化学反应器的控制

5.2　化学反应器的控制

化学反应在化学反应器中进行，化学反应器是化工生产中的重要设备之一。化学反应器的类型很多，按照反应器进、出物料的状况，可分为间歇式与连续式两类。间歇式反应器通常应用于生产批量小、反应时间长或反应的全过程对反应温度有严格程序控制要求的场合。间歇式反应器的控制大多应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而变化，因此属典型的随动控制系统。目前，用于基本化工产品生产的相当数量的大型反应器均采用连续的形式，这样可以连同前后工序一起连续而平稳地生产。对于连续式反应器，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（如温度、成分、压力等）稳定。因此，通常采用定值控制系统。

由于化学反应过程伴有化学和物理现象，涉及能量、物料平衡及物料动量、热量和物质传递等过程，因此化学反应器的操作一般比较复杂。反应器的自动控制直接关系到产品的质量、产量和安全生产。

5.2.1 化学反应器的控制要求和被控变量的选择

化学反应器自动控制的基本要求，是使化学反应在符合预定要求的条件下自动进行。

关于化学反应器的控制要求及被控变量的选择，一般需从质量指标、物料和能量平衡、约束条件等三方面考虑。

1．质量指标

化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成物的规定浓度。转化率是直接质量指标，显然，转化率应当是被控变量。如果不能直接测量转化率，可选取几个与其相关的工艺变

量，经运算去间接控制转化率。

因为化学反应过程总伴随有热效应，因此温度是最能表征质量的间接控制指标。

一些反应过程也用出料浓度作为被控变量。例如，焙烧硫铁矿或尾砂的反应，可取出口气体中的SO 2含量作为被控变量。但

因成分分析仪表价格昂贵、维护困难等原因，通常采用温度作为间接质量指标，必要时可辅以压力和处理量（流量）等控制系

统，即可满足反应器正常操作的控制要求。

以温度、压力等工艺变量作为间接控制指标，有时并不能保证质量稳定。在扰动作用下，当反应转化率或反应生成物组分与温度、压力等工艺变量之间不呈现单值函数关系时，需要根据工况变化去改变温度控制系统中的设定值。在有催化剂的反应器中，由于催化剂的活性变化，温度设定值也要随之改变。

2．物料和能量平衡

在反应器运行过程中必须保持物料和能量的平衡。为了使反应器的操作正常、反应转化率高，需要保持进入反应器各种物料量的恒定，或使物料的配比符合要求。为此，对进入反应器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此

外，在部分物料循环的反应过程中，为保持原料的浓度和物料的平衡，需另设辅助控制系统，如合成氨生产过程中的惰性气体自动排放系统等。

反应过程伴有热效应。要保持化学反应器的热量平衡，应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。能量平衡控制对化学反应器来说至关重要，它决定反应器的安全生产，也间接保证化学反应器的产品质量达到工艺规定的要求。因此，应设置相应的热量平衡控制系统。例如，及时移走反应热，以使反应向正方向进行等。而一些反应过程，在反应初期要加热，反应进行后要移热，为此，应设置加热和移热的分程控制系统等。

3．约束条件

与其他单元操作设备相比，反应器操作的安全性具有更重要的意义，这样就构成了反应器控制中的一系列约束条件。例如，为防止反应器的工艺变量进入危险区或不正常工况，应该配置一些报警、联锁装置或自动选择性控制系统。

5.2.2 化学反应器的基本控制策略

由于反应器在结构、物料流程、反应机理和传热、传质情况等方面的差异，所以自控的难易程度相差很大，自控方案的差别也很大。本节仅对化学反应器的基本控制方法予以简单介绍。 影响化学反应的扰动主要来自外部，因此，控制外围是反应器控制的基本控制策略。采用的基本控制方法如下所述。

（1）反应物流量的控制。为保证进入反应器的物料的恒定，可采用反应物料流量的定值控制，同时，控制生成物流量，使由反应物带入反应器的热量和由生成物带走的热量也能够平衡。反应转化率较低、反应热较小的绝热反应器或反应温度较高、反应放热较大的反应器，采用这种控制策略有利于控制反应的平稳进行。

（2）流量的比值控制。多个反应物料之间的配比恒定是保证反应向正方向进行所必需的，因此，不仅要在静态时需保持相应的比值关系，在动态时也要保证相应的比值关系，有时，需要根据反应的转化率或温度等指标及时调整相应的比值。为此，可采用单闭环、双闭环比值控制系统，有时也可采用变比值控制系统。

（3）反应器冷却剂量或加热剂量的控制。当反应物的流量稳定后，由反应物带入反应器的热量就基本恒定，如果能够控制放热反应器的冷却剂量或吸热反应器的加热剂量，就能够使反应过程的热量平衡，使副反应减少，及时地移热或加热，有利于反应向正方向进行。因此，可采用对冷却剂量或加热剂量进行定值控制或将反应物流量作为前馈信号组成的前馈-反馈控制系统。

（4）化学反应器的质量指标是最主要的控制目标。因此，对反应器的控制，主要被控变量是反应的转化率或反应生成物的浓度等直接质量指标，当直接质量指标较难获得时，可采用间接质量指标。例如，将温度或带压力补偿的温度等作为间接质量指标，操纵变量可以采用进料量、冷却剂量或加热剂量，也可以采用进料温度等进行外围控制。

5.2.3 几种典型反应器的控制方案

1．一个间歇式反应器的控制方案

目前，大型化工生产过程所使用的聚合反应釜，其容量相当庞大，反应的放热量也很大，而传热效果往往又很不理想，控制其反应温度的平稳已经成为过程控制中的一个难题。实践经验证明，这类反应器的开环响应特性往往是不稳定的，假如在运行过程中不及时有效地移去反应热，则由于反应器内部的正反馈，将使反应器内的温度不断上升，以致达到无法控制的地步。从理论上说，增加反应器的传热面积或加快传热速率，使移走热量的速率大于反应热生成的速率，就能提高反应器操作的稳定性。但是，由于设计上与工艺上的困难，对于大型聚合反应釜是难以实现这些要求的，因此，只能在设计控制方案时对控制系统的实施提出更高的要求，来满足聚合反应釜工艺操作的质量指标和安全运行要求。下面介绍几个参考方案。