14化学反应过程控制

• 连续式反应器用于基本化工产品生产，连同前后工序 一起连续而平稳地生产。对于连续反应器，为了保持 反应的正常进行，希望控制反应器内的若干关键工艺 参数(例如温度、压力、成分等)的稳定。通常为定值 控制系统。
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化学反应器的类型
• 按照物料的流程，化学反应器可分为单程与循环两类。
• 当反应转化率和收率足够高时，可以采用单程反应方 式。物料通过反应器后，不再循环进行再次反应，如 图(a)所示，这种方式能耗较小。在单程反应系统中常 用的操纵变量有进料温度、进料浓度、进料流量和加 入或移去的热量等四个变量。
剂的循环使用和为了防止反应过于剧烈而在进料中
加入部分反应产物等多种形式。
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化学反应器的类型
• 反应器的结构形式有釜式、管式、塔式、固定床、流 化床等多种反应器形式，它们适用于不同的化学反应， 对象特性和对控制的要求也各不相同 。
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釜式反应器
• 连续聚合釜是釜式反应器的一例，如图中(a)所示。 单体以一定的流量连续进入反应釜，反应物在釜内经 历一定的停留时间(取决于物料流量和釜的有效容积)， 反应产物连续由釜内流出。
化学反应过程控制
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化学反应过程
化学反应过程是一种或几种物质变成另一种或另几种 物质的过程。一般可用下列化学反应方程式表示
aA bB cC dD Q
式中，A、B等称为反应物，C、D等称为生成物。 a、b、c、d等则表示相应物质在反应中消耗或生成的
摩尔比例数；
Q为反应的热效应，Q值可以从手册中获得，或用实 验测量的方法获得。例如，氨合成反应可写成
• 间歇式釜式反应器是另一种常见的反应器，它是将一 种反应物先注入反应釜内，然后控制另一种反应物的 注入过程，直到整个反应过程完成，一次排出反应生 成物，开始另一循环。
• 釜式反应器一般带搅拌器，使反应物充分均匀。
• 许多釜式反应器带有夹套，按照反应的热效应，通过 夹套对反应过程进行冷却或加热。有些情况，由于反 应阶段的不同，需要在反应初期进行加热，而随着反 应的进行，在反应的中期和末期进行冷却。 10
贵或易破损时用得较多。 • 就对象特性而言，固定床反应器严格说来也是一个分
布参数系统，但工程上仍然处理成集中参数系统。
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流化床和移动床反应器
• 流化床也称为“沸腾床”，在气-固或液-固两相反应 中，为了增加反应物之间的接触，强化反应过程，将 固相物质悬浮于流体之中，例如硫酸生产中的黄铁矿 焙烧炉。
反应过程的可控因素有进料温度、浓度，引
发剂的添加量，物料的停留时间与反应过程
中的温度和压力等。
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化学反应器的类型
• 按照化学反应器进出物料的状况，可以分为间歇式反 应器与连续式反应器两类。
• 间歇式反应器通常应用于生产批量小、反应时间长或 在反应的全过程中，对反应温度、压力有严格要求的 场合。间歇式反应器的控制大多采用时间程序控制方 式，即设定值按照一个预先规定的时间程序变化，因 此属一种随动控制系统。（轨线控制）
釜式反应器的控制
• 反应工艺要求的目标通常是达到一定的转化 率和反应深度，但直接对其测量有困难。
• 因此，往往代之以温度来间接表征。 • 可控因素是进料温度、浓度、引发剂的添加
量、停留时间与釜温等。 • 对于小型反应釜，特别带搅拌器时，对象特
性可以用集中参数描述，控制比较方便。 • 大型反应釜，对象特性要用分布参数描述，
下才能进行。 化学反应在化学反应器中进行，它经常是整个生产过程
的核心。 化学反应器是化工工业生产过程中的重要设备之一
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化工反应指标测量
化工生产工艺上要求的指标是达到一定的转
化率和反应深度，是一种成分指标。目前成 分在线测量还有一定难度。在一定条件下， 反应过程中的温度和压力可以反映产品的成 分，即间接反映转化率和反应深度。当压力 恒定（或已知时），可以用温度来表征转化 率和反应深度。
控制复杂，因此反应釜一般都较小。
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管式反应器
• 管式反应器结构非常简单，就是一根管道，如图(b) 所示。管式反应器是连续反应器。
• 通常也用加热或冷却来解决反应的热效应问题。管 式反应器是一个典型的分布参数对象，各点温度和 成分都不相同。
• 工程上为了方便，也常将它处理成具有集中参数的 对象。
• 管式反应器是典型的大滞后对象。 • 图(c)所示的塔式反应器与管式反应器特性十分相似。
3H 2 N2 2NH 3 Q
上式表示每3摩尔的氢气与1摩尔的氮气，可生
成2摩尔的氨，并且产生热量Q。
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化学反应过程的特点
①遵循物质守恒定律和能量守恒定律，反应前后物料平 衡，能量也平衡；
②反应严格地按反应方ຫໍສະໝຸດ Baidu式所示的摩尔比例进行； ③反应过程中，除发生化学变化外，还发生物理变化，
其中比较重要的有温度和体积的变化； ④许多反应需在一定的温度、压力和催化剂存在等条件
它往往伴有物料的逆向混合过程。
• 塔式反应器也是一连续反应器,应用十分广泛。 12
固定床反应器
• 固定床反应器是一种比较古老的反应器，如图(d)所 示。如二氧化硫氧化反应器，合成氨生产过程中的变 换炉、合成塔都属于这一类型。当需要较大的传热面 积时，也采用列管式固定床反应器，如图(e)所示。
• 2SO2+O2=2SO3 CO+H2O = CO2+H2 • 这类反应器目前应用仍很广泛，特别当催化剂价格昂
• 化学反应的速率随温度升高而加快。有些反应过程， 在较高的温度下，虽然具有较高的转化率。但由于 副反应的存在，同时引起了副产物的增加。这样就 不得不降低反应温度来抑制副反应，这样同时降低 了主反应的转化率。此时，在工艺流程的安排上只 得采用循环型的流程。
• 循环型反应器中除了反应物的循环外，有时也有溶
• 若反应速度比较慢、平衡常数比较小的情况下，物料 一次通过反应器的转化过程很不完善，必须将反应产 物进行分离，把未反应的物料与新鲜的反应物混合后， 再次进入反应器反应，如图(b)所示。
• 对于循环式反应器，除了上述四个变量可供选择作为 操纵变量外，又增加了一个循环量。
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化学反应流程
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• 循环式反应器，如在进料中混有惰性物质，则随着 循环的进行，将引起惰性物质的积聚，从而影响反 应的正常进行，为此必须将循环物料部分放空。例 如合成氨过程中的合成气中，常含有甲烷等惰性气 体，如不放空部分循环气，则惰性气体的含量就会 不断增高。