化学反应器设计操作与控制

载热体的选择
工业上常用的高温载热体有： ①矿物油,如重油、汽缸油、润滑油等，最高使用 温度在敞开系统约为 250°C，在封闭系统约为 320°C； ②过热水,最高使用温度可达水的临界温度374°C， 但此时压力高达22.5MPa； ③有机载热体,常用的是26.5%联苯和73.5%二苯 醚的混合物,最高使用温度可达380°C； ④熔盐混合物,常用的熔盐是亚硝酸盐和硝酸盐的 混合物,使用温wk.baidu.com可达540°C； ⑤液态金属，如汞、铅或钠钾合金等，主要用于 核工业中。
大小成一定比例关系的话，就可能使上述贮槽的物料流入 量等于流出量，从而使液位能稳定在某一值上，即系统在 连续控制下达到平衡状态。这种控制器输出的变化与输入 控制器的偏差大小成比例关系的控制规律，称为比例控制 规律。 比例控制规律
控制器输出变化与输入偏差成正比。 在时间上没有延迟。 在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比例
7、压力式温度计：压力式温度计是利用封闭容器内的液体，气体或饱和 蒸气受热后产生体积膨胀或压力变化作为测信号。它的基本结构是由 温包、毛细管和指示表三部分组成。它是最早应用于生产过程温度控 制的方法之一。压力式测温系统现在仍然是就地指示和控制温度中应 用十分广泛的测量方法。压力式温度计的优点是：结构简单，机械强 度高，不怕震动。价格低廉，不需要外部能源。缺点是：测温范围有 限制，一般在-80~400℃；热损失大响应时间较慢；仪表密封系统(温 包，毛细管，弹簧管)损坏难于修理，必须更换；测量精度受环境温度、 温包安装位置影响较大，精度相对较低；毛细管传送距离有限制。
给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变 化。如跟随卫星的雷达天线系统。 程序控制系统
给定值按一定时间函数变化。如程控机床。
应用广泛
自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。
在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种 物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、 相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建 立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控 制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动 控制系统、农业机械的自动操作系统等。
TD为微分时间常数。
传递函数：
理想微分控制器在阶跃偏差信号作用下的开环输 出特性如图7－10所示。微分控制器的输出只与偏 差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因 此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将 微分控制作用与比例控制结合起来使用。
执行器种类及其应用
执行器是自动控制系统的终端执行部件，由执行机 构和调节机构组成，负责从自动化技术工具中接 收控制信息并对受控对象施加控制作用。
控制器分类
• 按能源形式分类 • 电动控制仪 特点：在信号传输，放大，变换
处理，实行远距离检视操作等方面比气动仪容易 • 气动控制仪 特点：结构简单，性能稳定，可
靠性高，价格便宜 • 按信号形式分类 • 模拟式 特点：线路较为简单，操作方便，在过
程控制中已经广泛运用 • 数字式 特点：功能完善，性能优越，能够解决
反应器温度检测及控制方案的确定
• 精细1111班 • 第二组
换热装置及热载体的分析选择
换热装置---夹套
夹套内可走换热介 质：饱和水蒸气、 热水、冷水、冷冻 盐水、热导油等
传热装置----蛇管
换热装置---电加热
结论：选用夹套
本工艺反应的量不是很大， 反应的温度为120℃，且工 业上一般首先夹套式。
闭环控制系统
闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出 量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制 性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。
按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、 随动控制系统和程序控制系统。 恒值控制系统
给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希 望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高 度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 随动控制系统
DTL—3110控制器正面示意图
控制规律
• 常用控制规律： • 1、双位控制 • 在所有的控制规律中，双卫控制规律最为简单，
也最容易实现。其动作规律是：当测量值大于或 小于设定值时，控制器的输出为最大（或最小）， 即控制器的输出要么最大，要么最小。相应的执 行机构也就只有两个极限位置——要么全开，要 么全关。双卫控制由此得名。
模拟式仪表难以解决的问题
按结构形式分类
基地式 特点：结构简单，通用性差，使用不够 灵活，一般仅适用一些简单控制系统
单元组合式 特点：使用灵活方便，在生产现场得到 广泛运用
组装式 特点：在单元组合仪表基础上发展起来 的一种功能分离，结构组件化的成套仪表装置
集散控制系统 特点：除有控制功能外，还具备 网络通信功能
控制器及控制规律
控制器是控制系统的核心，生产过程中被控变量偏 离设定要求后，必须依靠控制器的作用去控制执 行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。 控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过 来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差， 然后根据偏差按照一定的控制规律进行核算，最 终输出控制信号作用于执行器上。
按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控 制系统和闭环控制系统。 开环控制系统
在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制， 控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制 系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控 制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构 和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、 物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自 动线。
积分控制规律
KI表示积分速度。
控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏 差存在的时间长短。
只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间 越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。
只有余差为0，控制器的输出才稳定。
力图消除余差是积分作用的重要特性。
积分控制作用总是滞后于偏差的存在，因此它不能 有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定 下来，因此积分控制作用很少单独使用。如图7－ 5分析，引入积分作用会使系统容易振荡。 比例作用的输出与偏差同步，偏差大，输出大， 偏差小，输出小，因此控制及时。而积分作用则 不是。
乙酸丁酯反应器用测温仪表
• 选用压力式温度仪表 • 理由：乙酸丁酯反应温度在120℃左右，在压力式
温度仪表（—50~600℃）测量范围之内，具有价 廉，最易就地集中监测的优点。
自动控制系统组成及其分类
自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机 构和变送器四个环节组成
分类方法 自动控制系统有几种分类方法
6、玻璃管温度计：玻璃管温度计是利用热胀冷缩的原理来 实现温度的测量的。由于测温介质的膨胀系数与沸点及凝 固点的不同，所以我们常见的玻璃管温度计主要有：煤油 温度计、水银温度计、红钢笔水温度计。他的优点是结构 简单，使用方便，测量精度相对较高，价格低廉。缺点是 测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制。且 不能远传，易碎。
双卫控制系统结构简单、成本低、容易实现，但质 量控制较差，大多应用于允许被控制变量上下波 动的场合。如原料储罐、恒温箱、空调、电冰箱 中的温度控制，为气动仪表提供气源的压缩空气 罐中的压力控制等。
利用浮球阀控制水箱水位的控制系统也属于双卫控 制。
2、比例（P）控制 如果控制系统能使执行机构的行程变化与被控制变量偏差的
作用强弱的参数。 工业上用比例度来表示比例作用的强弱。 单纯的比例控制适用于扰动不大、滞后较小、负荷变化小、
要求不高、允许有一定余差存在的场合。
3、比例积分（PI）控制
比例控制规律是基本控制规律中最基本的，应用最普遍的一 种。其最大优点是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控 制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点 限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的比 例控制的基础加上积分控制作用。
8、半导体温度计：半导体的电阻变化和金属不同，温度升高时，其电阻 反而减少，并且变化幅度较大。因此少量的温度变化也可使电阻产生 明显的变化，所制成的温度计有较高的精密度，常被称为感温器。
9、热电偶温度计：热电偶温度计是由两条不同金属连接着一个灵敏的电 压计所组成。金属接点在不同的温度下，会在金属的两端产生不同的 电位差。电位差非常微小，故需灵敏的电压计才能测得。由电压计的 读数，便可知道温度为何。
比例积分控制器是目前应用最广泛的一种控制器， 多用于工业上液位、压力、流量等控制系统。由 于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制 的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的 引入，会使系统的稳定性变差。对于有较大滞后 性的系统控制，要尽可能避免使用积分控制。
4、比例微分控制（PD）控制 微分控制规律 其输出正比于输入对时间的导数。
4、高温温度计：是指专门用来测量500℃以上的温度的温度 计，有光测温度计、比色温度计和辐射温度计。高温温度 计的原理和构造都比较复杂，这里不再讨论。其测量范围 为500℃至3000℃以上，不适用于测量低温。
5、指针式温度计：是形如仪表盘的温度计，也称寒暑表， 用来测室温，是用金属的热胀冷缩原理制成的。它是以双 金属片做为感温元件，用来控制指针。双金属片通常是用 铜片和铁片铆在一起，且铜片在左，铁片在右。由于铜的 热胀冷缩效果要比铁明显的多，因此当温度升高时，铜片 牵拉铁片向右弯曲，指针在双金属片的带动下就向右偏转 (指向高温)；反之，温度变低，指针在双金属片的带动下 就向左偏转(指向低温)。
结论：选用水蒸气
反应温度只需达到120氏度即 可，而且比较经济。
温度检测仪表的种类及其应用
按测温范围分类： 把测温600℃以上温度的仪表叫高温器。测温600℃
以下的仪表叫低温仪表叫温度计。
按工作原理分类：
通常分为膨胀温度计、热电偶温度计、热电阻温度 计、压力式温度计、辐射高温计和光学高温计等。
执行器的分类
1、执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执 行器三种。
2、按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比 例型三类。
3、按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两 种。
4、按输入控制型号，执行器分为可以输入空气压力 信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信 号等几类。
执行器的应用
气动执行器在化工、炼油等对安全要求较高的生产 过程中得到广泛的应用。安全性能差，动作不够 迅速，虽然近年来有经过不断改进，应用逐渐扩 大的趋势，但总体来看不如气动执行器的应用普 遍。
3、温差电偶温度计：是一种工业上广泛应用的测温仪器。 利用温差电现象制成。两种不同的金属丝焊接在一起形成 工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。把工作端放 在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电 动势，因而有电流通过回路。通过电学量的测量，利用已 知处的温度，就可以测定另一处的温度。这种温度计多用 铜——康铜、铁——康铜、镍铭——康铜、金钴——铜、 铂——铑等组成。它适用于温差较大的两种物质之间，多 用于高温和低浊测量。有的温差电偶能测量高达3000℃的 高温，有的能测接近绝对零度的低温。
按测温方式分类：
根据感温元件和被测介质接触与否，可将温度仪表 分为接触式与非接触式两大类。
1、气体温度计：多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和 氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围 很广。这种温度计精确度很高，多用于精密测量。
2、电阻温度计：分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计， 都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。金属温度 计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属的及铑铁、磷青铜合 金的；半导体温度计主要用碳、锗等。电阻温度计使用方 便可靠，已广泛应用。它的测量范围为-260℃至600℃左 右。
在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火 力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各 种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种 仿真器。
此外，在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面， 自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展， 自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、 经济、社会等所有领域。