连续搅拌釜式反应器(CTRS)控制系统设计

河南工业大学

开放实验室实验项目设计报告连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计

学校：河南工业大学

学院：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

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目录

1 前言 (2)

2 工艺过程简介 (2)

2、1 过程变量说明 (3)

2、2 操作变量说明 (3)

3 反应过程特性 (3)

4 实验内容 (5)

5 反应过程开车及正常运行 (6)

6 开车步骤顺序控制 (7)

7 思考题 (8)

8 心得体会 (9)

连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计

1、前言

本连续反应过程是工业常见的典型的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时又是高分子聚合反应。本实验是当前全实物实验根本无法进行的复杂、高危险性实验，又是非常重要的基础反应动力学实验和反应系统控制实验内容。此外，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。现有的连续反应实验系统实际上都是水位及流量系统，根本没有反应现象。在本连续反应实验系统上除了进行常规控制系统实验外，还可以进行模糊控制、优化控制、深层知识专家系统（例如SDG法）故障诊断等高级控制实验。

2、工艺过程简介

连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态已烷为溶剂，在催化剂与活化剂的作用下，在反应温度70 1.0℃下进行悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。

在工业生产中为了提高产量，常用两釜或多釜串联流程。由于在每一个反应釜中的动态过程内容相似，为了提高实验效率、节省实验时间，特将多釜反应器简化为单反应器连续操作系统。

丙烯聚合反应是在己烷溶剂中进行的，采用了高效、高定向性催化剂。己烷溶剂是反应生成物聚丙烯的载体，不参与反应，反应生成的聚丙烯不溶于单体丙烯和溶剂，反应器内的物料为淤浆状，故称此反应为溶剂淤浆法聚合。

见图1-1所示，连续反应实验系统包括：带搅拌器的釜式反应器。反应器为标准盆头釜，为了缩短实验时间，必须减小时间常数，亦即缩小反应器容积，缩小后的反应器尺寸为：直径1000 mm，釜底到上端盖法兰高度1376 mm，反应器总容积1.037 m3 ，反应釜液位量程选定为0-1300 mm （0-100%）。反应器耐压约2.5MPa，为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5 MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2 MPa。

丙烯聚合反应过程主要有三种连续性进料（控制聚丙烯分子量的氢气在实验中不考虑），第一种是常温液态丙烯，F4为丙烯进料流量、V4是丙烯进料双效阀；第二种是常温液态己烷，F5己烷进料流量、V5己烷进料阀；第三种是来自催化剂与活化剂配制单元的常温催化剂与活化剂的混合液，F6为催化剂混合液进料流量、V6催化剂混合液进料阀。催化剂可以用三氯化钛（TiCl3），活化剂可以用一氯二乙基铝（Al(C2H5)2Cl），两种化合物用己烷溶剂稀释成混合液，催化剂浓度4%，活化剂与催化剂克分子浓度之比为2∶1。由于催化剂量小，常用计量泵控制，在本实验中用精小型控制阀代替。

反应器内主产物聚丙烯重量百分比浓度为A，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量F9，出口双效阀V9，出口泵，出口泵开关S5（开关），反应器夹套第一冷却水入口流量F7，双效阀V7，反应器夹套第二冷却水入口流量F8，双效阀V8，反应器夹套加热热水阀S6（开关），反应器搅拌电机开关S8。

2、1 过程变量说明

连续反应实验系统在盘面所涉及的传感器输出变量、变量正常工况的数据、计量单位如

下。

F4 丙烯进料流量729 kg/h

F5 己烷进料流量1540 kg/h

F6 催化剂进料流量88 kg/h

F7 冷却水流量（第一）25 t/h （最大）

F8 冷却水流量（第二）42 t/h （最大）

F9 反应器出口流量kg/h

T1 反应温度℃

P7 反应压力MPa（绝压）

L4 反应器料位% (0-1.3m，0-100%)

A 出口聚丙烯重量百分比浓度%

2、2 操作变量说明

连续反应实验系统在盘面所涉及的操作、控制阀门及开关，已注明阀门公称直径、国标流通能力（Kv）如下。

V4 丙烯进料阀Dg25 Kv=3.42 (Cv=4)

V5 己烷进料阀Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3)

V6 催化剂进料阀Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25)

V7 冷却水阀（第一）Dg40 Kv=25.64 (Cv=30)

V8 冷却水阀（第二）Dg50 Kv=42.73 (Cv=50)

V9 反应器出口阀Dg25 Kv=8.54 (Cv=10)

S6 热水加热阀

S8 反应器搅拌电机开关

3、反应过程特性

为了设计和实施有效且高质量的控制，必须首先对连续反应过程的主要变量之间的影响关系和动态特性进行分析，必要时需定量测试。这些特性、影响关系和数据完全可以通过对本实验系统实施开车、停车或对主要变量进行拉偏试验得到。然而，在真实系统上，由于安全或经济效益的考虑，多数试验是不允许进行的。下面对本连续反应过程的特性进行简要介绍。

（1）全混流反应器特征

由于本反应器有强烈地搅拌作用，已烷溶剂又起到了很好的分散与稀释功能，使得反应器中的物料流动状态满足全混流假定，即反应器内各点的组成和温度都是均匀的，反应器的出口组成和温度与反应器内相等。

（2）反应停留时间

从反应物料进入反应器开始至该反应物料离开反应器为止所历经的时间称为停留时间。该时间与反应器中实际的物料容积和物料的体积流量有关。一般来说停留时间长，进料流量小，反应的转化率高。也就是说为了使出口聚丙烯的浓度提高，必须减少进料和出料流量。由于本反应器的物料流动状态满足全混流假定，可以采用平均停留时间的方法表达，反应平均停留时间等于反应器中物料实际容积除以反应器中参与反应的物料体积流量。

（3）反应温度

丙烯聚合反应属于放热反应，因此，根据反应温度的高低能判断聚合反应速度的快慢。即当反应速度加快时，放出的热量增加，导致系统温度升高；反之系统温度下降，因为此时出口物料流量和夹套冷却水会带走热量。放热反应属于非自衡的危险过程，当反应温度过高