+”，若為絕熱反應，該項為0。,39,基本動態(tài)方程式熱量平衡方程式（反應器）,為處理問題方便，假設圖所示的連續(xù)反應器夾套內(nèi)冷劑的溫度與冷劑出口溫度Tco相同，并忽略反應器內(nèi)壁熱容；另外，假設進出物料的比熱容相同。則反應器內(nèi)的熱量平衡方程式為 （4） 式中，cp為反應進出物料的平均比熱容；Tf為反應進料溫度；H為單位反應熱，kJ/mol；Ke為載熱體與反應器內(nèi)物料總傳熱系數(shù)；Ae為傳熱面積。,40,基本動態(tài)方程式熱量平衡方程式（夾套）,夾套內(nèi)冷劑的熱量衡算式為 （5） 式中，Vc為夾套內(nèi)冷劑容積；cpc為冷劑

23、的平均比熱容；c為冷劑的密度；Fc為冷劑的體積流量；Tc1、Tc0分別為冷劑的進出口溫度。 假設反應器與夾套內(nèi)的有效容積V，Vf均保持不變，且進出反應物料的密度相同，由式(2)可得到F=F0。將式(1)、式(2)代入式(3)式(5) 可得,41,化學反應器的動態(tài)數(shù)學模型,（3）,（4）,（5）,42,反應器的熱穩(wěn)定性,絕大部分工業(yè)對象本身都是穩(wěn)定的，即其開環(huán)傳遞函數(shù)的極點均位于根平面的左側。但是，對于化學反應過程，情況就不完全如此?；瘜W反應的速度隨著溫度的升高而加快。對吸熱反應，與此同時，吸收熱量也增多，其結果使溫度下降。因此，對溫度來講，吸熱反應具有負反饋性質，即開環(huán)特性是穩(wěn)定的。反之，放熱

24、反應，隨著溫度的升高，反應速度將會進一步加快，放熱量隨之增加，結果導致溫度繼續(xù)上升。所以對于溫度變化，這種被控對象具有正反饋性質，這類對象為開環(huán)不穩(wěn)定的。因此必須采取適當?shù)拇胧?，及時移去反應中產(chǎn)生的熱量，才能保持系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。,43,反應器的熱穩(wěn)定性,仍以上圖所示的非絕熱連續(xù)反應器為例，假設該反應器具有恒定的進料量與進料濃度，則由式(3)可知，在穩(wěn)態(tài)條件下出料的濃度cA為 （6） 式中， 為反應停留時間。 同樣，由式(5)可知，冷卻劑出口溫度的穩(wěn)態(tài)值為 （7） 式中， 稱為冷卻劑的相對換熱系數(shù),44,反應器的熱穩(wěn)定性,將式(4)改寫成 （8） 其中化學反應所釋放的熱量為 （9） 而反應物流出與

25、冷卻劑所帶走的熱量為 （10） 當Q1=Q2 時，反應器達到熱平衡狀態(tài)，反應溫度為穩(wěn)態(tài)值 ；而當Q1Q2時，反應器溫度將上升；反之，反應器溫度下降。,45,反應器的熱穩(wěn)定性,進一步分析Q1與反應溫度T的關系。將式(6)代入式(9)，得到 （11） 令 得 （12） 隨著溫度的升高，反應生成熱Q1單調上升。但由于反應器內(nèi)反應物濃度的下降，最終反應生成熱的變化并不大 ， 當T時, 達到上限值 。 而當T0時 ， 達到下限值0 。,46,反應器的熱穩(wěn)定性,同理，將式(7)代入式(10)得 （13） 式中： 得 （14）,47,上圖分別表示了Q1，Q2與溫度T的關系，圖中曲線表示實際反應曲線，C點為系

26、統(tǒng)的靜態(tài)工作點。根據(jù)物料流與冷卻劑的吸、放熱情況的不同，可能出現(xiàn)下列幾種情況。 直線1，反應器的操作是穩(wěn)定的。如因擾動而偏離工作點，假定T升高，則導致Q1，Q2同時增加，但由于Q2的增加量大干Q1的增加量，因此T仍然會回到靜態(tài)工作點C。同樣，當T減小時，也能使T上升到C點。故因而該反應器系統(tǒng)是開環(huán)穩(wěn)定的。 直線2的情況，如因擾動而偏離工作點C，假設T升高，則由于反應放熱Q1的增加量大于Q2的增加量，結果使T繼續(xù)上升；反之，當T下降時，則由于Q1的增加量小于Q2的增加量而使T繼續(xù)下降。但是，圖中所示曲線存在E、D兩個交點，分別對應于Q1=Q2的情況，故反應器在操作點C受到擾動時，它可能進入新的操

27、作點E或D，它們也對應于反應器的穩(wěn)定工況。因此，C是一個開環(huán)不穩(wěn)定的工作點。 直線3的情況，工作點C同樣是不穩(wěn)定的。在T偏離工作點C之后，如溫度下降，將使反應完全終止，如溫度上升，將使反應全部完成。 直線4的情況，反應熱曲線與物流吸收熱曲線根本不存在交點，即該反應器系統(tǒng)不存在達到熱平衡的工作點。自然無法工作。 綜合以上分析，反應系統(tǒng)工作點C為穩(wěn)定工況的充分必要條件為,48,反應器的基本控制方案,化學反應的種類繁多，在控制上的難易程度相差很大。當反應速度快、放熱量大或由于設計上的原因使反應器的穩(wěn)定操作區(qū)域很小時，反應器控制成為一個非常復雜的問題。此外，對于一些高分子聚合反應，還由于物料的粘度很大

28、，使得溫度、流量和壓力的正確測量帶來很大困難，以致嚴重影響反應器控制方案的實施。 在設計反應器控制方案時，目標可從下列幾個方面考慮。 1）控制指標 2）物料平衡和能量平衡 3）約束條件,49,控制指標的選擇,首先要明確反應器的控制目標和可能的控制手段 。控制指標可以選擇反應轉化率、產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量或收率等直接指標，或與它們有關的間接工藝指標，例如溫度、壓力、溫差等。 如有條件可選擇直接指標，否則，只能選擇某種間接變量。 最常用的間接指標是反應器的溫度，但是對于具有分布參數(shù)特性的反應器，應注意所測溫度的代表性。 此外，盡可能將擾動排除在反應器系統(tǒng)之外。,50,物料平衡和能量平衡,為了使反應器的操

29、作能夠正常進行，在反應器運行過程中必須保持物料與能量的平衡。特別，對于放熱反應，為了保持熱量平衡，需要及時除去反應熱，以防止熱量的積聚；為了保持物料平衡，需要定時地排除或放空系統(tǒng)中的惰性物料，以保證反應的正常進行。,約束條件,反應器操作的安全性具有特別重要的意義 。因此，反應器控制中存在一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應中，一旦溫度過高或反應物中的雜質，將導致催化劑的破損和中毒；有些氧化反應中，反應物的配比不當會引起爆炸；流化床反應器中，流體速度過高，會將固相吹走，而流速過低，又會導致固相沉降等。 因此，在反應器控制系統(tǒng)設計中需配置報警、聯(lián)鎖或選擇性控制等特殊的自動控制環(huán)節(jié)。,51,控

30、制系統(tǒng)設計,反應器最常用的控制方案有 1）反應物料流量控制 保證進料量的穩(wěn)定，保證參加反應的物料比例和反應時間恒定。 2）流量比值控制 物料流量控制方案中，如果每一種進入反應器的物料都采取流量自動控制，則物料之間的比值也必須得到保證。 3）反應器入口溫度 這對反應器容積較小、放熱或吸熱又不大的反應，影響顯著，需要穩(wěn)定入口溫度。對容積大的強放熱反應器，入口溫度變化對反應影響較小，可以不加控制。 4）冷卻劑或加熱劑的穩(wěn)定 冷卻劑或加熱劑往往作為反應溫度控制的操縱變量。常作為與反應溫度串級時的內(nèi)環(huán)被控變量。,52,被控變量的選擇,化學反應器的控制指標主要是反應的轉化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)

31、物分布等。但是，這些指標大多數(shù)是綜合性指標或成分指標，目前，還缺少在線測量手段，或者測量滯后大、精度差 。 由于溫度和上述指標關系密切，又容易測量。所以，在化學反應器過程控制系統(tǒng)中，大多用溫度作為反應器控制中的被控變量。 將溫度作為反應器控制指標時，要盡可能保證物料量、進料濃度等其它參數(shù)的恒定。此外應選擇具有代表性的溫度點。,53,溫度檢測點位置,對于帶攪拌反應釜、流化床、鼓泡床等內(nèi)部具有劇烈混合的反應器，內(nèi)部溫度分布比較均勻，檢測點位置變化對反應溫度的影響不大，都能代表反應釜的溫度。 對于其它連續(xù)生產(chǎn)的反應器(例如固定床、管式反應器等)，反應情況好壞取決于整個反應器的溫度分布情況。而溫度的測

32、量點是有限的，因此，如何選擇一些比較關鍵的點，使它能反映整個反應情況、或者能夠反映反應器的溫度分布情況，是反應器溫度控制的一個關鍵。對這一類反應器，溫度檢測點大致有反應器的進口、出口、內(nèi)部和進出口溫差四種。,54,出口溫度作為被控變量,這是最簡單的方法。若反應器內(nèi)各處反應變化不大的情況下，出口溫度在一定程度上反映了轉化率。 但是，用出口溫度作為被控變量，由于控制回路的滯后，產(chǎn)品已經(jīng)離開反應器，控制不及時。 此外，反應器出口溫度一般并不是最高溫度點，并且變化較小。反應變化較大時，難以避免反應器內(nèi)局部溫度急劇升高，造成催化劑受損。 對在出口處反應已經(jīng)趨向平穩(wěn)的反應器，出口溫度不能靈敏地表達反應的情

33、況。因此，直接用出口溫度作為被控變量并不多見的。,55,反應器內(nèi)熱點作為被控變量,熱點是指反應器內(nèi)溫度最高的點。這點的溫度得到控制，可防止催化劑的損壞。但是，熱點往往是隨著催化劑使用時間的增加而移動。熱點往往并不是對擾動最敏感的點。 因此在控制上常用對擾動比較敏感的靈敏點，與熱點構成串級控制回路。靈敏點位置一般在熱點之前，它也會轉移。 熱點和靈敏點位置的確定較困難。應該對反應器多取幾個測量點。當靈敏點和熱點的距離較近時，串級就失去意義。 有些情況僅用靈敏點作為被控變量。,56,57,進口溫度作為被控變量,反應溫度的變化，是由熱量不平衡引起的。對具體反應器，在催化劑穩(wěn)定情況下，這個不平衡就是由散

34、熱狀況和進入反應器物料的狀態(tài)變化所引起的。 因此，不管反應器里進行的化學反應如何，只要控制好進入反應器的物料狀態(tài)和冷卻情況，反應的結果大體上就有了保障。 在進料組分變化不大、進料流量自動控制的情況下，反應物料的入口溫度基本上決定了反應的結果?？梢杂眠M口溫度作為被控變量，控制好反應器的反應深度。這種控制屬于前饋控制，不能反映反應過程及反應終了的情況，特別，當反應熱比較大，其它參數(shù)又有較大變化時，很難保證反應情況。因此，在實際過程也很少采用。,58,溫差作為被控變量,如果反應是絕熱的，由熱量平衡方程可知，轉化率和進出口溫差成正比。用溫差作為被控變量反映轉化率，可以排除進料流量和溫度對轉化率的影響。

35、它比用反應溫度衡量轉化率更精確些。 采用溫差作為被控變量的條件是反應必須是絕熱的。此外，溫差控制不能保證反應器溫度本身的恒定。反應器溫度的變動，會影響到反應速度等其它因素，使反應不一定處于合適的狀態(tài)。 此外，溫差控制的滯后較大，因此控制穩(wěn)定性一般比較差，不易控制，只有在工況比較穩(wěn)定的情況下，溫差控制才能較正常運行,59,釜式反應器控制系統(tǒng),釜式反應器在化學工業(yè)中應用十分普遍，除廣泛用作聚合反應外，在有機染料、農(nóng)藥等行業(yè)中還經(jīng)常采用釜式反應器來進行碳化、硝化、鹵化等反應。 許多情況下釜式反應器不是連續(xù)反應過程。 反應溫度的測量與控制是實現(xiàn)釜式反應器最佳操作的關鍵問題，下面主要針對溫度控制進行討論

36、。,60,單回路溫度控制系統(tǒng),通過調節(jié)冷卻介質的流量來穩(wěn)定反應溫度，釜溫和冷卻介質溫度差比較大，內(nèi)部采用攪拌器，保證溫度的均勻。 溫度滯后嚴重 。,61,簡單的單回路溫度控制系統(tǒng),與前一方案類似，只是冷卻介質采用強制循環(huán)式，流量大、傳熱效果好、釜溫和冷卻介質溫度差比較小。 改善溫度滯后。,62,釜式反應器溫度串級控制,主被控變量為反應器內(nèi)溫度。 副被控變量為夾套溫度，控制變量為冷卻劑流量。,63,釜式反應器分程控制,分程控制既可以擴大控制范圍，也可以有多種控制手段。 圖為加熱、冷卻分程控制。其中兩個閥門分別為氣開、氣閉，并且分別對應于溫度控制器不同輸出信號段。 許多時候為時間程序控制。,64,

37、聚合釜溫度與壓力串級控制系統(tǒng),對于某些聚合反應釜，由于容量大、熱效應強，而傳熱效果不大理想。為克服這類反應器滯后特性，提高對其反應溫度的控制精度，可采用釜內(nèi)溫度與壓力串級控制系統(tǒng)。,65,大部分聚合反應釜是一個封閉容器，壓力改變實質上是溫度變化的前奏。而且壓力的變化及其測量都要比溫度來得快。 以壓力為副變量的串級控制系統(tǒng)能夠及時感受到擾動的影響，提前產(chǎn)生控制作用，克服反應釜的滯后，提高反應溫度的控制精度。 溫度是間接質量指標，不同的壓力，溫度也不同。 可采用具有壓力補償?shù)母獌?nèi)溫度控制系統(tǒng)。,66,帶壓力補償釜溫控制系統(tǒng),67,帶壓力補償釜溫控制系統(tǒng),系統(tǒng)用壓力信號的變化來補償釜內(nèi)溫度，其實際控制效果比串級控制方案更好。根據(jù)壓力的變化來預測對應的溫度變化。當壓力平穩(wěn)時，補償器的輸出就等于釜內(nèi)溫度，因而不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖中溫度補償環(huán)節(jié)的輸出TC與溫度T