化学反应器控制方案的分析与设计

黄永杰

（广西职业技术学院计算机与电子信息工程系，广西 南宁530226）

化学反应器控制方案的分析与设计

黄永杰

（广西职业技术学院计算机与电子信息工程系，广西 南宁530226）

化学反应器是石油化工、医药等企业常见的生产过程设备，反应机理复杂，是较为典型的单元生产过程。通过对化学反应器控制指标的分析，探讨了间歇反应器、连续反应器及pH值的控制方案，为工程技术人员设计化学反应器过程控制系统提供参考。

化学反应器；化学反应器的控制方案；pH值的控制方案

化学反应器在工业生产中是一种重要的装置，由于它们的特殊性和重要性，以及与一般生产装置不同的特点，因此对化学反应器的控制既十分重要，又比较难以实施。至今为止，由于反应器的反应机理比较复杂，在自动控制方面的研发工作还比较欠缺，所以在进行反应器控制方案的设计时需要反复地调查研究，总结反应器的操作经验，才能制定出合理的、行之有效的自动控制方案。

1 化学反应器的控制指标

化学反应的种类比较多，化学反应器的控制难易程度相差也很大，一些容易控制的反应器，控制方案非常简单，与一个换热器的控制方案完全相同。但是，当反应速度快、放热量大或由于工艺设计上的原因，使得反应器的稳定操作区域很狭窄的情况下，反应器控制方案的设计将成为一个非常复杂的问题。此外，对于一些高分子聚合反应，也会因物料的黏度大而给温度、流量和压力的准确测量带来较大的困难，以致严重影响反应器控制方案的实施。

一般情况下，在确定反应器控制方案时，首先要清楚反应器的质量指标，既被控变量和可能的操作变量，质量指标可从以下几个方面考虑。

1．1 被控变量

根据化学反应器及其内在进行反应的机理不同，其被控变量可以选择反应转化率、产品的质量及产量等直接指标，或与它们有关的间接工艺指标，如温度、压力、黏度等。

1．2 物料平衡和能量平衡

为了使反应器的操作能够正常进行，反应器系统运行过程中必须保持物料平衡和能量平衡。例如，为了保持热量平衡，需要及时除去反应热，以防止热量的积聚，为了保持物料平衡，需要定时排除或放空系统中的惰性物料，以保证反应的正常进行。

1．3 约束条件

与其他的单元操作设备相比较，反应器操作的安全性更具有重要的意义，这样就构成了反应器控制中的一系列约束条件。比如，要防止工艺参数进入危险区域或不正常工况，应该设置一些报警、联锁或自动选择性控制系统，当工艺参数越出正常的操作范围时，发出报警信号；当其接近危险区域时，就会把某些阀门打开或切断或保持在限定的位置，以确保生产的安全运行。

在上述的3个因素中，质量指标的选择常常是反应器控制方案设计中的关键，根据反应器操作的实际情况，如果有条件直接测量反应产物成分的，可选择成分作为直接的被控变量；或者选择某种间接的被控变量，最常见的间接指标是反应器的温度，但是对于具有分布参数特性的反应器，应该注意所测温度的代表性。

2 反应器的控制

目前，大型化工生产过程所使用的反应釜，其容量相当庞大，反应的放热量也很大，而且传热效果又很差，反应温度的平稳操作成为过程控制技术中的一个难题。实践经验证明，这类反应器的开环响应大都是不稳定的，如果在运行过程中不及时有效地移去反应热，反应器内部的正反馈将使温度不断上升，以致达到无法控制的地步，引发事故或事故停车。从理论上说，增加反应器的传热面积或加快传热速度，使移去热量的速度大于反应热生成的速度，就能提高反应器操作的稳定性。但是，由于在设计上与工艺上的困难，对于大型聚合釜是难以实现的，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。

2．1 间歇反应器的控制方案

图1所示是聚丙烯腈反应器的内温控制方案。由丙烯腈聚合成聚丙烯腈的聚合反应要在引发剂的作用下进行，引发剂连续地加入聚合釜内，同时丙烯腈通过计量槽加入，当反应达到稳定状态时，将反应的聚合物加入到分离器中，以除去未反应的单体物料。在聚合釜中发生的聚合反应有以下特点：⑴在反应开始之前，反应物必须升温至指定的最低温度；⑵反应是放热反应过程；⑶反应速度会随温度的升高而增加。

为了使反应能发生，首先把热量供给反应物。但是，一旦反应发生后，必须将热量移走，以维持一个稳定的操作温度。此外，单体转化为聚合物的转化率取决于给定温度、给定时间下的反应速率，这个给定时间即为反应物在反应器中的停留时间。其次，为了控制反应器内的温度，可选择温度作为被控变量，选择夹套温度为副参数的串级控制系统。同时，聚合釜内温度控制方案采用了分程控制的方式，采用供热或除热的操作，分别控制进料过程和反应过程的物料温度，使其能符合工艺的要求。

图1 聚合釜内温度控制方案

2．2 连续反应器的控制方案

图2所示是一个连续反应器的控制方案。

图2 连续反应器的控制方案

在反应器中物料A与物料B进行合成反应，生成的反应热从夹套中通过循环水除去，反应时放热量与反应物B的流量成正比。A进料量大于B进料量，反应速度很快，反应完成的时间比停留的时间短。反应的转化率、吸收率及副产品的分布决定于物料A与B的流量之比，通过控制反应器的液面高度来改变进料量达到物料平衡，工艺对自动控制系统设计提出如下的要求：⑴平稳操作，转化率、吸收率、副产品分布要确保恒定；⑵安全操作，尽可能减少硬性停车；⑶保证较大的生产能力。

通过分析，最后确定了一个前馈-反馈的控制系统及较完善的软保护控制方案。下面分别予以介绍。

⑴反应器温度的前馈-反馈控制系统：以温度作为被控变量，夹套冷却水作为操作变量，以A的进料量为前馈输入变量。在前馈控制回路中选用了PD控制器作为前馈动态补偿器。由于温度控制器采用了外部积分反馈（FB）来克服积分饱和现象，因此，在前馈输出通道采用了滤除直流分量的措施，即前馈补偿器的输出通过一个传递函数的线路Tas／（Tas＋1），这样，加法器的方程就是：

式中，Ia、Iс和If分别是加法器、温度控制器和前馈补偿器的输出。但是，图2所示只是表示了一个原则性的控制系统，而实际上为了保证反应器的安全操作，按照工艺上提出的约束条件设计相应的软限停车系统，即选择性控制系统。

⑵反应器进料的比值控制系统与一般的比值控制系统完全相同。但是，在控制物料B的流量QB时，工艺上提出了以下限制条件：（a）反应器温度低于结霜温度时，不能进料；（b）若测量出比值QB／QA过大了， 不能进料；（c）QA达到低限以下，即QA＜QAmin时，不能进料；（d）反应器液位Lr＜Lrmin时，不能进料；（e）反应器温度过高时，不能进料。

显然，选择性控制系统可以实现这5个工艺约束条件，具体实施方案可以有很多种，但是，原理都是工况达到上述安全软限时，由选择性控制器取代正常工况下比值控制器的输出，从而切断QB通路，中断了B的进料。

⑶反应器的液位及出料控制系统：由图2可知，反应器液位的控制参数是物料A的流量QA，除了图示的控制系统外，还需要考虑对QA的两个附加要求：

（a）进料速度要与冷却能力配合，不能太快；

（b）开车时，如果反应器的温度低于下限，则不能进料，同时也要求液位低于下限时不能关闭进料阀。

此外，反应器的出料主要是由反应物的质量和后续工序来决定，设计产品出料控制系统的原则如下：（a）反应器的液位低于量程的25%时应停止出料；（b）开车时的出料质量与反应温度有关，反应温度达到工艺指标时才能出料，反之，如果反应温度低于正常值时应停止出料。

同样，可以设置一套相应的选择性控制系统来实现上述的工艺操作要求。在实际应用时，这个连续反应器还配置了一套比较完善的开停车程序控制系统，结合上述的一系列控制系统，达到了较高的生产过程自动化水平。

3 pH值的控制方案

化学反应常常会涉及酸、碱物质，pH值往往是化学反应过程的一个重要参数。由于pH值能在线测量，所以把pH值作为反应过程的质量指标加以控制。酸碱中和过程的非线性程度很大，而且由于pH值的测量特点，测量过程具有一定的纯滞后，所以pH值的控制系统通常被认为是比较难以实施的。

在生产过程实施pH值控制系统时，对pH值测量装置的选择、安装以及日常维护等因素要给予足够的重视，因为pH值测量的精度、测量滞后及采样带来的纯滞后对控制系统的控制品质影响很大。

pH值控制系统可以采用常规的线性反馈PID控制器，通过单回路控制某一中和液的流量，但不能使用纯比例控制规律，因为纯比例作用存在余差，而pH值控制系统的设定值又大多处于对中和液流量十分敏感的区域，即pH值为7附近，中和液流量的微小偏差可能使之远远偏离设定值，如图3所示。选用PI或PID控制规律，以及参数的整定，需要根据所控制的对象特征来定。考虑到过程的非线性，这时可以选用非线性控制阀，对被控对象的非线性进行部分补偿。但是，由于多数中和反应过程的非线性程度不同，而且又存在着不可忽略的纯滞后时间，采用常规的线性控制器难以获得满意的控制效果。因此，需要在控制系统中考虑这两个因素的影响，并进行适当的补偿。

工程上考虑对中和反应过程的非线性补偿时，经常采用的方法之一是使用Shinskey提出的三段式非线性控制器。其基本原理是：在对象的增益较大时，控制器的增益较小；当对象的增益较小时，控制器的增益较大，以此来维持系统增益的基本不变，如图4所示。其中低增益的一段称为“死区”，其范围可根据对象特征加以控制。如果对象的设定值不在其滴定曲线的中点附近，需将控制器增益中的一段切除，否则将使过程的非线性程度加大。

图3 中和反应过程滴定曲线

图4 三段式非线性控制器

上述方法对控制对象非线性的补偿是近似的，为了能更准确地实现这种补偿，需要确定中和反应过程非线性增益的特征，可以根据正常工况下的中和反应过程滴定曲线，由下式求取：

式中：Kp－对象增益；

ΔF－中和液的流量变化。

通过测量中和液的流量和变化量，可确定对象增益的大小，调整控制器的增益，实现控制对象非线性补偿。使用常规模拟控制装置时，非线性环节的实施有一定的难度，但是可编程控制装置和DCS的广泛应用，为这一控制方案的实现提供了许多便利的条件。

控制对象纯滞后补偿的基本方法之一就是著名的Smith补偿控制方案，如图5所示。该方案对象模型的精度要求较高，在pH值控制中使用比较困难，可以采用对模型适应性较强的改进方案，根据对象的控制质量要求及对象特征，综合出具体的控制算法，得到更适合的补偿效果。对中和反应过程而言，在进行纯滞后补偿的同时，还需要对被控对象的非线性进行补偿，在各种纯滞后补偿的算法中，对象模型应具有变增益的特性。

在中和反应过程中，中和液的流量、浓度和反应器的反应体积等参数均可能会发生变化，使对象的滴定曲线产生畸变，偏离正常的工况，如图6所示，实线为正常工况下的滴定曲线，虚线为发生畸变后的滴定曲线，情况严重时，采用被控对象非线性和纯滞后的固定补偿控制规律，无法得到合格的控制品质，此时，有必要选用自适应控制的方法，在线辨识对象的特性，变换控制参数和控制规律，以适应对象特性的变化。在工业生产过程中，可以选择常见的自适应控制器，如三段式非线性自适应控制器，根据对象特性的变化自动调整其死区宽度，或者选用FOXBORO公司的EXACT自整定控制器等，以满足对pH值控制系统的质量要求。

图5 Smith纯滞后补偿控制方案

图6 中和反应过程的畸变特性

4 结语

化学反应器控制方案的设计，除了考虑温度、转化率、pH值等质量指标的核心问题之外，还必须考虑反应器的其他问题，如安全操作、开停车等，应设计相应的控制系统，才能使反应器的控制方案比较完善。

［1］ 邵裕森，等．过程控制工程［M］．北京：机械工业出版社，2000．

［2］ 孙小方，等．间歇化学反应器的先进控制技术［J］．化工时刊，2002，（11）：1-5.

［3］ 王爱广，等．过程控制技术［M］．北京：化学工业出版社，2005．

［4］ 黄曙磬，等．微分几何方法及其在化学反应器控制中的应用［J］．自动化学报，1998，（5）：329-336.

Analysis and Design of Chemical Reactor Control Scheme

HUANG Yong-jie
（Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530226，China）

Chemical reactor was common production process equipment with complicated reaction mechanism in petrochemical，pharmaceutical enterprises，was a typical unit production process．Based on the analysis of chemical reactor control，the batch reactor，continuous reactor and the control scheme of pH was discussed．

chemical reactor；chemical reactor control scheme；control scheme of pH

TQ 052.5

A

1671-9905（2012）03-0051-04

黄永杰（1965-），男，汉族，广西百色人，高级工程师，广西职业技术学院计算机与电子信息工程系教研室主任，曾主持或参与多项大型工业控制系统的设计、施工项目，现从事电气自动化、生产过程自动化、机电一体化专业的教学和科研工作

2011-12-12