浙大工业过程控制17反应器控制课件.ppt

1、2022-8-14课件1化学反应器的控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2022-8-14课件2内 容n 引 言n反应速度与反应平衡n反应器的数学模型与热稳定性n反应器的基本控制方案n典型反应器的控制方案2022-8-14课件3反应器控制思考题1、了解化学反应的一般原理，掌握反应速度与化学平衡的概念及其主要影响因素；2、能够结合连续放热反应釜的稳态特性分析反应器的热稳定性问题；3、针对各种不同类型的化学反应器，掌握基本控制问题与控制系统的设计方法；4、了解常见反应器的复杂控制与先进控制方案。2022-8-14课件4化学反应过程种类n操作方式（是否连续进料与连续出料）：连续与间歇；n热交换形式

2、（是否与外界存在热量交换）：绝热与非绝热；n物料是否循环：单程反应与循环反应；2022-8-14课件5反应过程物流方式反应器后处理工序进料产品其它物料加热或冷却(a)单程型反应器后处理工序进料产品溶剂或其它加热或冷却+未反应物料(b)循环型2022-8-14课件6反应器种类再生器提升管反应器沉降器待生催化剂再生催化剂空气烟气进料油反应油气气体固相经提升或再生2022-8-14课件7化学反应速度QmMlLbBaA定义：单位时间内单位反应体积中某一反应物或生成物定义：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摩尔数的变化量。对反应物A，其反应速度为01dtCddtndVrAAA01d

3、tCddtndVrMMM对生成物M，其反应速度为考虑化学反应：rmrlrbrarMLBA相互关系：2022-8-14课件8影响反应速度的因素n反应物的浓度；n反应温度；n反应压力（对气体参加的反应）；n催化剂（加速反应，并具有选择性）。RTEkkexp02022-8-14课件9影响反应速度的因素对于单向反应，反应速度通常可表示为BACCkr 其中CA、CB为反应物A、B的摩尔浓度；、为反应物A、B的反应级数，+为反应级数；k为反应速度常数，通常为温度的函数.rCCTBA,2022-8-14课件10化学反应平衡QmMlLbBaA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

4、不变）。而化学平衡常数为对于可逆反应：212121MLBACCkCCkr总212121BAMLCCCCkkKK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；2022-8-14课件11反应转化率、产率与收率)()(副反应主反应CBACBA对于可逆反应：%100*的摩尔数进入反应器的的摩尔数参加反应的转化率AA%100*的摩尔数参加反应的的摩尔数的转化为产品产率AAC%100*的摩尔数进入反应器的的摩尔数的转化为产品收率AAC2022-8-14课件12操作条件对化学反应的影响n浓度浓度。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；n反应压力反应压力。对

5、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；n反应温度反应温度。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。n催化剂催化剂。催化剂不影响化学平衡，但加快反应速度。例子：氨的合成反应与变换反应QNHNH322232220HCOCOH,2022-8-14课件13反应器建模示例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。BAK问题问题：求取操作变量(F、Fc、Tf、Tci)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。VF,T,cA反应产物反应物F,Tf,cA0Tc

6、o冷却剂Fc,TciFc,Tco2022-8-14课件14基本动态方程式1.化学反应速度方程AAAAVrFcFcdtdVc0RTEcKdtdcrAAAexp02.组分A的物料平衡式)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAAVF,T,cA反应产物反应物F,Tf,cA0Tco冷却剂Fc,TciFc,Tco2022-8-14课件15基本动态方程式（续）3.反应器内的热量衡算式21QQdtQd其中Q 为反应器内的热量累积,Q1 为单位时间内的输入热量，Q2 为单位时间内的输出热量;AfpHVrTcFQ1TcVQp)(2copTTKATcFQ)(exp0copfpApTTKATcFTcFRTE

7、cHVKdtdTcV2022-8-14课件16基本动态方程式（续）4.夹套内的热量衡算式21QQdtQd其中Q 为夹套内的热量累积,Q1 为单位时间内的输入热量，Q2 为单位时间内的输出热量;copcccTcFQ2copcccTcVQ)(1cocipcccTTKATcFQ)()(cococipccccopcccTTKATTcFdtTcdV2022-8-14课件17反应器动态数学模型)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAA)(exp)(0TTcVKARTEKccHTTVFdtdTcopApf)()(copccccocicccoTTcVKATTVFdtdT2022-8-14课件18反应

8、器稳态数学模型0)exp()(00RTEKcccVFAAA0)()(exp0cfpATTKATTcFRTEKHVc)exp(100RTEFVKccAA0)()(copccccociccTTcVKATTVF,1cciccoATATTcpcccFCKAA0)(exp)(0TTcVKARTEKccHTTVFcopApf2022-8-14课件19反应器热稳定性分析)()(2cofpTTKATTcFQ00001)exp(/*)exp(KRTEVFVFKHVcRTEKHVcQAA（2）物料与冷剂所带走的热量为（1）反应所放出的热量为21QQdtdTcVp)(11)(i ccfpTTAKATTFc2022-

9、8-14课件20反应热稳定性分析（续）假设某工作点C 满足Q 1=Q 2=Q 0（Q 0为反应温度为T0时反应的放热量）；当T 发生小的变化时，有00001)exp()exp(KFVRTEKFVRTEQQ2022202BTABTAQQ,12cpAKAFcAi cceefpTAAKFTcB122022-8-14课件21反应热稳定性分析（续）CDE12343803904004104202.01.51.00.50.0T0201,QQQQ2022-8-14课件22反应器的入口温度控制TC进料出料TC进料出料2022-8-14课件23反应温度的单回路控制出料进料冷却剂TC出料进料冷却剂TC2022-8-

10、14课件24反应温度的串级与分程控制出料进料冷却剂TCTC出料进料TC蒸汽冷水2022-8-14课件25反应温度的分段控制与优化TCTCTC冷却剂冷却剂冷却剂Ty第一床层第二床层第三床层冷却冷却2022-8-14课件26反应温度分段控制与关联分析水物料(a)TCTCTC水进料TCTCTH出料(b)2022-8-14课件27聚合釜反应温度控制方案一出料进料T2CT1C加热器冷却器热水阀冷水阀T1,spT1T2冷却水蒸汽热水冷水TfTC2022-8-14课件28聚合釜反应温度控制方案二出料进料T2CT1C加热器冷却器加热阀冷却阀T1,spT1T2热水蒸汽60 H2O1 H2OTf2022-8-14

11、课件29聚合釜反应温度-压力串级控制TCPC冷却水PT1T1,sp2022-8-14课件30具有压力补偿的聚合釜内温控制(a)控制方案(b)温度补偿装置T1Pa+微分环节一阶滤波环节Tc冷水PT1TCTc温度补偿RY2022-8-14课件31原料油RF回炼油回炼油浆F-201雾化蒸汽反应油气烟气主风反应器再生器汽提蒸汽预提升蒸汽瓦斯气TCFCFCFCFCFCFCLCPdCFCTRGTRALRAOFGTF催化剂 RCPdCTCLSPV催化裂化反应再生系统的控制2022-8-14课件32FCCU反应再生系统控制任务n确保操作安全（1）维持催化剂循环的平稳，防止催化剂倒流；（2）维持生焦与烧焦的平衡

12、，防止炭堆积；（3）保证再生器烧焦温度在允许的范围内。n维持合适的反应深度主要影响因素：反应温度、反应压力、反应时间、剂油比、再生催化剂的活性与积炭、原料组成与性质等。n尽可能实现操作最优化空气消耗最小、产品分布最优、渣油掺炼比最大等。2022-8-14课件33反应再生系统主要控制回路n确保操作安全两器差压控制、反应器料位控制、反应温度与单动滑阀两端差压的选择控制；n维持合适的反应深度反应温度与单动滑阀两端差压的选择控制、分馏塔顶压力控制、各进料的流量控制、主风流量控制等。n尽可能实现操作最优化再生烟气氧含量控制、渣油掺炼比卡边控制、反应温度与回炼比的设定值最优等。2022-8-14课件34练习题 1对于吸热反应器，对象的开环特性是否一定稳定？而对于放热反应器，其开环特性是否一定不稳定？请给出理由，并以下连续放热反应釜为例进行分析。VF,T,cA反应产物反应物F,Tf,cA0Tco冷却剂Fc,TciFc,Tco2022-8-14课件35练习题 2对于某一连续放热反应器，希望通过调节自来水与深井水量来控制反应器的内部温度，并要求只有当自来水阀接近全开（以90%为临界开度）还感到去热不足时，才开启深井水阀。现已设计了一套分程控制系统，如图所示。试确定：（1）阀的气开、气关形式；（2）控制器的正、反作用；（3）分程区间。物料出口进料TC深井水自来水冷剂出口