固定床反應(yīng)器的控制研究

張富強(qiáng)

摘 要：固體床反應(yīng)器的控制問題是固體床反應(yīng)器研發(fā)過程中關(guān)注的重點(diǎn)問題，在促進(jìn)固體床反應(yīng)器應(yīng)用作用有效發(fā)揮，保證其穩(wěn)定與安全運(yùn)行上，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?；诖?，本文從固體床反應(yīng)器相關(guān)概述出發(fā)，聯(lián)系已有研究成就固體床反應(yīng)器的控制進(jìn)行了簡要分析，針對控制研究發(fā)展提出一些設(shè)想。

關(guān)鍵詞：固體床反應(yīng)器;常規(guī)控制;安全控制

固體床反應(yīng)器作為化工行業(yè)建設(shè)與發(fā)展過程中應(yīng)用較為普遍與廣泛的反應(yīng)設(shè)備，其控制質(zhì)量的高低對化工行業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、安全、效益的提升存在直接影響。對此，在當(dāng)前高度重視設(shè)備安全，強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)質(zhì)量、效率、效益等協(xié)調(diào)發(fā)展的背景下，有必要加強(qiáng)固體床反應(yīng)器的控制研究，為固體床反應(yīng)器控制優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而改善反應(yīng)器性能，提高反應(yīng)器使用與管理質(zhì)量。

1 對“固體床反應(yīng)器”的基本認(rèn)識

1.1 概念

固體床反應(yīng)器（solid-bed reactor）又被稱之為“填充床反應(yīng)器”，是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用較為廣泛的生產(chǎn)設(shè)備。主要用于固體反應(yīng)物、固體催化劑的裝填與反應(yīng)，以滿足化學(xué)工業(yè)對反應(yīng)物、催化劑的使用需求。固體床反應(yīng)器中的固體顆粒在床層中處于靜止?fàn)顟B(tài)，依托催化劑裝填技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)或反應(yīng)物裝填技術(shù)實(shí)現(xiàn)液固相非催化反應(yīng)。

1.2 類型

目前，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的固體床反應(yīng)器主要有以下幾種形式：①軸向/徑向絕熱式固定床反應(yīng)器。即固體反應(yīng)器床層與外界不存在熱交換問題，流體沿著軸向/沿著徑向流經(jīng)床層。多應(yīng)用于反應(yīng)熱效應(yīng)低下或可承受反應(yīng)熱效應(yīng)變化的環(huán)境中;②列管式固定床反應(yīng)器。即催化劑多置于反應(yīng)管中或反應(yīng)管間，載熱體通過在反應(yīng)管間或反應(yīng)管中流過進(jìn)行加熱/冷卻，從而達(dá)成反應(yīng)要求。在反應(yīng)熱效應(yīng)相對較大的場合中具有廣泛應(yīng)用;③多級固定床反應(yīng)器，依托先進(jìn)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸向絕熱式固定床反應(yīng)器、徑向絕熱式固定床反應(yīng)器、列管式固定床反應(yīng)器的有效聯(lián)合，通過分段控制滿足生產(chǎn)需求。

1.3 特征

相對于其他反應(yīng)器而言，固體床反應(yīng)器具有催化劑損耗小、逆向混合小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，但其溫度控制能力相對較差，且需要及時更換催化劑。這就需要固體床反應(yīng)器能夠具有較強(qiáng)的控制能力，能夠通過控制有效解決溫度控制問題、催化劑失活過程中定態(tài)行為、動態(tài)行為控制問題以及催化劑更換過程中裝填安全控制問題。

2 固體床反應(yīng)器控制的重要性分析

2.1 理論研究視角分析

從理論研究角度來看：固體床反應(yīng)器屬于分布參數(shù)系統(tǒng)，在控制過程涉及到的變量相對較多，如何準(zhǔn)確、科學(xué)、有效選擇固體床反應(yīng)器的控制變量始終是控制研究過程中，人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。雖然隨著近些年固體床反應(yīng)器理論與實(shí)踐研究的不斷深入，測量技術(shù)、狀態(tài)評估技術(shù)水平大幅度提升。但從整體層面來看，作為固體床反應(yīng)器控制指標(biāo)的變量測量，仍存在滯后性，不能直接用于固體床反應(yīng)器的控制。與此同時，固體床反應(yīng)器不屬于線性系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中影響產(chǎn)率的因素眾多，且各因素（如溫度、催化劑反映、空間、時間等）之間存在的關(guān)系較為復(fù)雜。利用過程模型進(jìn)行分析時，無法在大范圍內(nèi)對系統(tǒng)定態(tài)行為、動態(tài)行為進(jìn)行精準(zhǔn)描述。因此，在進(jìn)行固態(tài)床反應(yīng)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，易出現(xiàn)模型失配問題，降低控制系統(tǒng)實(shí)用性、操作性。因此，仍需要不斷加強(qiáng)固體床反應(yīng)器的控制研究，能夠從反應(yīng)器行為、反應(yīng)器模型、反應(yīng)器控制指標(biāo)測量等方面進(jìn)行綜合分析，進(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化，促進(jìn)高級控制技術(shù)在固體床反應(yīng)器控制中的科學(xué)運(yùn)用。

2.2 實(shí)踐應(yīng)用視角分析

從實(shí)踐應(yīng)用層面來看：固體床反應(yīng)器作為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中的重要生產(chǎn)裝置，其運(yùn)用的安全性、穩(wěn)定性、可靠性直接關(guān)系著化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與安全。加之，在當(dāng)前高度提倡節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等背景下，化學(xué)工業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)競爭發(fā)展，必須進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備改造與創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)、減排生產(chǎn)、環(huán)保生產(chǎn)，具備生產(chǎn)設(shè)備集約化、智能化管控能力。這在一定程度上對固體床反應(yīng)器及其控制提出了更高要求。因此，加強(qiáng)固體床反應(yīng)器的控制研究，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)勢在必行。

3 固體床反應(yīng)器的控制方法分析

在固體床反應(yīng)器控制中，參數(shù)敏感性問題、瞬態(tài)行為問題、穩(wěn)定性問題、逆響應(yīng)問題等是研究關(guān)注的重點(diǎn)問題，能夠在一定程度上導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)失控，增加控制復(fù)雜性。因此，根據(jù)固體床反應(yīng)器控制要求與問題，可從常規(guī)控制與優(yōu)化控制兩方面進(jìn)行研究。常規(guī)控制的目的在于抑制固體床反應(yīng)器運(yùn)行過程中的擾動，保證其運(yùn)行的穩(wěn)定、安全、可靠與高效;優(yōu)化控制的目的在于降低其控制難度，提升其控制質(zhì)量，或?qū)崿F(xiàn)某一經(jīng)濟(jì)函數(shù)的最大化。在常規(guī)控制中可采用最優(yōu)控制策略、模態(tài)控制測量、自適應(yīng)控制策略、內(nèi)?？刂撇呗缘忍嵘刂葡到y(tǒng)辨識能力，給予狀態(tài)估計(jì)充足的信息依據(jù)，讓系統(tǒng)更好適應(yīng)固體床反應(yīng)器過程變化，進(jìn)行擾動有效抑制。在優(yōu)化控制中可依托先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，如微處理器控制技術(shù)、數(shù)字模型技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、故障診斷與評估技術(shù)等構(gòu)建自動控制系統(tǒng)，并與常規(guī)控制策略有機(jī)結(jié)合下，提升固體床反應(yīng)器整體控制水平。

總而言之，固體床反應(yīng)器作為化工行業(yè)重要生產(chǎn)設(shè)備，在設(shè)備自動化、智能化發(fā)展過程中有必要加強(qiáng)其控制與管理能力。通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，不斷改進(jìn)固體床反應(yīng)器使用性能，保證固體床反應(yīng)器穩(wěn)定與安全運(yùn)行的同時，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備控制人力資源的有效節(jié)約，助力企業(yè)可持續(xù)競爭發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆洪壽，劉建龍，齊巍巍，等.加氫固定床反應(yīng)器催化劑密相裝填與安全控制[J].廣東化工，2016，43（07）：162-164.