化學(xué)反應(yīng)器控制方案的分析與設(shè)計

黃永杰

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)與電子信息工程系，廣西 南寧530226）

化學(xué)反應(yīng)器控制方案的分析與設(shè)計

黃永杰

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)與電子信息工程系，廣西 南寧530226）

化學(xué)反應(yīng)器是石油化工、醫(yī)藥等企業(yè)常見的生產(chǎn)過程設(shè)備，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，是較為典型的單元生產(chǎn)過程。通過對化學(xué)反應(yīng)器控制指標(biāo)的分析，探討了間歇反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器及pH值的控制方案，為工程技術(shù)人員設(shè)計化學(xué)反應(yīng)器過程控制系統(tǒng)提供參考。

化學(xué)反應(yīng)器；化學(xué)反應(yīng)器的控制方案；pH值的控制方案

化學(xué)反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中是一種重要的裝置，由于它們的特殊性和重要性，以及與一般生產(chǎn)裝置不同的特點，因此對化學(xué)反應(yīng)器的控制既十分重要，又比較難以實施。至今為止，由于反應(yīng)器的反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，在自動控制方面的研發(fā)工作還比較欠缺，所以在進(jìn)行反應(yīng)器控制方案的設(shè)計時需要反復(fù)地調(diào)查研究，總結(jié)反應(yīng)器的操作經(jīng)驗，才能制定出合理的、行之有效的自動控制方案。

1 化學(xué)反應(yīng)器的控制指標(biāo)

化學(xué)反應(yīng)的種類比較多，化學(xué)反應(yīng)器的控制難易程度相差也很大，一些容易控制的反應(yīng)器，控制方案非常簡單，與一個換熱器的控制方案完全相同。但是，當(dāng)反應(yīng)速度快、放熱量大或由于工藝設(shè)計上的原因，使得反應(yīng)器的穩(wěn)定操作區(qū)域很狹窄的情況下，反應(yīng)器控制方案的設(shè)計將成為一個非常復(fù)雜的問題。此外，對于一些高分子聚合反應(yīng)，也會因物料的黏度大而給溫度、流量和壓力的準(zhǔn)確測量帶來較大的困難，以致嚴(yán)重影響反應(yīng)器控制方案的實施。

一般情況下，在確定反應(yīng)器控制方案時，首先要清楚反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)，既被控變量和可能的操作變量，質(zhì)量指標(biāo)可從以下幾個方面考慮。

1．1 被控變量

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)器及其內(nèi)在進(jìn)行反應(yīng)的機(jī)理不同，其被控變量可以選擇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量等直接指標(biāo)，或與它們有關(guān)的間接工藝指標(biāo)，如溫度、壓力、黏度等。

1．2 物料平衡和能量平衡

為了使反應(yīng)器的操作能夠正常進(jìn)行，反應(yīng)器系統(tǒng)運行過程中必須保持物料平衡和能量平衡。例如，為了保持熱量平衡，需要及時除去反應(yīng)熱，以防止熱量的積聚，為了保持物料平衡，需要定時排除或放空系統(tǒng)中的惰性物料，以保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。

1．3 約束條件

與其他的單元操作設(shè)備相比較，反應(yīng)器操作的安全性更具有重要的意義，這樣就構(gòu)成了反應(yīng)器控制中的一系列約束條件。比如，要防止工藝參數(shù)進(jìn)入危險區(qū)域或不正常工況，應(yīng)該設(shè)置一些報警、聯(lián)鎖或自動選擇性控制系統(tǒng)，當(dāng)工藝參數(shù)越出正常的操作范圍時，發(fā)出報警信號；當(dāng)其接近危險區(qū)域時，就會把某些閥門打開或切斷或保持在限定的位置，以確保生產(chǎn)的安全運行。

在上述的3個因素中，質(zhì)量指標(biāo)的選擇常常是反應(yīng)器控制方案設(shè)計中的關(guān)鍵，根據(jù)反應(yīng)器操作的實際情況，如果有條件直接測量反應(yīng)產(chǎn)物成分的，可選擇成分作為直接的被控變量；或者選擇某種間接的被控變量，最常見的間接指標(biāo)是反應(yīng)器的溫度，但是對于具有分布參數(shù)特性的反應(yīng)器，應(yīng)該注意所測溫度的代表性。

2 反應(yīng)器的控制

目前，大型化工生產(chǎn)過程所使用的反應(yīng)釜，其容量相當(dāng)龐大，反應(yīng)的放熱量也很大，而且傳熱效果又很差，反應(yīng)溫度的平穩(wěn)操作成為過程控制技術(shù)中的一個難題。實踐經(jīng)驗證明，這類反應(yīng)器的開環(huán)響應(yīng)大都是不穩(wěn)定的，如果在運行過程中不及時有效地移去反應(yīng)熱，反應(yīng)器內(nèi)部的正反饋將使溫度不斷上升，以致達(dá)到無法控制的地步，引發(fā)事故或事故停車。從理論上說，增加反應(yīng)器的傳熱面積或加快傳熱速度，使移去熱量的速度大于反應(yīng)熱生成的速度，就能提高反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性。但是，由于在設(shè)計上與工藝上的困難，對于大型聚合釜是難以實現(xiàn)的，因此，只能在設(shè)計控制方案時，對控制系統(tǒng)的實施提出更高的要求，來滿足聚合反應(yīng)釜工藝操作的質(zhì)量指標(biāo)和安全運行。

2．1 間歇反應(yīng)器的控制方案

圖1所示是聚丙烯腈反應(yīng)器的內(nèi)溫控制方案。由丙烯腈聚合成聚丙烯腈的聚合反應(yīng)要在引發(fā)劑的作用下進(jìn)行，引發(fā)劑連續(xù)地加入聚合釜內(nèi)，同時丙烯腈通過計量槽加入，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，將反應(yīng)的聚合物加入到分離器中，以除去未反應(yīng)的單體物料。在聚合釜中發(fā)生的聚合反應(yīng)有以下特點：⑴在反應(yīng)開始之前，反應(yīng)物必須升溫至指定的最低溫度；⑵反應(yīng)是放熱反應(yīng)過程；⑶反應(yīng)速度會隨溫度的升高而增加。

為了使反應(yīng)能發(fā)生，首先把熱量供給反應(yīng)物。但是，一旦反應(yīng)發(fā)生后，必須將熱量移走，以維持一個穩(wěn)定的操作溫度。此外，單體轉(zhuǎn)化為聚合物的轉(zhuǎn)化率取決于給定溫度、給定時間下的反應(yīng)速率，這個給定時間即為反應(yīng)物在反應(yīng)器中的停留時間。其次，為了控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，可選擇溫度作為被控變量，選擇夾套溫度為副參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。同時，聚合釜內(nèi)溫度控制方案采用了分程控制的方式，采用供熱或除熱的操作，分別控制進(jìn)料過程和反應(yīng)過程的物料溫度，使其能符合工藝的要求。

圖1 聚合釜內(nèi)溫度控制方案

2．2 連續(xù)反應(yīng)器的控制方案

圖2所示是一個連續(xù)反應(yīng)器的控制方案。

圖2 連續(xù)反應(yīng)器的控制方案

在反應(yīng)器中物料A與物料B進(jìn)行合成反應(yīng)，生成的反應(yīng)熱從夾套中通過循環(huán)水除去，反應(yīng)時放熱量與反應(yīng)物B的流量成正比。A進(jìn)料量大于B進(jìn)料量，反應(yīng)速度很快，反應(yīng)完成的時間比停留的時間短。反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、吸收率及副產(chǎn)品的分布決定于物料A與B的流量之比，通過控制反應(yīng)器的液面高度來改變進(jìn)料量達(dá)到物料平衡，工藝對自動控制系統(tǒng)設(shè)計提出如下的要求：⑴平穩(wěn)操作，轉(zhuǎn)化率、吸收率、副產(chǎn)品分布要確保恒定；⑵安全操作，盡可能減少硬性停車；⑶保證較大的生產(chǎn)能力。

通過分析，最后確定了一個前饋-反饋的控制系統(tǒng)及較完善的軟保護(hù)控制方案。下面分別予以介紹。

⑴反應(yīng)器溫度的前饋-反饋控制系統(tǒng)：以溫度作為被控變量，夾套冷卻水作為操作變量，以A的進(jìn)料量為前饋輸入變量。在前饋控制回路中選用了PD控制器作為前饋動態(tài)補(bǔ)償器。由于溫度控制器采用了外部積分反饋（FB）來克服積分飽和現(xiàn)象，因此，在前饋輸出通道采用了濾除直流分量的措施，即前饋補(bǔ)償器的輸出通過一個傳遞函數(shù)的線路Tas／（Tas＋1），這樣，加法器的方程就是：

式中，Ia、Iс和If分別是加法器、溫度控制器和前饋補(bǔ)償器的輸出。但是，圖2所示只是表示了一個原則性的控制系統(tǒng)，而實際上為了保證反應(yīng)器的安全操作，按照工藝上提出的約束條件設(shè)計相應(yīng)的軟限停車系統(tǒng)，即選擇性控制系統(tǒng)。

⑵反應(yīng)器進(jìn)料的比值控制系統(tǒng)與一般的比值控制系統(tǒng)完全相同。但是，在控制物料B的流量QB時，工藝上提出了以下限制條件：（a）反應(yīng)器溫度低于結(jié)霜溫度時，不能進(jìn)料；（b）若測量出比值QB／QA過大了， 不能進(jìn)料；（c）QA達(dá)到低限以下，即QA＜QAmin時，不能進(jìn)料；（d）反應(yīng)器液位Lr＜Lrmin時，不能進(jìn)料；（e）反應(yīng)器溫度過高時，不能進(jìn)料。

顯然，選擇性控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)這5個工藝約束條件，具體實施方案可以有很多種，但是，原理都是工況達(dá)到上述安全軟限時，由選擇性控制器取代正常工況下比值控制器的輸出，從而切斷QB通路，中斷了B的進(jìn)料。

⑶反應(yīng)器的液位及出料控制系統(tǒng)：由圖2可知，反應(yīng)器液位的控制參數(shù)是物料A的流量QA，除了圖示的控制系統(tǒng)外，還需要考慮對QA的兩個附加要求：

（a）進(jìn)料速度要與冷卻能力配合，不能太快；

（b）開車時，如果反應(yīng)器的溫度低于下限，則不能進(jìn)料，同時也要求液位低于下限時不能關(guān)閉進(jìn)料閥。

此外，反應(yīng)器的出料主要是由反應(yīng)物的質(zhì)量和后續(xù)工序來決定，設(shè)計產(chǎn)品出料控制系統(tǒng)的原則如下：（a）反應(yīng)器的液位低于量程的25%時應(yīng)停止出料；（b）開車時的出料質(zhì)量與反應(yīng)溫度有關(guān)，反應(yīng)溫度達(dá)到工藝指標(biāo)時才能出料，反之，如果反應(yīng)溫度低于正常值時應(yīng)停止出料。

同樣，可以設(shè)置一套相應(yīng)的選擇性控制系統(tǒng)來實現(xiàn)上述的工藝操作要求。在實際應(yīng)用時，這個連續(xù)反應(yīng)器還配置了一套比較完善的開停車程序控制系統(tǒng)，結(jié)合上述的一系列控制系統(tǒng)，達(dá)到了較高的生產(chǎn)過程自動化水平。

3 pH值的控制方案

化學(xué)反應(yīng)常常會涉及酸、堿物質(zhì)，pH值往往是化學(xué)反應(yīng)過程的一個重要參數(shù)。由于pH值能在線測量，所以把pH值作為反應(yīng)過程的質(zhì)量指標(biāo)加以控制。酸堿中和過程的非線性程度很大，而且由于pH值的測量特點，測量過程具有一定的純滯后，所以pH值的控制系統(tǒng)通常被認(rèn)為是比較難以實施的。

在生產(chǎn)過程實施pH值控制系統(tǒng)時，對pH值測量裝置的選擇、安裝以及日常維護(hù)等因素要給予足夠的重視，因為pH值測量的精度、測量滯后及采樣帶來的純滯后對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)影響很大。

pH值控制系統(tǒng)可以采用常規(guī)的線性反饋PID控制器，通過單回路控制某一中和液的流量，但不能使用純比例控制規(guī)律，因為純比例作用存在余差，而pH值控制系統(tǒng)的設(shè)定值又大多處于對中和液流量十分敏感的區(qū)域，即pH值為7附近，中和液流量的微小偏差可能使之遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)定值，如圖3所示。選用PI或PID控制規(guī)律，以及參數(shù)的整定，需要根據(jù)所控制的對象特征來定。考慮到過程的非線性，這時可以選用非線性控制閥，對被控對象的非線性進(jìn)行部分補(bǔ)償。但是，由于多數(shù)中和反應(yīng)過程的非線性程度不同，而且又存在著不可忽略的純滯后時間，采用常規(guī)的線性控制器難以獲得滿意的控制效果。因此，需要在控制系統(tǒng)中考慮這兩個因素的影響，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

工程上考慮對中和反應(yīng)過程的非線性補(bǔ)償時，經(jīng)常采用的方法之一是使用Shinskey提出的三段式非線性控制器。其基本原理是：在對象的增益較大時，控制器的增益較??；當(dāng)對象的增益較小時，控制器的增益較大，以此來維持系統(tǒng)增益的基本不變，如圖4所示。其中低增益的一段稱為“死區(qū)”，其范圍可根據(jù)對象特征加以控制。如果對象的設(shè)定值不在其滴定曲線的中點附近，需將控制器增益中的一段切除，否則將使過程的非線性程度加大。

圖3 中和反應(yīng)過程滴定曲線

圖4 三段式非線性控制器

上述方法對控制對象非線性的補(bǔ)償是近似的，為了能更準(zhǔn)確地實現(xiàn)這種補(bǔ)償，需要確定中和反應(yīng)過程非線性增益的特征，可以根據(jù)正常工況下的中和反應(yīng)過程滴定曲線，由下式求?。?/p>

式中：Kp－對象增益；

ΔF－中和液的流量變化。

通過測量中和液的流量和變化量，可確定對象增益的大小，調(diào)整控制器的增益，實現(xiàn)控制對象非線性補(bǔ)償。使用常規(guī)模擬控制裝置時，非線性環(huán)節(jié)的實施有一定的難度，但是可編程控制裝置和DCS的廣泛應(yīng)用，為這一控制方案的實現(xiàn)提供了許多便利的條件。

控制對象純滯后補(bǔ)償?shù)幕痉椒ㄖ痪褪侵腟mith補(bǔ)償控制方案，如圖5所示。該方案對象模型的精度要求較高，在pH值控制中使用比較困難，可以采用對模型適應(yīng)性較強(qiáng)的改進(jìn)方案，根據(jù)對象的控制質(zhì)量要求及對象特征，綜合出具體的控制算法，得到更適合的補(bǔ)償效果。對中和反應(yīng)過程而言，在進(jìn)行純滯后補(bǔ)償?shù)耐瑫r，還需要對被控對象的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，在各種純滯后補(bǔ)償?shù)乃惴ㄖ?，對象模型?yīng)具有變增益的特性。

在中和反應(yīng)過程中，中和液的流量、濃度和反應(yīng)器的反應(yīng)體積等參數(shù)均可能會發(fā)生變化，使對象的滴定曲線產(chǎn)生畸變，偏離正常的工況，如圖6所示，實線為正常工況下的滴定曲線，虛線為發(fā)生畸變后的滴定曲線，情況嚴(yán)重時，采用被控對象非線性和純滯后的固定補(bǔ)償控制規(guī)律，無法得到合格的控制品質(zhì)，此時，有必要選用自適應(yīng)控制的方法，在線辨識對象的特性，變換控制參數(shù)和控制規(guī)律，以適應(yīng)對象特性的變化。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，可以選擇常見的自適應(yīng)控制器，如三段式非線性自適應(yīng)控制器，根據(jù)對象特性的變化自動調(diào)整其死區(qū)寬度，或者選用FOXBORO公司的EXACT自整定控制器等，以滿足對pH值控制系統(tǒng)的質(zhì)量要求。

圖5 Smith純滯后補(bǔ)償控制方案

圖6 中和反應(yīng)過程的畸變特性

4 結(jié)語

化學(xué)反應(yīng)器控制方案的設(shè)計，除了考慮溫度、轉(zhuǎn)化率、pH值等質(zhì)量指標(biāo)的核心問題之外，還必須考慮反應(yīng)器的其他問題，如安全操作、開停車等，應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)，才能使反應(yīng)器的控制方案比較完善。

［1］ 邵裕森，等．過程控制工程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［2］ 孫小方，等．間歇化學(xué)反應(yīng)器的先進(jìn)控制技術(shù)［J］．化工時刊，2002，（11）：1-5.

［3］ 王愛廣，等．過程控制技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［4］ 黃曙磬，等．微分幾何方法及其在化學(xué)反應(yīng)器控制中的應(yīng)用［J］．自動化學(xué)報，1998，（5）：329-336.

Analysis and Design of Chemical Reactor Control Scheme

HUANG Yong-jie
（Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530226，China）

Chemical reactor was common production process equipment with complicated reaction mechanism in petrochemical，pharmaceutical enterprises，was a typical unit production process．Based on the analysis of chemical reactor control，the batch reactor，continuous reactor and the control scheme of pH was discussed．

chemical reactor；chemical reactor control scheme；control scheme of pH

TQ 052.5

A

1671-9905（2012）03-0051-04

黃永杰（1965-），男，漢族，廣西百色人，高級工程師，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)與電子信息工程系教研室主任，曾主持或參與多項大型工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計、施工項目，現(xiàn)從事電氣自動化、生產(chǎn)過程自動化、機(jī)電一體化專業(yè)的教學(xué)和科研工作

2011-12-12