化學(xué)反應器自動(dòng)控制系統設計
發(fā)布時(shí)間:
2023-07-14 16:50
1關(guān)于化學(xué)反應
化學(xué)反應的本質(zhì)是物質(zhì)的原子、離子重新組合,使一種或者幾種物質(zhì)變成另一種或幾種物質(zhì)?;瘜W(xué)反應過(guò)程具備以下特點(diǎn):
1)化學(xué)反應遵循物質(zhì)守恒和能量守恒定律。因此,反應前后物料平衡,總熱量也平衡;
2)反應嚴格按反應方程式所示的摩爾比例進(jìn)行;
3)化學(xué)反應過(guò)程中,除發(fā)生化學(xué)變化外,還發(fā)生相應的物理等變化,其中比較重要的有熱量和體積的變化;
4)許多反應應需在一定的溫度、壓力和催化劑存在等條件下才能進(jìn)行。
此外,反應器的控制方案決定于化學(xué)反應的基本規律:
1.化學(xué)反應速度
化學(xué)反應速度定義為:?jiǎn)挝粫r(shí)間單位容積內某一部分A生成或反應掉的摩爾數,即(1-1)
若容積V為恒值,則有(1-2)
式中 r——組分A的反應速度,mol/m·h;
n——組分A的摩爾數,mol;
C——組分A的摩爾濃度,mol/m;
V——反應容積,m。
2.影響化學(xué)反應速度的因素
實(shí)驗和理論表明,反應物濃度(包括氣體濃度,溶液濃度等)對化學(xué)反應速度有關(guān)鍵作用。溫度對化學(xué)反應速度影響較為復雜,最普遍的是反應速度與溫度成正比。而對于氣相反應或有氣相存在的反應,增大壓力(壓強)會(huì )加速反應的進(jìn)行?;瘜W(xué)反應還受催化劑,反應深度等因素的影響,這些都是要在設計反應器是需要考慮的。
2 關(guān)于化學(xué)反應器
2.1 反應器的類(lèi)型
化學(xué)反應器的種類(lèi)很多。根據反應物料的聚集狀態(tài)可分為均相反應器和非均相反應器兩大類(lèi):均相是指反應器內所有物料處于一種狀態(tài);按反應器的進(jìn)出料形式可以分為間歇式、半間歇式和連續式;從傳熱情況,可分為絕熱式反應器和非絕熱式反應器:絕熱式反應器與外界不進(jìn)行熱量交換;從結構上可以分為釜式、管式、固定床、流化床、鼓泡床等多種形式,分別運用于不同的化學(xué)反應,過(guò)程特性和控制要求也各不相同。
2.2 反應器的性能指標
1) 產(chǎn)量;
2) 原料消耗:它可由轉化率、產(chǎn)率、收率等指標反應出。影響這些指標的因素一般有進(jìn)料濃度、反應溫度、壓力、停留時(shí)間、催化劑和反應器類(lèi)型等;
3) 單位能量消耗:生產(chǎn)單位重量產(chǎn)品所消耗的能量,一般希望原料消耗少,單位能耗少,產(chǎn)量高。
2.3 反應器的控制要求
通常,在設計化學(xué)反應器的自控方案時(shí),應從質(zhì)量指標、物料平衡、約束條件三方面加以考慮。
l) 質(zhì)量指標
化學(xué)反應器的質(zhì)量指標要求反應達到規定的轉化率或反應生成物達到規定的濃度。顯然,轉化率或反應生成物的濃度應當是被控變量,但它們往往不能直接測量。因此,只好選取幾個(gè)與它們相關(guān)的參數,經(jīng)過(guò)運算進(jìn)行間接控制。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關(guān)系為
(2-1)
式中 y——轉化率;
ρ——進(jìn)料密度;
g——重力加速度;
c——物料的比熱容;
θ,θ——分別為進(jìn)料與出料溫度;
x——進(jìn)料濃度;
H——每摩爾進(jìn)料的反應熱。
上式表明,對于絕熱反應器,當進(jìn)料溫度恒定時(shí),轉化率與出口溫度差成正比。原因是轉化率越高,反應生成的熱量越多,物料出口的溫度也就越高。所以,用溫差作為被控變量,可以間接控制反應器的轉化率。
由于化學(xué)反應過(guò)程總伴隨有熱效應,不是吸熱就是放熱,所以,溫度被廣泛用作間接控制指標。出料濃度也常用來(lái)作為被控變量,如在合成氨生產(chǎn)中,可以取變換爐出口氣體中的CO濃度作為被控變量。
2) 物料和能量平衡
為了使反應器的操作能正常進(jìn)行,必須維持整個(gè)反應器系統的物料平衡和能量平衡。為此,往往采用流量定值控制或比值控制維持物料平衡;采用溫度控制維持能量平衡。另外,在有些反應系統中,為了維持濃度和物料平衡,需另設輔助控制系統自動(dòng)放空或排放惰性氣體。
3) 約束條件
與其他化工單元操作設備相比,反應器操作的安全性具有更重要的意義,這樣就構成了反應器控制中的一系列約束條件。要防止反應器的工藝變量進(jìn)入危險區域或不正常工況,應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或選擇性控制系統,保證系統的安全。
3 反應器的控制方案
3.1 反應器常用的控制方式
控制指標的選擇是反應器控制方案設計中的關(guān)鍵問(wèn)題,應按照實(shí)際情況作出選擇。此外,由于影響化學(xué)反應的因素大部分是從外部進(jìn)入反應器的,所以保證反應質(zhì)量的一種自然設想,是盡可能將干擾排除在進(jìn)入反應器之前,即將進(jìn)入反應器的每個(gè)參數維持在規定的數值。這些控制回路大多設置在反應器以外。最常用的方案有:
1.反應物料流量自動(dòng)控制
保證進(jìn)入量的穩定,將使參加反應的物料比例和反應時(shí)間恒定,并避免由于流量變化而使反應物料帶走的熱量和放出的熱量變化,從而引起反應溫度的變化。這在轉化率,低反應熱較小的絕熱反應器或轉化率高,反應放熱大的反應器中顯得更重要。
2.流量比值控制
在上述物料流量自控的方案中,如果每一進(jìn)入反應器的物料都采取流量自動(dòng)控制,則物料之間的比值也得到保證,但這種方案只能保持靜態(tài)比例關(guān)系。另外,當其中一個(gè)物料由于工藝等原因不能采用流量控制時(shí),就不能保證進(jìn)入反應器的各個(gè)物料之間成一定的比值關(guān)系。在控制要求較高時(shí),流量變化較大的情況下,針對上述情況可采用單閉環(huán)比值控制系統或雙閉環(huán)比值控制系統。在有些化學(xué)反應過(guò)程中,當需要兩種物料的比值根據第三參數的需要不斷校正時(shí),可采用變比值控制系統。
3.反應器入口溫度
反應器入口溫度的變化同樣會(huì )影響反應。這對反應體積小,反應放熱又不大的反應影響更顯著(zhù),這是需要穩定入口溫度。但是,對反應體積大,又是強放熱的反應,入口溫度變化對反應影響較小。
上述幾個(gè)外圍控制,主要目的是穩定進(jìn)入反應器的物料量和熱量。對出反應器的物料,因為它對反應一般不發(fā)生影響,所以一般不設置控制系統。有時(shí),從物料平衡角度出發(fā),采用反應器液位對出料進(jìn)行控制;從反應條件角度出發(fā),用反應器壓力控制反應器的氣體量等。
3.2 溫度被控變量的選擇
化學(xué)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)物分布等。用這些變量作為被控變量,反應要求就得到了保證。但是,這些指標大多數是綜合性的,無(wú)法測量;有的是成分指標,缺乏測量手段,或者測量滯后大,精度差,不宜作為被控變量。目前,在化學(xué)反應器的反應過(guò)程控制中,溫度和上述這些指標關(guān)系密切,且容易測量,所以大多用溫度作為反應器控制中的被控變量。
一般地,對于間歇攪拌反應釜,連續攪拌反應釜、流化床、鼓泡床等內部具有強烈混合的反應器,反應器內溫度分布比較均勻,檢測點(diǎn)位置變化的關(guān)系不大,都能代表反應釜的反應溫度。對于其他連續生產(chǎn)的反應器,反應情況的好壞并不受限于反應器內某一點(diǎn)的溫度,而是取決于整個(gè)反應器的溫度分布情況。只有在一定的溫度分布情況下,反應器才處于最佳的反應狀態(tài)。但作為定值控制系統,溫度測量點(diǎn)只能是有限的、具體的點(diǎn)。因此,如何選擇一些關(guān)鍵的點(diǎn),使它能反映整個(gè)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(gè)關(guān)鍵。對于這一類(lèi)反應器,溫度檢測點(diǎn)大概有反應器的進(jìn)口、出口、反應器內部和反應器進(jìn)出口溫差四種。
1.出口溫度作為被控變量
在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,當出口溫度發(fā)生變化,流過(guò)控制回路調節,由于控制滯后,不合格的產(chǎn)品已經(jīng)離開(kāi)反應器。而且,反應器的出口溫度不一定是最高的,反應變化較大時(shí),難以避免反應器內局部溫度急劇升高,造成催化劑受損。對于反應在出口處已經(jīng)趨向平衡的反應器,出口溫度就不能靈敏地反映反應的最終情況。因此,一般不直接用出口溫度作為被控變量。
2.反應器內熱點(diǎn)作為被控變量
熱點(diǎn)即為反應器內溫度最高的一點(diǎn)。這一點(diǎn)溫度得到控制,可以防止催化劑的破壞。熱點(diǎn)往往會(huì )隨著(zhù)催化劑的使用時(shí)間增加而移動(dòng),這樣檢測位置也要跟著(zhù)轉移。另外,熱點(diǎn)往往不夠敏感,對于控制精度要求高,反應迅速的反應系統很不適合。
3.溫差作為被控變量
如果反應是絕熱的,則由熱量恒算式知,轉化率和進(jìn)出口溫差成正比。用溫差作為被控變量來(lái)反應轉化率,可以排除進(jìn)料流量和溫度對轉化率的影響,比用反應溫度衡量轉化率更精確。但是,它使用的條件必須是絕熱反應。而且,溫差控制并不能保證反應器溫度本身的恒定,即溫差恒定時(shí),反應器溫度可以變動(dòng),從而影響到反應速度等其他因素,反應不一定處于合適的狀態(tài)。同時(shí),一般情況下,溫差控制穩定性比較差,不宜控制。
4.進(jìn)口溫度作為被控變量
反應溫度變化是由熱量不平衡所引起的。對具體反應器,催化劑穩定情況下,這個(gè)不平衡就是由散熱情況和進(jìn)入反應器的物料狀態(tài)變化所引起的。當反應比較復雜,難以測定反應變化時(shí),可以設想,不管反應器里進(jìn)行怎樣的化學(xué)反應,只要控制好進(jìn)入反應器的物料狀態(tài)和冷卻情況,反應的結果大體就有了保障。在進(jìn)料的組分變化不大,流量有了自動(dòng)控制以后,反應物料的入口溫度就基本上決定了反應的結果。因此,可以用進(jìn)口溫度作為被控變量,控制反應器的反應。
3.3 控制系統的選擇
以溫度為被控變量的系統種類(lèi)很多,常用的控制方案有:
1.簡(jiǎn)單的溫度控制系統
圖3-1 簡(jiǎn)單溫度控制系統
圖3-1所示是單回路溫度控制系統,反應熱量由制冷劑帶走,其控制方案是通過(guò)控制制冷劑的流量來(lái)穩定反應溫度。冷劑流量相對較小,釜溫與冷劑溫度差較大,當內部溫度不均勻時(shí),易造成局部過(guò)熱或過(guò)冷。
圖3-2 冷劑循環(huán)的簡(jiǎn)單溫度控制系統
圖3-2的控制方案是通過(guò)冷劑的溫度變化來(lái)保持反應溫度的不變。冷劑是強制循環(huán)方式,流量大,傳熱效果好,但釜溫與冷劑溫差較小。
圖3-3 反應器進(jìn)口溫度控制方案
圖3-3是控制反應物進(jìn)口溫度的反應器系統,在這個(gè)流程中,進(jìn)口物料與出口物料進(jìn)行熱交換,這是為了盡可能回收熱量。系統通過(guò)調節出料的流量控制熱量交換程度,從而控制進(jìn)料的溫度。
上述簡(jiǎn)單控制系統是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制中較為基本的形式,解決了生產(chǎn)過(guò)程中大量參數控制問(wèn)題。但是,這些系統通常滯后時(shí)間較大,對于生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量要求高的化學(xué)反應往往不能滿(mǎn)足需要。
在簡(jiǎn)單系統的基礎上,加入進(jìn)一步的控制成分,構成串級、均勻、比值等復雜控制系統可以實(shí)現更好的控制效果,滿(mǎn)足更高的生產(chǎn)需求。
2.串級溫度控制系統
在多回路控制系統中,用兩臺控制器相串聯(lián),其中一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設定值,這樣的系統稱(chēng)為串級控制系統。采用溫度串級控制的反應器系統可以克服反應釜大滯后的問(wèn)題,是實(shí)際生產(chǎn)運用最廣泛的同相、大熱量化學(xué)反應裝置,其示意圖如圖3-4所示。
圖3-4 反應器的溫度串級控制系統
除了串級控制外,還有前饋控制、分程控制分段控制等復雜控制系統,分別視不同的化學(xué)反應和生產(chǎn)需求而確定,本文就圖3-4的串級系統進(jìn)行分析。
4 反應器串級系統的控制原理
4.1 系統方框圖
圖3-4所示的反應器系統采用入口原料溫度和釜心溫度串級控制,其中原料溫度為主控制變量,釜心溫度為副控制變量,原料流量為控制對象。該反應器主要針對反應過(guò)程熱量變化大的同相化學(xué)反應,原料與反應釜在夾套進(jìn)行熱交換,以充分節約能量成本,系統原理方框圖如圖4-1所示。
圖4-1 反應器的串級控制系統方框圖
4.2 系統原理分析
串級系統工作原理如下(以放熱反應為例):
1)原料溫度有偏差(釜心溫度正常恒定)
設某時(shí)原料溫度偏高,則主被控變量的檢測變送單元輸出值偏高,主控制器控制調節原料閥增加流量。原料流量增加后,在夾層單位停留時(shí)間減少,交換到的熱量減少,原料溫度下降。如此,就實(shí)現了對原料溫度的自動(dòng)調節,溫度偏低時(shí)同理。
2) 釜心溫度有偏差(原料溫度正常恒定)
設某時(shí)釜心溫度偏高,由前述分析可知此時(shí)釜內化學(xué)反應程度超過(guò)理想情況,或者反應的環(huán)境溫度受到干擾。副被控變量的檢測變送單元輸出值上升,使副控制器調節原料閥增加流量。原料流量增加后,一方面會(huì )更快、更多地交換走釜心的溫度;另一方面,由上述分析知原料溫度會(huì )下降,一定程度上減緩反應程度,降低釜心溫度。
3)原料溫度和釜心溫度同時(shí)有偏差
設原料溫度偏高,釜心溫度也偏高,則主、副被控變量的檢測變送單元輸出值變高,同時(shí)使主副控制器發(fā)出增加原料流量的信號,控制閥更大程度地增加流量,使原料溫度和釜心溫度同時(shí)降低,迅速控制了反應進(jìn)行。
通過(guò)上述分析可知,串級控制通過(guò)對反應器進(jìn)口物料溫度和釜心溫度兩項控制對象的反饋控制,既能夠迅速克服多種擾動(dòng),又能讓化學(xué)反應按給定的原料溫度進(jìn)行反應控制,很大程度提高了系統性能。
對于串級控制還有很多其他形式,包括釜溫與原料流量串級控制、釜溫與冷劑流量串級控制、釜溫與釜壓串級控制、釜溫與夾套溫度串級控制等,需視具體反應和生產(chǎn)要求設計。
5 反應器的部分實(shí)現
5.1 原料的比值控制
實(shí)際生產(chǎn)中,原料往往不是只有一種,而且一般需要原料之間成一定比例關(guān)系進(jìn)入反應器。對進(jìn)料進(jìn)行比值控制可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題,加入了原料比值控制的串級系統原理圖如圖5-1所示。
圖5-1 含比值、串級控制的反應器原理圖
圖示的系統采用簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)比值控制,使物料關(guān)系滿(mǎn)足比值給定。此處,原料1是主導,其流量受溫度串級控制;原料2是按比例跟隨原料1的流量,簡(jiǎn)介受控于串級控制系統。這樣,既可保證反應原料按理論比例反應,不會(huì )引起原料浪費或者工業(yè)危險,又可通過(guò)設定原料溫度和釜心的反應溫度對反應進(jìn)程進(jìn)行檢測和自動(dòng)控制。系統基本可以承擔一般較大熱量交換的化學(xué)反應,在保證生產(chǎn)安全和效率的同時(shí),充分利用了反應熱量進(jìn)行原料預熱,節約成本,提高化學(xué)效率。
5.2 儀器儀表的選擇
1) 檢測儀表的選擇
由于系統串級控制部分主、副控制對象都是溫度,所以設計所需的檢測傳送裝置是溫度傳感器。原料和釜心溫度的檢測需根據具體的化學(xué)反應來(lái)決定。對于大發(fā)熱量的化學(xué)反應,需要用量程較大的溫度傳感器,而對反應熱量變化不大的反應需要用小量程但反映靈敏的檢測裝置。另外,釜心溫度傳感器還需由化學(xué)反應的最佳反應溫度決定。
2)控制器的選擇
控制器的控制效果是保證控制質(zhì)量的基本條件,一般有P、PI、PD、PID等幾種控制算法,需由化學(xué)反應熱量大小、夾套熱交換效率、原料的狀態(tài)、熱容比等數據具體計算整定,還要考慮反應釜的容量滯后、時(shí)間滯后等。設計控制器應該以系統抗干擾性強、穩態(tài)性能好、響應速度快、超調波動(dòng)小等幾個(gè)方向為目標。一般上述的幾種控制算法足夠滿(mǎn)足不同的系統要求。
3) 控制閥的選擇
控制閥是控制系統非常重要的一個(gè)環(huán)節,它接受控制器的輸出信號,改變操縱量,執行最終控制任務(wù)??刂崎y的結構型式種類(lèi)很多,選擇時(shí)主要從控制介質(zhì)的工藝條件和物理性質(zhì)考慮,工藝條件如閥前后壓差的大小,流體靜壓的大小,介質(zhì)溫度,對泄漏的要求等。物理性質(zhì)如是否易燃、易爆、易腐蝕、易結晶、黏度大小等等。從控制特性和相應效果方面,對不同的應用情況可以選擇電動(dòng)、啟動(dòng)等。
總之,儀表儀器的選擇需根據具體的化學(xué)和生產(chǎn)要求而定,綜合考慮系統安全、響應性能、經(jīng)濟效應等多重因素,是系統投產(chǎn)前的關(guān)鍵環(huán)節。
6 設計總結與展望
設計初步確定了工業(yè)常用的化學(xué)反應器的控制系統結構,討論并選定了一般控制系統常用的控制對象。針對選定的控制對象,給出了能適應多數化學(xué)生產(chǎn)的控制系統的設計。設計時(shí),考慮對化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行最有效,最直接,最利于實(shí)現和執行的控制,選物料溫度為控制對象。為克服一般反應釜的時(shí)間滯后,容量滯后特性,系統加入了反應器內部溫度為副控制對象,構成串級控制系統,大大提高了系統性能。此外,設計考慮生產(chǎn)實(shí)際,加入了原料比值控制以恒定原料輸入比例滿(mǎn)足化學(xué)反應要求。設計還對儀器儀表的選定做了初步介紹。
設計的系統理論上能夠承擔一部分化學(xué)生產(chǎn)任務(wù),但要具體時(shí)間還需很多進(jìn)一步的設計,比如調節器的設計整定,調節閥的參數計算和選擇等,都是復雜而關(guān)鍵的過(guò)程。事實(shí)上,工業(yè)所用的化學(xué)反應其器一般是大型的、綜合型的復雜系統,結合了控制理論里的許多其他理論和環(huán)節,比如前饋控制、分程控制、選擇性控制等。
相關(guān)新聞
2021-09-15