化學反應器控制方案的分析與設計

黃永杰

（廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系，廣西 南寧530226）

化學反應器控制方案的分析與設計

黃永杰

（廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系，廣西 南寧530226）

化學反應器是石油化工、醫藥等企業常見的生產過程設備，反應機理復雜，是較為典型的單元生產過程。通過對化學反應器控制指標的分析，探討了間歇反應器、連續反應器及pH值的控制方案，為工程技術人員設計化學反應器過程控制系統提供參考。

化學反應器；化學反應器的控制方案；pH值的控制方案

化學反應器在工業生產中是一種重要的裝置，由于它們的特殊性和重要性，以及與一般生產裝置不同的特點，因此對化學反應器的控制既十分重要，又比較難以實施。至今為止，由于反應器的反應機理比較復雜，在自動控制方面的研發工作還比較欠缺，所以在進行反應器控制方案的設計時需要反復地調查研究，總結反應器的操作經驗，才能制定出合理的、行之有效的自動控制方案。

1 化學反應器的控制指標

化學反應的種類比較多，化學反應器的控制難易程度相差也很大，一些容易控制的反應器，控制方案非常簡單，與一個換熱器的控制方案完全相同。但是，當反應速度快、放熱量大或由于工藝設計上的原因，使得反應器的穩定操作區域很狹窄的情況下，反應器控制方案的設計將成為一個非常復雜的問題。此外，對于一些高分子聚合反應，也會因物料的黏度大而給溫度、流量和壓力的準確測量帶來較大的困難，以致嚴重影響反應器控制方案的實施。

一般情況下，在確定反應器控制方案時，首先要清楚反應器的質量指標，既被控變量和可能的操作變量，質量指標可從以下幾個方面考慮。

1．1 被控變量

根據化學反應器及其內在進行反應的機理不同，其被控變量可以選擇反應轉化率、產品的質量及產量等直接指標，或與它們有關的間接工藝指標，如溫度、壓力、黏度等。

1．2 物料平衡和能量平衡

為了使反應器的操作能夠正常進行，反應器系統運行過程中必須保持物料平衡和能量平衡。例如，為了保持熱量平衡，需要及時除去反應熱，以防止熱量的積聚，為了保持物料平衡，需要定時排除或放空系統中的惰性物料，以保證反應的正常進行。

1．3 約束條件

與其他的單元操作設備相比較，反應器操作的安全性更具有重要的意義，這樣就構成了反應器控制中的一系列約束條件。比如，要防止工藝參數進入危險區域或不正常工況，應該設置一些報警、聯鎖或自動選擇性控制系統，當工藝參數越出正常的操作范圍時，發出報警信號；當其接近危險區域時，就會把某些閥門打開或切斷或保持在限定的位置，以確保生產的安全運行。

在上述的3個因素中，質量指標的選擇常常是反應器控制方案設計中的關鍵，根據反應器操作的實際情況，如果有條件直接測量反應產物成分的，可選擇成分作為直接的被控變量；或者選擇某種間接的被控變量，最常見的間接指標是反應器的溫度，但是對于具有分布參數特性的反應器，應該注意所測溫度的代表性。

2 反應器的控制

目前，大型化工生產過程所使用的反應釜，其容量相當龐大，反應的放熱量也很大，而且傳熱效果又很差，反應溫度的平穩操作成為過程控制技術中的一個難題。實踐經驗證明，這類反應器的開環響應大都是不穩定的，如果在運行過程中不及時有效地移去反應熱，反應器內部的正反饋將使溫度不斷上升，以致達到無法控制的地步，引發事故或事故停車。從理論上說，增加反應器的傳熱面積或加快傳熱速度，使移去熱量的速度大于反應熱生成的速度，就能提高反應器操作的穩定性。但是，由于在設計上與工藝上的困難，對于大型聚合釜是難以實現的，因此，只能在設計控制方案時，對控制系統的實施提出更高的要求，來滿足聚合反應釜工藝操作的質量指標和安全運行。

2．1 間歇反應器的控制方案

圖1所示是聚丙烯腈反應器的內溫控制方案。由丙烯腈聚合成聚丙烯腈的聚合反應要在引發劑的作用下進行，引發劑連續地加入聚合釜內，同時丙烯腈通過計量槽加入，當反應達到穩定狀態時，將反應的聚合物加入到分離器中，以除去未反應的單體物料。在聚合釜中發生的聚合反應有以下特點：⑴在反應開始之前，反應物必須升溫至指定的最低溫度；⑵反應是放熱反應過程；⑶反應速度會隨溫度的升高而增加。

為了使反應能發生，首先把熱量供給反應物。但是，一旦反應發生后，必須將熱量移走，以維持一個穩定的操作溫度。此外，單體轉化為聚合物的轉化率取決于給定溫度、給定時間下的反應速率，這個給定時間即為反應物在反應器中的停留時間。其次，為了控制反應器內的溫度，可選擇溫度作為被控變量，選擇夾套溫度為副參數的串級控制系統。同時，聚合釜內溫度控制方案采用了分程控制的方式，采用供熱或除熱的操作，分別控制進料過程和反應過程的物料溫度，使其能符合工藝的要求。

圖1 聚合釜內溫度控制方案

2．2 連續反應器的控制方案

圖2所示是一個連續反應器的控制方案。

圖2 連續反應器的控制方案

在反應器中物料A與物料B進行合成反應，生成的反應熱從夾套中通過循環水除去，反應時放熱量與反應物B的流量成正比。A進料量大于B進料量，反應速度很快，反應完成的時間比停留的時間短。反應的轉化率、吸收率及副產品的分布決定于物料A與B的流量之比，通過控制反應器的液面高度來改變進料量達到物料平衡，工藝對自動控制系統設計提出如下的要求：⑴平穩操作，轉化率、吸收率、副產品分布要確保恒定；⑵安全操作，盡可能減少硬性停車；⑶保證較大的生產能力。

通過分析，最后確定了一個前饋-反饋的控制系統及較完善的軟保護控制方案。下面分別予以介紹。

⑴反應器溫度的前饋-反饋控制系統：以溫度作為被控變量，夾套冷卻水作為操作變量，以A的進料量為前饋輸入變量。在前饋控制回路中選用了PD控制器作為前饋動態補償器。由于溫度控制器采用了外部積分反饋（FB）來克服積分飽和現象，因此，在前饋輸出通道采用了濾除直流分量的措施，即前饋補償器的輸出通過一個傳遞函數的線路Tas／（Tas＋1），這樣，加法器的方程就是：

式中，Ia、Iс和If分別是加法器、溫度控制器和前饋補償器的輸出。但是，圖2所示只是表示了一個原則性的控制系統，而實際上為了保證反應器的安全操作，按照工藝上提出的約束條件設計相應的軟限停車系統，即選擇性控制系統。

⑵反應器進料的比值控制系統與一般的比值控制系統完全相同。但是，在控制物料B的流量QB時，工藝上提出了以下限制條件：（a）反應器溫度低于結霜溫度時，不能進料；（b）若測量出比值QB／QA過大了， 不能進料；（c）QA達到低限以下，即QA＜QAmin時，不能進料；（d）反應器液位Lr＜Lrmin時，不能進料；（e）反應器溫度過高時，不能進料。

顯然，選擇性控制系統可以實現這5個工藝約束條件，具體實施方案可以有很多種，但是，原理都是工況達到上述安全軟限時，由選擇性控制器取代正常工況下比值控制器的輸出，從而切斷QB通路，中斷了B的進料。

⑶反應器的液位及出料控制系統：由圖2可知，反應器液位的控制參數是物料A的流量QA，除了圖示的控制系統外，還需要考慮對QA的兩個附加要求：

（a）進料速度要與冷卻能力配合，不能太快；

（b）開車時，如果反應器的溫度低于下限，則不能進料，同時也要求液位低于下限時不能關閉進料閥。

此外，反應器的出料主要是由反應物的質量和后續工序來決定，設計產品出料控制系統的原則如下：（a）反應器的液位低于量程的25%時應停止出料；（b）開車時的出料質量與反應溫度有關，反應溫度達到工藝指標時才能出料，反之，如果反應溫度低于正常值時應停止出料。

同樣，可以設置一套相應的選擇性控制系統來實現上述的工藝操作要求。在實際應用時，這個連續反應器還配置了一套比較完善的開停車程序控制系統，結合上述的一系列控制系統，達到了較高的生產過程自動化水平。

3 pH值的控制方案

化學反應常常會涉及酸、堿物質，pH值往往是化學反應過程的一個重要參數。由于pH值能在線測量，所以把pH值作為反應過程的質量指標加以控制。酸堿中和過程的非線性程度很大，而且由于pH值的測量特點，測量過程具有一定的純滯后，所以pH值的控制系統通常被認為是比較難以實施的。

在生產過程實施pH值控制系統時，對pH值測量裝置的選擇、安裝以及日常維護等因素要給予足夠的重視，因為pH值測量的精度、測量滯后及采樣帶來的純滯后對控制系統的控制品質影響很大。

pH值控制系統可以采用常規的線性反饋PID控制器，通過單回路控制某一中和液的流量，但不能使用純比例控制規律，因為純比例作用存在余差，而pH值控制系統的設定值又大多處于對中和液流量十分敏感的區域，即pH值為7附近，中和液流量的微小偏差可能使之遠遠偏離設定值，如圖3所示。選用PI或PID控制規律，以及參數的整定，需要根據所控制的對象特征來定。考慮到過程的非線性，這時可以選用非線性控制閥，對被控對象的非線性進行部分補償。但是，由于多數中和反應過程的非線性程度不同，而且又存在著不可忽略的純滯后時間，采用常規的線性控制器難以獲得滿意的控制效果。因此，需要在控制系統中考慮這兩個因素的影響，并進行適當的補償。

工程上考慮對中和反應過程的非線性補償時，經常采用的方法之一是使用Shinskey提出的三段式非線性控制器。其基本原理是：在對象的增益較大時，控制器的增益較小；當對象的增益較小時，控制器的增益較大，以此來維持系統增益的基本不變，如圖4所示。其中低增益的一段稱為“死區”，其范圍可根據對象特征加以控制。如果對象的設定值不在其滴定曲線的中點附近，需將控制器增益中的一段切除，否則將使過程的非線性程度加大。

圖3 中和反應過程滴定曲線

圖4 三段式非線性控制器

上述方法對控制對象非線性的補償是近似的，為了能更準確地實現這種補償，需要確定中和反應過程非線性增益的特征，可以根據正常工況下的中和反應過程滴定曲線，由下式求取：

式中：Kp－對象增益；

ΔF－中和液的流量變化。

通過測量中和液的流量和變化量，可確定對象增益的大小，調整控制器的增益，實現控制對象非線性補償。使用常規模擬控制裝置時，非線性環節的實施有一定的難度，但是可編程控制裝置和DCS的廣泛應用，為這一控制方案的實現提供了許多便利的條件。

控制對象純滯后補償的基本方法之一就是著名的Smith補償控制方案，如圖5所示。該方案對象模型的精度要求較高，在pH值控制中使用比較困難，可以采用對模型適應性較強的改進方案，根據對象的控制質量要求及對象特征，綜合出具體的控制算法，得到更適合的補償效果。對中和反應過程而言，在進行純滯后補償的同時，還需要對被控對象的非線性進行補償，在各種純滯后補償的算法中，對象模型應具有變增益的特性。

在中和反應過程中，中和液的流量、濃度和反應器的反應體積等參數均可能會發生變化，使對象的滴定曲線產生畸變，偏離正常的工況，如圖6所示，實線為正常工況下的滴定曲線，虛線為發生畸變后的滴定曲線，情況嚴重時，采用被控對象非線性和純滯后的固定補償控制規律，無法得到合格的控制品質，此時，有必要選用自適應控制的方法，在線辨識對象的特性，變換控制參數和控制規律，以適應對象特性的變化。在工業生產過程中，可以選擇常見的自適應控制器，如三段式非線性自適應控制器，根據對象特性的變化自動調整其死區寬度，或者選用FOXBORO公司的EXACT自整定控制器等，以滿足對pH值控制系統的質量要求。

圖5 Smith純滯后補償控制方案

圖6 中和反應過程的畸變特性

4 結語

化學反應器控制方案的設計，除了考慮溫度、轉化率、pH值等質量指標的核心問題之外，還必須考慮反應器的其他問題，如安全操作、開停車等，應設計相應的控制系統，才能使反應器的控制方案比較完善。

［1］ 邵裕森，等．過程控制工程［M］．北京：機械工業出版社，2000．

［2］ 孫小方，等．間歇化學反應器的先進控制技術［J］．化工時刊，2002，（11）：1-5.

［3］ 王愛廣，等．過程控制技術［M］．北京：化學工業出版社，2005．

［4］ 黃曙磬，等．微分幾何方法及其在化學反應器控制中的應用［J］．自動化學報，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

黃永杰（1965-），男，漢族，廣西百色人，高級工程師，廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系教研室主任，曾主持或參與多項大型工業控制系統的設計、施工項目，現從事電氣自動化、生產過程自動化、機電一體化專業的教學和科研工作

2011-12-12