浙大工业过程控制17反应器控制幻灯片PPT

QVcpT
Q 2 F c p T K ( T A T c)o
Q 1FcpTf HA Vr
V c p d d H T t0 c A e V x R E K F p T c p T f F c p T K ( T T c A ) o
2021/5/26
课件
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根本动态方程式〔续〕
2、能够结合连续放热反响釜的稳态特性分析反 响器的热稳定性问题；
3、针对各种不同类型的化学反响器，掌握根本 控制问题与控制系统的设计方法；
4、了解常见反响器的复杂控制与先进控制方案。
2021/5/26
课件
3
化学反响过程种类
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
V
Fc , Tco
F, T, cA Tco
反应产物
反应物 F, Tf , cA0
冷却剂 Fc , Tci
2021/5/26
课件
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TC
自来水 深井水
进料
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练习题 2
物料出口 冷剂出口
对于某一连续放热反响器，希 望通过调节自来水与深井水量 来控制反响器的内部温度，并 要求只有当自来水阀接近全开 〔以90%为临界开度〕还感到 去热缺乏时，才开启深井水阀。 现已设计了一套分程控制系统， 如下图。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。
冷却剂 TC
第第三二床床层层
冷却 冷却
冷却剂
第一床层
T
2021/5/26
课件
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反响温度分段控制与关联分析
物料
TC
TC
水
TC TC
(a) 2021/5/26
课件
TH TC
进料 出料
水 (b)
26
聚合釜反响温度控制方案一
T1, sp
T1C
T1
T2 T2C
出料
冷却水 蒸汽
TC
热水 冷水
热水阀 冷水阀
维持适宜的反响深度
主要影响因素：反响温度、反响压力、反 响时间、剂油比、再生催化剂的活性与积炭、 原料组成与性质等。
2021尽/5/2可6 能实现操作最优化课件
32
反响再生系统主要控制回路
确保操作平安
两器差压控制、反响器料位控制、反响温 度与单动滑阀两端差压的选择控制；
维持适宜的反响深度
V F ( T f T ) c H p c A K 0 e x R E p V T K c p ( T c A o T ) 0
H A K 0 e V x R E c p F T c p ( T T f) K ( T T c A ) 0
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课件
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反响器热稳定性分析
VcpddT tQ1Q2
〔1〕反响所放出的热量为 〔2〕物Q 1 料 与H 冷剂A K 所0 V e 带走 x c R 的E 热) p 量T H ( 为 A 0 * V F /V K e c 0 * F R x E /V ) p T K 0(
Q 2 F c p ( T T f) K ( T A T c) o
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课件
11
操作条件对化学反响的影响
浓度。提高反响物的浓度、降低生成物的浓度，可提 高总的反响速度与转化率；
反响压力。对于有气体参加的可逆反响，增加总压力， 化学平衡向摩尔数减少的反响方向移动；
反响温度。温度升高，正反向反响速度均提高。在平 衡条件下，对吸热反响有利。
催化剂。催化剂不影响化学平衡，但加快反响速度。 例子：氨的合成反响与变换反响
3 H 2 N 2 2 N3 H Q , H 2 0 C O C 2 O H 2
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课件
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反响器建模例如
Fc , Tco
反应物 F, Tf , cA0
V
F, T, cA Tco
反应产物
冷却剂 Fc , Tci
假设反响是一级不可 逆放热反响，
A K B
进料与出料的体积流 量一样，密度均为， 反响器内温度与浓度 均匀，并分别与出口 温度和浓度一样。
制
汽提蒸汽
FC
雾化蒸汽
FC
预提升蒸汽
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催化剂 R
C
PdC
再 生 器 LRA
LC
ΔPV
PdC
OFG 烟气 TRG
FC
主风 31
FCCU反响再生系统控制任务
确保操作平安
〔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。
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课件
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反响器动态数学模型
d d c tAV F (cA 0 cA ) cA K 0ex R E p)T (
d d V F T t ( T f T ) c H p c A K 0 e x R E p V K T c p ( T c A o T )
d d cT o tV F c c(T c iT c)o V c K c c p( A c T T c)o
换〕： 绝热与非绝热； 物料是否循环： 单程反响与循环反响；
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课件
4
反响过程物流方式
进料
反应器
后处理工序
进料 + +
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加热或冷却 ( a )单程型
反应器
后处理工序
加热或冷却 ( b )循环型
课件
产品 其它物料
产品 溶剂或其它 未反应物料
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反响器种类
2021/5/26
反响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、反响温度与回炼比的设定值最优等。
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课件
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练习题 1
对于吸热反响器，对象的开环特性是否一定稳定 ？而对于 放热反响器，其开环特性是否一定不稳定 ？请给出理由， 并以下连续放热反响釜为例进展分析。
相互关系： rArBrLrMr
a bl m
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影响反响速度的因素
反响物的浓度；
反响温度；
kk0ex E p RT
反响压力〔对气体参加的反响〕； 催化剂〔加速反响，并具有选择性〕。
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课件
8
影响反响速度的因素
对于单向反响，反响速度通常可表示为
rkC ACB
Tf 加热器 冷却器
进料
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课件
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聚合釜反响温度控制方案二
T1, sp
T1C
T1
T2 T2C
出料
热水
蒸汽
60 ℃ H2O
1℃ H2O
Tf 加热器
加热阀
冷却器
冷却阀
进料
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课件
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聚合釜反响温度-压力串级控制
冷却水
PC P
TC
T1, sp
T1
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课件
29
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课件
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反响器稳态数学模型
V F (c A 0 c A ) c A K 0ex R E p ) T ( 0
cA1K0V FceA0xpR(ET)
V F c c(T c iT c)o V cK ccpA (c T T c)o 0TcoTc1i AAccT,
Ac
KA
cCpcFc
c p F (T T f) K 1 A 1 A c(T T c i)
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课件
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反响热稳定性分析〔续〕
假设某工作点C 满足Q 1 = Q 2 = Q 0〔Q 0为反响温度 为T0时反响的放热量〕；当T 发生小的变化时，有
Q1 expR(ET0)VFK0 Q0 expR(ET)VFK0
Fc , Tci
冷却剂
2. 组分A的物料平衡式
ddV Atc FA0 cFAc VAr
d d c tAV F (cA 0 cA ) cA K 0ex R E p)T (
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课件
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根本动态方程式〔续〕
3. 反响器内的热量衡算式
ddQtQ1Q2
其中Q 为反响器内的热量累积, Q1 为单位时间内的输入 热量， Q2 为单位时间内的输出热量;
其中CA、CB为反响物A、B的摩尔浓度；α、β为反响 物A、B的反响级数，α+β为反响级数；k为反响速度 常数，通常为温度的函数.
T ,C A ,C B r
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课件
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化学反响平衡
对于可逆反响： a A b B lL m M Q
总的反响速度为 r 总 k 1 C A 1 C B 2 k 2 C L 1 C M 2
反响器的入口温度控制
TC
进料
TC
进料 出料
出料
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课件
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反响温度的单回路控制
TC
TC
出料 出料
冷却剂 进料
进料
冷却剂
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课件
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反响温度的串级与分程控制
TC TC
冷却剂
进料
TC 出料
冷水 蒸汽
进料
出料
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课件
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反响温度的分段控制与优化
TC
y
冷却剂 TC
课件
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Q2 A2TB2 Q0 A2T0B2
A2cpF1 KAA c, B2cpFfT 1 K eA A e cTci
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课件
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反响热稳定性分析〔续〕
Q2 Q0
2.0
121.5E1.0C
3 4
0.5
D
0.0 380 390 400 410 420
T
Q1 Q0 ,
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课件
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气体
烟气
反应
固
提
油气
相
再
升
沉
经
生
管
降
提
器
反
器
升
应
或
器
再 生
再生催化剂
空气
进料油
待生催化剂
课件
6
化学反响速度
考虑化学反响： a A b B lL m M Q 定义：单位时间内单位反响体积中某一反响物或生成物 摩尔数的变化量。对反响物A，其反响速度为
rAV 1dd nAtdd C At0
对生成物M，其反响速度为 rMV 1dd nM tdd C M t0
ABC' (副反 ) 应
转化 进 参 率入 加反 反 A A 的 的 应 应 摩 摩 器 的 *尔 1尔 的 0% 数 0数
产 率 转 参化 加 C 为 的 A 反 的 A 的 产 应 摩 摩 品 * 的 尔 1尔 0 % 数 0数 收 率 转 进化 入为 C 反 的 A A 的 产 的 应摩 品 摩 器*尔 1 尔 的 0% 数 数 0
化学反响器的控制
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2021/5/26
课件
1
内容
引 言 反响速度与反响平衡 反响器的数学模型与热稳定性 反响器的根本控制方案 典型反响器的控制方案
2021/5/26
课件
2
反响器控制思考题
1、了解化学反响的一般原理，掌握反响速度与 化学平衡的概念及其主要影响因素；
4. 夹套内的热量衡算式
ddQtQ1Q2
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;
QVc ccpT cco Q 2Fc ccpT cco
Q 1 F cc c p T c c iK ( T A T c) o
d cd c c V p T c c t o F cc c p ( T c i T c ) o K ( T T A c ) o
具有压力补偿的聚合釜内温控制
TC Tc
温度补偿 RY
P
T1
冷水
( a ) 控制方案
a
P
微分
环节
×
T1
++
一阶滤波
Tc
环节
( b ) 温度补偿装置
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课件
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F-201
反应油气
FC
TF 反
原料油RF
TC
应 器
催化 瓦斯气 FC
TRA
裂化
TC
反响 回炼油
FC
再生
系统 回炼油浆
FC
LS
的控
当 r总 = 0 时，反响到达平衡〔反响物与生成物的浓 度均不变〕。而化学平衡常数为
Kk1 k2
C CLA 11C CM B 22
K与反响温度有关：假设正向反响为吸热反响，那么 反响温度T↑→ K↑；反之，那么T↑→ K↓；
2021/5/26
课件
10
反响转化率、产率与收率
对于可逆反响： ABC(主反 ) 应
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。
2021/5/26
课件
13
Fc , Tco
反应物 F, Tf , cA0
根本动态方程式
V
F, T, cA Tco
反应产物
1. 化学反响速度方程
rAd dActK 0cAex pR E T