基于MATLAB的Chylla—Haase反應器建模研究

李征

摘要：Chylla-Haase反應器控制是一個經典的控制工程問題。加熱階段和恒溫階段控制任務的不同，單體進料和停料對反應器溫度的影響，以及各種干擾影響，如變化的環境溫度、單體雜質因子、器壁污垢系數等，具有非線性結構和部分參數不確定特點，使反應器的建模變得困難，本文旨在基于MATLAB對Chylla-Haase反應器進行建模。

關鍵詞：Chylla-Haase反應器 建模 MATLAB 溫度

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0075-01

1 引言

由Chylla和Haase[1]描述的聚合反應器是一個控制工程基準問題。在反應過程中的聚合物溶液粘度的變化會導致傳熱特性產生大的變化。清潔周期和環境條件的變化，如外部溫度和冷卻水溫度的變化，會導致反應器壁結垢，導致不同批次的反應條件大不相同[2，3]。另外，由于聚合反應動力學方程比較復雜，聚合反應是高度非線性的放熱反應，需要保證生產過程的安全性、可靠性和穩定性。要在整個生產過程中保持溫度符合一定要求，特別是熱反應器中的操作溫度。

2 Chylla-Haase反應器數學模型

由Chylla和Haase提出聚合反應的動力學模型[4]，考慮了冷卻夾套和反應器的物料平衡和能量平衡。方程（1）、（2）分別表示單體質量mM（t）和聚合物質量mP（t）的物料平衡關系，反應器溫度T（t）的能量平衡由方程（3）給出，冷卻套和再循環回路出口和入口溫度能量平衡方程分別由（4）和（5）給出。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

閥位C<50%，進入冷卻模式，注入入口溫度為Tinlet的冷水。閥位C>50%，切換到加熱模式，注入溫度為Tsteam的蒸汽進行再循環。閥位c（t）影響加熱/冷卻函數Kp（c）。閥位特性如下：

（6）

3 仿真結果

下圖1給出了單體質量、生成物質量、反應器溫度以及夾套溫度仿真結果，在30分鐘的時候，單體被注入反應器中且此時其溫度為環境溫度，而反應器的溫度為操作溫度355.382K，反應器溫度受注入單體的影響將下降。所以，夾套溫度增加，以提高反應器溫度。之后，反應放熱引起的累積熱增加，為了補償這種影響，夾套溫度會逐步下降。在100分鐘的時候，單體進料停止，聚合反應結束，為了保持反應器溫度在，熱蒸汽進入循環系統，加熱反應器，反應器溫度維持穩定。

4 結語

Chylla-Haase反應器為本文的主要應用對象，具有非線性和部分參數不確定特點。聚合反應器的建模需考慮反應器結構、操作條件、反應機理及放熱特性。以及Chylla-Haase反應器的加熱階段和恒溫階段控制任務不同，單體加料和停料對反應器溫度的影響，和各種干擾影響。

參考文獻

[1]馬昕，劉艷，張貝克.間歇反應控制系統的設計與實現[J].石油化工自動化，2007，6（46）：46-49.

[2]范順杰，徐用.聚丙烯反應器的動態模擬[J].化工自動化及儀表，2000，27（5）：5-8.

[3]霍罡.間歇反應過程仿真模型的研究[J].計算機仿真，2004，21（12）： 200-204.

[4]Vasanthi D，Pranavamoorthy B，Pappa N. Design of a self-tuning regulator for temperature control of a polymerization reactor[J].ISA Trans， 2012， 51： 22-29.