浙大工业过程控制17.反应器控制

2019/3/12
工业过程控制
反应器稳态数学模型
F E (c A0 c A ) c A K 0 exp( )0 V RT
cA c A0 V E 1 K0 exp( ) F RT
Fc KA (Tci Tco ) (T Tco ) 0 Vc Vc c c pc
进料 冷却剂
2019/3/12
工业过程控制
反应温度的串级与分程控制
TC
TC
TC
出料
出料
冷水
冷却剂 进料
蒸汽 进料
2019/3/12
工业过程控制
反应温度的分段控制与优化
TC 冷却剂 TC
y
第
冷却剂 TC 冷却剂
三
床
层 冷却 层
冷却
第
二
床
第
一
床
层
T
2019/3/12
工业过程控制
反应温度分段控制与关联分析
T , CA , CB r
2019/3/12
工业过程控制
化学反应平衡
对于可逆反应： aA bB lL mM Q
总的反应速度为
2 1 2 1 r总 k1 C C k C A B 2 L CM
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
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
2019/3/12

引 言 反应速度与反应平衡 反应器的数学模型与热稳定性 反应器的基本控制方案 典型反应器的控制方案
2019/3/12
工业过程控制
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。
1 2 k1 CL CM K 1 2 k 2 C A CB
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↓；
2019/3/12 工业过程控制
反应转化率、产率与收率
对于可逆反应：
A B C (主反应 ) A B C ' (副反应 )
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工业过程控制
基本动态方程式（续）
3. 反应器内的热量衡算式
dQ Q1 Q2 dt
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;
Q V c pT
Q2 F c pT KA(T Tco ) Q1 F c pTf HVrA
2019/3/12 工业过程控制


反应器热稳定性分析
dT V c p Q1 Q2 dt
（1）反应所放出的热量为
Q1 HVc A K 0 exp( K0 * F / V E ) HVc A0 * E RT F / V exp( ) K0 RT
（2）物料与冷剂所带走的热量为
k k0 exp E

RT


反应压力（对气体参加的反应）； 催化剂（加速反应，并具有选择性）。
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工业过程控制
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
r k C C A B
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.
反应热稳定性分析（续）
2.0 1.5
1
2
E C
3 4
Q0 Q , 2 Q0
1.0 0.5 0.0 380
D
390 400 410 420
Q1
T
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工业过程控制
反应器的入口温度控制
TC
TC 进料
进料
出料
出料
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工业过程控制
反应温度的单回路控制
TC
TC
出料
出料
冷却剂 进料
物料 TC 水 TH TC TC TC 出料 TC 进料
水 (a) (b)
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工业过程控制
聚合釜反应温度控制方案一
T1, sp T1C T2C T1 T2 出料
冷却水 蒸汽 TC Tf 热水 热水阀 冷水 冷水阀 进料 冷却器 加热器
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工业过程控制
聚合釜反应温度控制方案二
1 d nA d C A 0 V dt dt 1 d nM d C M r 0 M 对生成物M，其反应速度为 V dt dt rA
相互关系：
rA r r r B L M r a b l m
工业过程控制
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影响反应速度的因素

反应物的浓度； 反应温度；
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工业过程控制
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；

物料是否循环：
单程反应与循环反应；
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工业过程控制
反应过程物流方式
进料 反应器 产品 后处理工序 其它物料 加热或冷却 ( a )单程型 进料 + + 加热或冷却 ( b )循环型
dT E V c p HVK 0c A exp F c pT f F c pT KA(T Tco ) dt RT


2019/3/12
工业过程控制
基本动态方程式（续）
4. 夹套内的热量衡算式
dQ Q1 Q2 dt
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;
d cA F E (c A0 c A ) c A K 0 exp( ) dt V RT
dT F H E KA (T f T ) c A K 0 exp (Tco T ) dt V c p RT Vc p
dTco Fc KA (Tci Tco ) (T Tco ) dt Vc Vc c c pc
1. 化学反应速度方程
Tco
rA
dcA E K 0c A exp dt RT
反应物 F, Tf , cA0
Fc , Tci
冷却剂
2. 组分A的物料平衡式
dVc A Fc A0 Fc A VrA dt
d cA F E (c A0 c A ) c A K 0 exp( ) dt V RT
E V exp( ) K0 RT0 F Q1 Q0 exp( E ) V K 0 RT F
Q2 A2T B2 Q0 A2T0 B2
A2 c p F
KA , B2 c p FTf K e Ae Tc i 1 Ac 1 Ac
2019/3/12
工业过程控制
转化率
参加反应的A的摩尔数 *100% 进入反应器的 A的摩尔数
转化为产品C的A的摩尔数 产率 *100% 参加反应的A的摩尔数
转化为产品C的A的摩尔数 收率 *100% 进入反应器的 A的摩尔数
2019/3/12
工业过程控制
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。
冷却剂
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、 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。
2019/3/12 工业过程控制
基本动态方程式
V
Fc , Tco F, T, cA 反应产物
2019/3/12 工业过程控制
产品 反应器 后处理工序 溶剂或其它 未反应物料
反应器种类
烟气
固 相 经 提 升 或 再 生 气体
再 生 器
空气
再生 催化 剂
提 升 管 反 应 器
反应 油气 沉 降 器
进料油 待生催化剂
2019/3/12
工业过程控制
化学反应速度
考虑化学反应： aA bB lL mM Q 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
Q2 F c p (T Tf ) KA(T Tco ) 1 c p F (T T f ) KA (T Tc i ) 1 Ac
2019/3/12 工业过程控制
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
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。

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。
2019/3/12
工业过程控制
反应再生系统主要控制回路

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；
当t发生小的变化时有202039课件21反应热稳定性分析续3803904004104202015100500202039课件22反应器的入口温度控制tc进料tc进料202039课件23反应温度的单回路控制进料冷却剂tc进料冷却剂tc202039课件24反应温度的串级与分程控制进料冷却剂tctc进料tc蒸汽冷水202039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冷却冷却202039课件26反应温度分段控制与关联分析tctctc进料tctcth202039课件27聚合釜反应温度控制方案一加热器冷却器热水阀冷水阀冷却水蒸汽热水冷水tc202039课件28聚合釜反应温度控制方案二加热器冷却器加热阀冷却阀热水蒸汽60202039课件29聚合釜反应温度压力串级控制tcpc冷却水sp202039课件30具有压力补偿的聚合釜内温控制微分环节一阶滤波环节温度补偿ry202039课件31原料油r回炼油回炼油浆f201雾化蒸汽反应油气烟气汽提蒸汽预提升蒸汽瓦斯气tcfcfcfcfcfcfclctcls催化裂化反应再生系统202039课件32fccu反应再生系统控制任务确保操作安全1维持催化剂循环的平稳防止催化剂倒流

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。

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。
2019/3/12
工业过程控制
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。
Tco
Tc i AcT 1 Ac
, Ac
KA cC pc Fc
F H E KA (T f T ) c A K0 exp (Tco T ) 0 V c p RT Vc p
E HVc A K 0 exp F c p (T T f ) KA(T Tc ) 0 RT
FC
LS
汽提蒸汽 雾化蒸汽
FC FC
FC
催 化
Δ PV
PdC
剂
回炼油
FC
R
C
主风
预提升蒸汽
2019/3/12
工业过程控制
FCCU反应再生系统控制任务

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，防止炭堆积； （3）保证再生器烧焦温度在允许的范围内。

维持合适的反应深度
Q Vc c c pcTco
Q2 Fc c c pcTco
Q1 Fc c c pcTci KA(T Tco )
dVc c c pcTco dt
Fc c c pc (Tci Tco ) KA(T Tco )
2019/3/12
工业过程控制
反应器动态数学模型
T1, sp T1C T2C T1 T2 出料
热水 蒸汽 60 ℃ 1 ℃ H2O
冷却阀
Tf H2O
加热阀
加热器 冷却器
进料
2019/3/12
工业过程控制
聚合釜反应温度-压力串级控制
PC P TC T1
T1, sp
冷却水
2019/3/12
工业过程控制
具有压力补偿的聚合釜内温控制
TC Tc P
温度补偿 RY
V
Fc , Tco F, T, cA 反应产物
Tco
反应物 F, Tf , cA0
Fc , Tci
冷却剂
2019/3/12
工业过程控制
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。
例子：氨的合成反应与变换反应
3H 2 N2 2NH3 Q , H 2 0 CO CO2 H 2
2019/3/12
工业过程控制
反应器建模示例
V
Fc , Tco F, T, cA 反应产物
假设反应是一级不可 逆放热反应，
K A B
Tco
反应物 F, Tf , cA0
Fc , Tci
T1
a P 微分 环节
× +
T1 冷水
+
一阶滤波 环节 ( a ) 控制方案 ( b ) 温度补偿装置
Tc
2019/3/12
工业过程控制
F-201
FC
反应油气
PdC
OFG 烟气
TF 原料油RF
TC
反 应 器 LRA TRA
TC LC
再 生 器
催化 裂化 反应 再生 系统 的控 制
TRG
瓦斯气
FC
回炼油浆