化学反应器的控制

反应器分类——物流方式
进料
反应器
后处理工序
进料
+ +
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
产品 其它物料
产品 溶剂或其它 未反应物料
反应器分类——结构
a) 釜式反应器 d) 固定床反应器
b)管式反应器
固 相 经 提 升 或 再 生
气体
e)移动床固定床反应器
c) 列管式固定床反应器
a
bl m
化学反应器基本方程
影响化学反应速度的因素
(1) 反应物的浓度
r
k
C
A
CB
(2) 反应温度
k k0 exp E RT
(3) 反应压力（对气体参加的反应）
(4) 催化剂（加速反应，并具有选择性）
化学反应器基本方程
反应化学平衡
对于可逆反应：aA bB lL mM Q
总的反应速度为:
直接指标：转化率、质量、产量、收率等 间接指标：温度、压力、温差等。 （2）根据工艺过程特性，确定控制手段 单回路、串级、前馈等 一般情况下，取温度为被控变量，载热体流量为操纵变量，构成相应的 控制系统。
化学反应器控制方案
1、反应器入口温度控制
TC
进料 TC
进料
出料
出料
方案1
方案2
方案1：控制快速，滞后小，但存在进料混合不均匀，影响催化剂活性。
A B C (主反应)
对于可逆反应： A B C' (副反应)
转化率
反应掉A的摩尔数 进入反应器的 A的摩尔数
*100 %
×
产率
转化为产品 C的A的摩尔数 反应掉A的摩尔数
*100 %
收率
转化为产品 C的A的摩尔数 进入反应器的 A的摩尔数
*100
%
化学反应器控制方案
在设计反应器控制方案时，先要明确反应器的控制目标和可能的控制手 段。 （1）控制目标（指标）
化学反应器概述
化学反应器是生产过程的重要设备之一，化学反应状态很大程度决定 产品的质量，产量。因此反应器的操作最优化具有实际意义。 反应器分类 （1）物料进出状态：间歇式，连续式 （2）物料流程分：单程、循环 （3）反应器结构：釜式、管道式、塔式、固定床、流化床 （4）传热情况：绝热式、非绝热式 （5）描述反应过程：分布参数，集中参数
典型反应器控制方案举例
催化裂 化反应 再生系 统的控 制
F-201
反应油气
FC
TF 反
原料油RF
TC
应 器
瓦斯气
FC
TRA
TC
回炼油
FC
回炼油浆
FC
LS
汽提蒸汽
FC
雾化蒸汽
FC
预提升蒸汽
催化剂 R
C
PdC
再 生 器 LRA
LC
ΔPV
PdC
OFG 烟气 TRG
FC
主风
化学反应的基本规律
2、化学反应器基本方程
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
rA
1 V
d nA dt
dCA dt
0
对生成物M，其反应速度为rM
1 V
d nM dt
d CM dt
0
相互关系： rA rB rL rM r
r总
k1
C
1 A
CB
2
k
2
C
1 L
C 2 M
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
K
k1 k2
C C 1 2 LM
C C 1 2 AB
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↓
化学反应器基本方程
反应转化率、产率与收率
TC 出料
冷水 蒸汽
进料
化学反应器控制方案
6、反应器的分段控制
目的：使反应沿着最佳温度曲线进行
TC
y
冷却剂 TC
冷却剂 TC
第第三二床床层层
冷却 冷却
冷却剂
第一床层 T
固定床反应器的温度分段控制
典型反应器控制方案举例
聚合反应釡的温度控制
T1, sp
T1C
T1
T2 T2C
冷却水 蒸汽
TC
热水 冷水
化学反应器控制方案
3、反应器的串级控制
当冷却剂方面存在扰动时，单回路无法获得满意控制效果。 解决办法：串级控制
TC
TC
TC
出料
FC
出料
冷却剂
进料
冷却剂
进料
化学反应器控制方案
4、反应器的前馈－串级控制
TC
FC
∑
冷却剂
进料
TC
∑ TC
出料
FC
冷却剂
进料
出料
前馈控制
前馈－串级控制
化学反应器控制方案
5、反应器的分程控制
烟气
再 生 器
反应
提
油气
升沉
管降
反器
应
器
空气
进料油
待生催化剂
f)硫化床固定床反应器
化学反应的基本规律
❖ 正确设计反应器控制系统的前提
1、化学反应过程的特点 ① 化学反应遵守物质守恒，能量守恒定律。 ② 反应严格按着反应方程式所示的摩尔比例进行 ③ 化学反应中除发生化学变化外，还发生相应物 理变化 ④ 反应在一定条件下进行，T、P、催化剂
方案2：控制滞后大，但能避免方案1的情况。
化学反应器基本控制方案
2、反应器温度的单回路控制
TC
TC
出料
出料
冷却剂 进料
进料
冷却剂
方案1
方案2
方案1：冷却剂流量较小，釡温与冷却介质温差大，当反应物搅拌
不均匀时，易造成釡内物料局部过热或过冷。 方案2：冷却剂强制循环，冷却剂流量大，釡温与冷却介质温差小。
热水阀 冷水阀
出料
Tf 加热器 冷却器
进料
典型反应器控制方案举例
聚合反应釡的温度－压力串级控制
冷却水
PC P
TC
T1, sp
T1
典型反应器控制方案举例
3、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
P
微分
环节
×
T1
++
( a ) 控制方案
一阶滤波
Tc
环节Baidu Nhomakorabea
( b ) 温度补偿装置