化学反应器的控制

《过程控制工程》课程组
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:
r总
k1
C
1 A
C
B
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
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d CM dt
0
相互关系： rA rB rL rM r
a
bl m
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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）
T , CA , CB r
TC
TC
TC
出料
FC
出料
冷却剂
进料
冷却剂
进料
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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
出料
∑ TC
FC
冷却剂
进料
出料
前馈控制
前馈－串级控制
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化学反应器控制方案
5、反应器的分程控制
TC 出料
冷水 蒸汽
进料
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化学反应器控制方案
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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
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。
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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
e)移动床固定床反应器
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c) 列管式固定床反应器
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
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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。
方案2：控制滞后大，但能避免方案1的情况。
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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
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
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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
热水阀 冷水阀
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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↓
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化学反应器基本方程
反应转化率、产率与收率
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
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
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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
( b ) 温度补偿装置
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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，Baidu Nhomakorabea反应速度为rM
1 V
d nM dt
*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 %
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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）
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。
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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
原料油RF 瓦斯气
回炼油
TF 反
应
TC
器
FC
TRA
TC
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
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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
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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