过程控制反应器控制.ppt

第七章 反应器控制 内 容 引 言 反应速度与反应平衡 反应器数学模型 反应器的基本控制方案 典型反应器的控制方案 化学反应过程种类 操作方式（是否连续进料与连续出料）： 连续与间歇； 热交换形式（是否与外界存在热量交换）： 绝热与非绝热； 反应物/生成物的形态： 均相与非均相（如气、固流化床）； 物料是否循环： 单程反应与循环反应； 反应过程物流方式 反应器种类 化学反应速度 影响反应速度的因素 化学反应平衡 反应转化率、产率与收率 操作条件对化学反应的影响 浓度。提高反应物的浓度、降低生成物的浓度，可提高总的反应速度与转化率； 反应压力。对于有气体参加的可逆反应，增加总压力，化学平衡向摩尔数减少的反应方向移动； 反应温度。温度升高，正反向反应速度均提高。在平衡条件下，对吸热反应有利。 催化剂。催化剂不影响化学平衡，但加快反应速度。 反应器温度建模 Step 1: 列写动态方程式 Step 1: 列写动态方程式（续） 反应器数学模型 反应器热稳定性分析 绝热反应热稳定性分析 反应器的热稳定性分析 多数被控工业对象具有稳定的特性，即开环传递函数的相关的极点都位于根平面的左侧，称为开环稳定的对象。但是由于化学反应器伴随有强烈的热效应，情况就复杂一些。 吸热反应对象：由于反应是吸热的，T↑→v↑→吸热→Q↑→T↓，∴具有热自衡性，对温度变化对象具有负反馈特性。开环特性就是稳定的。 放热反应对象：由于反应是放热的，T↑→v↑→+Q↑→T↑→v↑↑+Q↑↑，∴对于温度的变化对象有正反馈性质，若无适当的除热措施，对象开环情况是不稳定的。 7.2 反应器的基本控制方案 7.2 反应器的基本控制方案 7.3.1 绝热反应器的控制方案 7.3.1 绝热反应器的控制方案 7.3.2 聚合釜的控制 对容量较大的聚合反应釜，其反应放热量大，传热效果差。如何控制其温度平稳较为困难。在化学反应器中，如果不能及时的稳定必要的热量就会使反应器出现热量积累，造成一个正反馈的循环。即：热量Q↑→反应速度v↑→放热Q↑↑→T↑↑。∴对这类开环不稳定系统，只要增加传热面积或加快传热速率，使稳态热量的速度大于反应放热速度，系统开环才会稳定。 由于单体转化或聚合物的转化率取决于给定温度，给定时间下的反应速度。通过恒定给料即可控制停留时间。 7.3.2 聚合反应器的控制方案 7.3.2 聚合反应器的控制方案 7.3.2 聚合釜的反应温度控制 7.3.2 聚合反应器的控制方案 7.3.3 连续反应器的控制方案 设计反应器控制方案时，首先要弄清反应器的控制指标和控制手段。关于控制指标有以下几点： 指标：根据反应器类型进行过程不同，其控制指标可以选择反应转化率、产品质量、产量等直接指标或其它有点间接指标如T、P等。 物料平衡与能量平衡：为了正常操作，运行过程中要保持物料平衡和能量平衡。为了物料平衡要求处理平稳，对主要物料设流量调节。为了能量平衡要防止热量积聚，即使除去反应热。设温度控制。 约束条件：反应器操作的安全性较之其它设备更安全。∴它往往带有较多的约束条件。对流体的F、P、T都有一定要求。通常配置一套自动保护系统。 7.3.3 连续反应器的控制方案 控制指标的选择往往是反应器控制方案设计的一个关键。 一般考虑如下几点： 直接选择反应物成份、浓度作直接被控参数。 选择某种间接参数作为被控参数。（如绝热反应器中的θ代替转化率） 7.3.3 连续反应器的控制方案 反应器的出料成分控制 反应器的控制 反应器的控制 反应器的控制 * * 定义：单位时间内单位反应体积中某一反应物或生成物摩尔数的变化量。对反应物A，其反应速度为 对生成物M，其反应速度为 考虑化学反应： 相互关系： 对于单向反应，反应速度通常可表示为 其中CA、CB为反应物A、B的摩尔浓度；α、β为反应物A、B的反应级数，α+β为反应级数；k为反应速度常数，通常为温度的函数， 总的反应速度为 当 r总 = 0 时，反应达到平衡（反应物与生成物的浓度均不变）。而化学平衡常数为 对于可逆反应： K与反应温度有关：若正向反应为吸热反应，则反应温度T↑→ K↑；反之，则T↑→ K↑； 对于可逆反应： 例子：氨的合成反应与变换反应 , 假设反应是一级不可逆放热反应， 进料与出料的体积流量相同，密度均为 ，反应器内温度与浓度均匀，并分别与出口温度和浓度相同。 问题：求取操作变量( F、Tc )对被控变量( T、cA)的静态动态特性，并分析对象本身的稳定性。 1. 化学反应速度方程 2. 组分A的物料平衡式 3. 反应器内的热量衡算式 其中Q 为反应器内的热量累积, Q1 为单位时间内输入热量， Q2 为输出热量; 动态模型： 稳态模型： （1）物料与冷剂所带走的热量为 （2）反