反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)

王鵬

摘 要 目前化工生產(chǎn)自動化水平不斷提高，在生產(chǎn)過程中，反應(yīng)釜具有十分重要的作用，密切關(guān)系到所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，對當(dāng)前反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析很有必要，有助于促進(jìn)我國工業(yè)生產(chǎn)水平的發(fā)展。在化工生產(chǎn)過程中，反應(yīng)釜是最重要的反應(yīng)設(shè)備。反應(yīng)過程中存在著大量的吸熱和放熱現(xiàn)象，其中涉及到一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)，即反應(yīng)釜的溫度控制。本文介紹了反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)，提出了如何優(yōu)化對反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)，帶來更高的經(jīng)濟(jì)收益。

關(guān)鍵詞 反應(yīng)釜 溫度控制 化工自動

中圖分類號：TE96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）05-0007-02

作為一種重要的反應(yīng)堆在化工生產(chǎn)過程中，特別重要的是準(zhǔn)確、合理控制反應(yīng)堆的溫度，這不僅有助于提高設(shè)備的效率，確保產(chǎn)品的質(zhì)量，但也影響著順利操作設(shè)備和人身安全。因此，從多個方面研究反應(yīng)釜溫度控制方案，不斷優(yōu)化其自動控制方案，在實(shí)際生產(chǎn)中具有深遠(yuǎn)的意義。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展前景

1.1 研究現(xiàn)狀

我國工業(yè)自20世紀(jì)以來，得到了迅猛的發(fā)展。同時，我國飛速發(fā)展的科技以及應(yīng)用不斷擴(kuò)大的計(jì)算機(jī)行業(yè)，促進(jìn)了自動控制系統(tǒng)在工業(yè)控制過程中的廣泛應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)在國外有非常迅速的發(fā)展，在智能化、自動化等方面都獲得了很大的成功。在這方面，西方國家技術(shù)水平領(lǐng)先，并且已經(jīng)將智能化、自動化溫控系統(tǒng)在化工生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了大力推廣及應(yīng)用。由于擁有完善的自動控制理論作為技術(shù)支持，發(fā)達(dá)國家已將智能控制技術(shù)、微電子技術(shù)等各種新技術(shù)引入到反應(yīng)器溫度控制中。

它的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）構(gòu)建的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擁有強(qiáng)大的功能，將化工生產(chǎn)中存在的滯后和慣性問題都一一解決，在實(shí)際應(yīng)用中，溫控效果非常好。

（2）面對特殊工況，比如實(shí)際生產(chǎn)中無法對溫度進(jìn)行有效控制的時候，建立基于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過模擬的形式，可以找出溫控問題的有效解決方案。

（3）將自適應(yīng)控制、智能技術(shù)、模糊控制等不同類型的技術(shù)進(jìn)行有效利用，在有效算法的支持下對反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行優(yōu)化，使其適用性更強(qiáng)。

（4）根據(jù)反應(yīng)釜的溫控要求，能夠使溫度控制過程適應(yīng)不同的參數(shù)變化，從而保證能夠充分發(fā)揮被控系統(tǒng)的控制功能。

（5）適用于反應(yīng)釜溫度控制中的溫度控制器，對控制對象的特點(diǎn)及功能進(jìn)行充分考量，使參數(shù)擁有自整定功能，同時將良好的自學(xué)效果賦予溫度控制器。在使用中，可將控制參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同工況下的溫控要求。

（6）通過集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、自校正控制等不同技術(shù)，將運(yùn)行過程中溫度控制系統(tǒng)的控制進(jìn)度予以提高，并且提高了抗干擾性能，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

以上內(nèi)容綜合介紹了現(xiàn)階段溫度控制器的研究狀態(tài)。同時，針對反應(yīng)器溫度控制研究，也提出了幾個不同觀點(diǎn)：（1）雙?？刂啤Ｆ鋵?shí)際功能取決于控制方式：BANG-BANG+PID。應(yīng)在控制過程運(yùn)行之前，將反應(yīng)溫度提前設(shè)定好。通過反應(yīng)釜的加熱和冷卻工作機(jī)理，保證了整個反應(yīng)釜溫度變化的均勻性;（2）采用科學(xué)的估算方法分析反應(yīng)熱，在PID的作用下實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)釜溫度的控制;采用科學(xué)的GMC溫度控制方法和模糊控制方法。

1.2 發(fā)展前景

隨著化工過程和化工設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)也得到了相應(yīng)的快速發(fā)展。隨著社會的發(fā)展，工廠對生產(chǎn)提出了更高的要求，對生產(chǎn)的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，在溫度控制方面和自動化技術(shù)水平方面，也提出了更嚴(yán)格的要求。此外，市場競爭程度越來越激烈，就要求工廠必須努力提高自動化的技術(shù)水平。同時，信息技術(shù)的到來，推動了化工自動化技術(shù)向新方向發(fā)展，使其更加多樣化。反應(yīng)釜溫度控制的有效性必將成為化工自動化未來發(fā)展中重要的技術(shù)指標(biāo)，對不同控制方法在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的效果，也要進(jìn)行科學(xué)地評價。

化工自動化未來的發(fā)展重點(diǎn)將是：

（1）通過現(xiàn)場總線控制技術(shù)的支持，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的輔助，保證反應(yīng)釜溫度控制工作取得良好的控制效果。

（2）實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)釜的參數(shù)是不斷變化的，在未來化工自動化發(fā)展中，要保證反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定，使它與系統(tǒng)快性之間能夠協(xié)調(diào)發(fā)展。

（3）深入分析反應(yīng)釜在化工自動化的發(fā)展中溫度變化特點(diǎn)，有必要考慮采用PID控制、預(yù)測控制、采用模糊控制等方法提高溫度控制系統(tǒng)的使用功能，優(yōu)化反應(yīng)裝置的工作性能[1]。

2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)

在化學(xué)工業(yè)中，最常用的反應(yīng)容器就是反應(yīng)釜，而它的核心技術(shù)就是溫度控制。反應(yīng)釜主要從兩個方面實(shí)現(xiàn)溫度控制，一個方面是熱水的進(jìn)，另一個方面是冷水的進(jìn)，通過閥門實(shí)現(xiàn)對這兩個方面的控制。不同的反應(yīng)物通過內(nèi)置在容器中的攪拌器混合，使它們得到均勻的加熱。反應(yīng)釜內(nèi)，當(dāng)需要將溫度進(jìn)行升高時，將熱水閥打開，通過換熱介質(zhì)升高反應(yīng)釜內(nèi)溫度。當(dāng)溫度達(dá)到要求溫度時，關(guān)閉熱水閥。一旦溫度過高，就將冷水閥打開，降低反應(yīng)釜內(nèi)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到需要的溫度時，將冷水閥關(guān)閉，以此來保持反應(yīng)釜內(nèi)溫度的恒定。

3 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

（1）能快速方便地設(shè)置反應(yīng)釜在過時需要和對反應(yīng)溫度進(jìn)行控制時，系統(tǒng)中的反應(yīng)釜溫度能自動調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度，并能保持溫度穩(wěn)定，直至另一個設(shè)定，這是反應(yīng)釜溫度自動控制系統(tǒng)。

（2）溫控系統(tǒng)的設(shè)備要使用常用的設(shè)備，這樣一旦損壞，就可以特別容易地在市場上購買更換設(shè)備。

（3）保證整個儀器可靠性高，且故障率低。

3.2 溫度控制系統(tǒng)組成

大多數(shù)的反應(yīng)釜本質(zhì)上是一個焊接筒體，由內(nèi)外兩塊鋼板組成，除了一些加強(qiáng)之間的聯(lián)系外，甚至最小的熱傳遞介質(zhì)的設(shè)備也沒有。雖然這種化學(xué)換熱介質(zhì)對反應(yīng)釜低速熱效率產(chǎn)生不了大影響，但化學(xué)工業(yè)換熱介質(zhì)對高速反應(yīng)器的熱效率影響很大。由于速度達(dá)到一定程度后，傳熱介質(zhì)很容易在反應(yīng)釜的進(jìn)出口造成短路，傳熱介質(zhì)停留在反應(yīng)釜或其他地方，使其難以排出，會儲存較長時間，導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)外夾套難以實(shí)現(xiàn)均勻加熱，使反應(yīng)釜內(nèi)熱效率降低，進(jìn)一步，反應(yīng)釜內(nèi)溫度也會下降，造成化工生產(chǎn)效率下降[2]。

3.3 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)報(bào)警和及停裝置

反應(yīng)釜內(nèi)的溫度在化工生產(chǎn)過程中的控制不容易，在化工生產(chǎn)中，如果在反應(yīng)釜內(nèi)溫度過高，反應(yīng)釜內(nèi)會產(chǎn)生壓力，隨著壓力的增加，則極易發(fā)生爆炸。因此，當(dāng)反應(yīng)釜因溫度過高而壓力過大時，有必要及時發(fā)出報(bào)警信號，讓工作人員及時進(jìn)行處理，以免發(fā)生更大的事故，避免產(chǎn)生本可避免的傷害和損失。因此，有必要將報(bào)警裝置和緊急停車裝置設(shè)計(jì)進(jìn)溫度控制系統(tǒng)中。為了保證其安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)將自動控制和手動手柄控制結(jié)合使用。其工作流程如下：反應(yīng)釜溫度上升，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力逐漸變得更大，壓力測試系統(tǒng)與傳輸連接在一起，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)大于報(bào)警設(shè)置數(shù)據(jù)，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力報(bào)警系統(tǒng)將報(bào)警信號發(fā)送到員工，而自動停止裝置同時啟動，消除危險，再停后，必須采取相應(yīng)的措施。首先，要及時關(guān)閉進(jìn)料閥，避免反應(yīng)物繼續(xù)往反應(yīng)器進(jìn)。將蛇形冷卻管打開，增加冷水量，確保冷卻管中有大量冷水進(jìn)入，將反應(yīng)釜內(nèi)的溫度快速降低。之后打開排氣閥，將反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)物和產(chǎn)物及時排空。這些系統(tǒng)在反應(yīng)過程中獨(dú)立存在，自動和手動控制同時存在每個系統(tǒng)中。這些程序也可以手動完成，如果必要時，警報(bào)設(shè)備已被解報(bào)。

4 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分析及實(shí)際應(yīng)用過程

反應(yīng)釜熱交換的原理是，利用熱水、蒸汽或?qū)嵊偷龋ㄟ^反應(yīng)釜的熱交換裝置與物料進(jìn)行熱交換，將釜內(nèi)物料溫度予以提高。一般是根據(jù)溫度的范圍來測量釜內(nèi)的溫度，在反應(yīng)釜內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)的管道上選用熱阻或熱電偶與調(diào)節(jié)閥形成控制回路，從而調(diào)控溫度。

傳統(tǒng)的反應(yīng)釜溫度控制，只有簡單的PID單回路調(diào)節(jié)，組成部分主要為：被控對象（反應(yīng)釜）、檢測和傳輸裝置（熱電偶或熱阻）、控制裝置（DCS）和執(zhí)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）。

如果導(dǎo)熱介質(zhì)為熱水，如果反應(yīng)堆的溫度沒有達(dá)到設(shè)定好的數(shù)值，熱水入口調(diào)節(jié)閥開大，這樣熱水和材料可以充分交換熱量，直到溫度達(dá)到設(shè)定值，熱水入口調(diào)節(jié)閥自動關(guān)閉，物料溫度能穩(wěn)定在設(shè)定值，整個反應(yīng)釜溫度即能實(shí)現(xiàn)自動控制。

但是對于一些比較復(fù)雜的反應(yīng)過程，如：首先需要加熱反應(yīng)釜才能啟動反應(yīng)，反應(yīng)開始后釋放大量的熱量。為了使反應(yīng)順利進(jìn)行，需要對反應(yīng)釜進(jìn)行冷卻。在這種情況下，要想啟動反應(yīng)器、實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，就有必要采用分區(qū)控制系統(tǒng)。

在一個簡單的控制系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器的輸出只驅(qū)動一個調(diào)節(jié)器。在分流控制系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器的輸出驅(qū)動兩個或多個調(diào)節(jié)器閥，每個調(diào)節(jié)器僅在其輸出的一定信號范圍內(nèi)工作。

當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度值時，調(diào)節(jié)器將引導(dǎo)蒸汽進(jìn)氣閥打開并加熱反應(yīng)釜。當(dāng)反應(yīng)開始時，調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)閉蒸汽進(jìn)氣閥，慢慢打開冷卻水進(jìn)氣閥，隨著反應(yīng)熱逐漸釋放，將反應(yīng)熱排出。這樣可以使反應(yīng)釜的溫度從反應(yīng)開始到反應(yīng)穩(wěn)定為止基本保持不變，從而達(dá)到自動控制的目的[3]。

5 結(jié)語

增強(qiáng)反應(yīng)釜溫度控制效果，能夠有助于優(yōu)化設(shè)備性能，將整體生產(chǎn)效率逐步提高。為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)控制反應(yīng)堆的溫度，必須注意合理使用的模糊控制方法和預(yù)測控制方法在化工自動化的未來發(fā)展，確保反應(yīng)堆的先進(jìn)、有效的溫度控制。同時，要根據(jù)形勢的變化，提高對化工自動化發(fā)展的認(rèn)識水平，從而為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供不竭的動力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡亞南.間歇反應(yīng)釜溫度控制算法的研究及實(shí)現(xiàn)[D].西安：陜西科技大學(xué)，2016.

[2] 楊輝.反應(yīng)釜溫度控制研究現(xiàn)狀與化工自動化發(fā)展[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2017（08）：140-141.

[3] 曾海鵬.基于貓群優(yōu)化的間歇式反應(yīng)釜自調(diào)整模糊控制方法研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2016.