间歇式化学反应器

胡鸿翔

1工艺流程介绍

间歇式化学反应器是生产苯酚过程中不可缺少的磺化工段的主要设备。其工艺流程如图1-1所示。

首先把硫酸罐（高位槽）中的浓硫酸定量放进反应釜里，然后连续注入苯汽，其最大流量可达2500立升/小时，用加热油（变压器油）连续加热4小时左右，其反应温度为120℃，进行化学反应方程式如下：

C6H6 + H2SO4 = C6H5SO3H + H2O （吸热反应）

最后产品C6H5SO3H（苯磺酸）由反应器底部放料，未反应完的苯汽，通过分层分离器以后回收再使用。主要控制指标是反应物的转化率，但是现在无法直接测量。

2有关数据和已知条件

① 反应器动态特性可以近似的看成一阶惯性环节，其放大倍数Kp= 0.8，时间常数Tp=1.5分。

② 硫酸加入量2吨。

③ 苯最大流量2500立升/小时。

④ 变压器油温度200℃，最大流量5吨/小时。

⑤ 反应器规定值为120℃。

⑥ 反应所需时间约4小时。

⑦ 加热油管内径25㎜。

⑧ 苯流量（回流管）管内径20㎜。

⑨ 加热蒸汽管内径50㎜。

⑩ 加热蒸汽最大流量500m3 /h，压力6㎏/ m3。

3 控制方案的确立

根据工艺过程的简述，以及性能指标的要求，确定使用的控制方案是一个串级控制和一些简单回路控制。采用串级控制系统的部分是对反应釜内温度和加热油流量的控制。因为采用单回路的控制系统虽然简单但对于加热油所受的外部扰动作用小，如加热油控制阀阀前温度的变化，系统的抗扰动能力弱，都可能影响控制系统的品质。为此我们采用串级控制系统，在串级回路中，主控对象是反应釜内的温度，其输出作为加热油流量控制的给定值，所以加热油的流量是被调参数，反应釜内的温度是调节参数。这样可以大大提供控制品质。

3.1 串级控制回路

1、串级控制

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

2、串级控制系统的设计

1） 主回路的设计

串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取被控参数、确定主、副回路的原则等问题。

2） 副回路的设计

由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。

归纳如下

1） 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。

2） 将更多的扰动包括在副回路中。

3） 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。

4） 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。

5） 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。

在这里要注意（2）和（3）存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾（2）和（3）的综合。

3、串级控制系统的工业应用

1）用于克服被控过程较大的容量滞后

在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。

2）用于克服被控过程的纯滞后

被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。

3）用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动

串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。

4）用于克服被控过程的非线性

在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。

3.2 单回路控制

单回路控制回路又称单回路反馈控制。由于在所有反馈控制中，单回路反馈控制是最基本、结构做简单的一种，因此，它又被称之为简单控制。

单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简稱过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。

所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。