固定床反应器的研究进展

固定床反应器的研究进展

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摘要：

本文介绍了固定床反应器控制的研究概况，从动力学

方面的实验研究，动力学的模拟计算，和测试技术等方面对

固定床反应器的研究进行了总结。7 B: G+ y- k3 u% u

关键词：8 @! j0 Z4 t3 g" x' ?, F! '! U

固定床反应器动力学模拟导热系数扩散

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固定床反应器是化学工业中广泛应用的反应设备目前，大部分的催化过程是在固定床反应器中进行的，如合成氨、三氧化硫合成、甲醇合成、乙烯氧化制环氧乙烷、邻二甲苯氧化制苯醉等. 与返混式的反应器（如流化床）相比，固定床反应器内流体的流动接近于平推流，因此可用少量的催化剂和较小的反应器容积来获取较大的生产能力;而且催化剂

不易磨损，可长期使用（除非失活）.然而，反应器操作过程中所关心的质量指标如选择性等却对床层的温度分布存在高度的非线性依赖关系，因此温控问题就成为固定床反应器的关键和难点所在.固定床反应器的另一个弱点是催化剂的更换必须停产进行.随着催化剂的失活，将对过程的定态和动态特性产生重要影响，因此操作条件也必须随之作适当调整.

如何动态地确定操作条件，使反应器始终在最优条件下操作

即进行优化控制同样是固定床反应器控制研究的重要课题。

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因此，根据固定床反应器的控制指标，反应器的控制基本可以分为两大类:用于抑制过程扰动的常规控制和用于

最大化某一经济函数或泛函的优化控制这里必须指出的是，

在常规控制中，不仅要考虑反应器操作安全性、维持高产率

或高选择性等，同时还必须把环境保护作为控制的一部分，而这一问题正受到越来越多的重视(z) 。由于固定床反应器不

同的构造型式和操作方式，及其不同的动态特性，造成固定

床反应器的控制方案很多，其难易程度也各不相同闭

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固定床反应器是过程控制领域的一大难题。首先，固

定床反应器是分布参数系统，状态变量温度和浓度不仅是时间同时也是空间位置的函数.因而，反应器内有无穷多的变量，选择哪些状态作为控制变量并不显然.同时，反应器内只有有限的测量可供控制利用；并且，一些直接作为控制指标的有关产品质量如选择性等所需要的浓度测量往往由于技术和经济的原因，滞后较大甚至不能在线进行而不能直接用于控制.因此设计者必须考虑测量和状态估计问题.其次，固定床反应器是个高度非线性的系统.由于反应速率与温度的Arrhenius 关系以及部分催化氧化反应的非线性动力学表达式，所选择的控制作用对产率有很复杂的影响。另外，反应器内物理一化学复杂性以及在过程建模中采用的一些假定，如平推流、拟均相和定常参数，更增强了反应器控制的困难模型不能在足够大的操作范围内精确地描述过程的定态和动态

特性.而大多数高级控制方案则往往用于模型比较精确的领域，比如航空航天工业因此，一方面，从严格的观点来看，将非线性分布参数系统模型集中为线性集中参数系统进行控制系统设计，以及模型的失配可能使精确设计的反应器控制系统面临不可操作的困境；另一方面，从工业角度考虑，易于实施也是控制系统设计必须考虑的重要问题可以认为，从实用的角度出发，设计一个对于非线性分布参数系统的严格意义而言的相对“次优”、相对简单的控制系统，使控制器取得高的抑制扰动性能和强的鲁棒性是固定床反应器控制系统设计的目的.在设计中，通常必须综合考虑以下几个问题：(1)反应器的定态和动态行为及其模型;(2)系统辨识;(3) 测量与状态估计问题;(4) 常规控制设计;(5) 优化控制设计。

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目前，在工业固定床反应器的控制中仍大量应用单输人单输出的古典方法，有时甚至采用手控的方式.虽然这些方法对工业应用来说比较方便，但它们的数学基础不够严谨。面对日益激烈的全球市场竞争，越来越高的产品质量要求和环境保护要求，目前工业上对过程控制愈加重视.同时，近二十年来计算机技术的飞速发展也为过程的高级控制提供了条件。在过去的几十年中，固定床反应器的控制研究得到了广泛的重视，国内外学者在实验室反应器和仿真反应器上做了很多的工作，并发表了大量的文献资料。然而固定床反应器控制的文献综述却只有Ray 和Jorgenson 两篇，另外在Padmanabhan 和

McGreavy( 等的有关反应器控制综述中亦有一些论述。

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一、动力学方面的实验研究

最早用于表征反应过程特性的动力学基本有两种：本征动力学和表观动力学.本征动力学是在催化剂颗粒破碎后得到的纯粹化学反应动力学.显然本征动力学是与催化剂颗粒的形状和大小无关的.然而在固定床反应器中催化剂是有一定大小的，内部传质阻力足以影响反应进程.为便于应用起见，引进了内部效率因子叮。必须指出，叮的使用范围是很有限的，仅能用于颗粒是简单几何形状的情况(如球形、圆柱形或平板). 形状过于复杂时，因不能对催化剂颗粒进行物料和能量衡算而无法采用效率因子的概念.为解决这一问题，采

用了直接取原粒度催化剂进行动力学研究的方法.这时反应

速率中包含了内扩散的影响，因此得到的动力学称为颗粒表观动力学。表观反应活化能在反应速率受到内扩散严重控制切<0.2 ,或(P>5)时是一常数，为本征活化能的一半，即E/2.

但处在内扩散控制与动力学控制之间的过渡区时，表观活化能为一变量，即E/2 - E. 在工业过程中，特别是中间产物存在时，为提高内部效率因子和减少副反应，催化剂不能受到内扩散的严重控制，这时反应一般是处在过渡区的.例如在合成氨工业中催化剂内部效率因子r}=0.6 一0.8 由于在过渡区表观活化能是一变量，不同的内表面利用率将造成不同的表观活化能，因此在固定床反应器中实际上存在着随空间位置改变的表观动力学. 但从Berty 反应器中得到的动力学却不能满足反应器模型对表观动力学的要求，因为从Berty 反应器得到的只是某一实验温度范围内的平均活化能，而并非“ 直正” 的特定温度下的表观活化能.因此可以认为目前的动力学测定方法造成了固定床反应器中动力学参数的不确定性. 除此之外，传热参数的不确定性[P] 以及反应器模型的难以描述都是固定床反应器的数学模型化中所遇到的难题，本文试图采用床层动力学的方法来克服这一困难。床层集总动力学的研究方法：

$ _; w+ Q) |1 P, d 虽然床层中存在的不均匀分布会对反应器行为有重

要影响，但目前还无法就此作出精确

描述，所进行的理论和实验研究都是针对球形颗粒进行的，

对速度分布的认识还只限于等温- n7 |6 v) A: p2 s0 ~ S5 c

状态。在这种情况下，建立精确的反应器模型是不现实的，