固定床反應器的控制研究

張富強

摘 要：固體床反應器的控制問題是固體床反應器研發過程中關注的重點問題，在促進固體床反應器應用作用有效發揮，保證其穩定與安全運行上，發揮著至關重要的作用。基于此，本文從固體床反應器相關概述出發，聯系已有研究成就固體床反應器的控制進行了簡要分析，針對控制研究發展提出一些設想。

關鍵詞：固體床反應器;常規控制;安全控制

固體床反應器作為化工行業建設與發展過程中應用較為普遍與廣泛的反應設備，其控制質量的高低對化工行業生產質量、安全、效益的提升存在直接影響。對此，在當前高度重視設備安全，強調生產質量、效率、效益等協調發展的背景下，有必要加強固體床反應器的控制研究，為固體床反應器控制優化提供指導，從而改善反應器性能，提高反應器使用與管理質量。

1 對“固體床反應器”的基本認識

1.1 概念

固體床反應器（solid-bed reactor）又被稱之為“填充床反應器”，是現代化學工業生產過程中應用較為廣泛的生產設備。主要用于固體反應物、固體催化劑的裝填與反應，以滿足化學工業對反應物、催化劑的使用需求。固體床反應器中的固體顆粒在床層中處于靜止狀態，依托催化劑裝填技術實現氣固相催化反應或反應物裝填技術實現液固相非催化反應。

1.2 類型

目前，現代化學工業中應用的固體床反應器主要有以下幾種形式：①軸向/徑向絕熱式固定床反應器。即固體反應器床層與外界不存在熱交換問題，流體沿著軸向/沿著徑向流經床層。多應用于反應熱效應低下或可承受反應熱效應變化的環境中;②列管式固定床反應器。即催化劑多置于反應管中或反應管間，載熱體通過在反應管間或反應管中流過進行加熱/冷卻，從而達成反應要求。在反應熱效應相對較大的場合中具有廣泛應用;③多級固定床反應器，依托先進科學技術實現軸向絕熱式固定床反應器、徑向絕熱式固定床反應器、列管式固定床反應器的有效聯合，通過分段控制滿足生產需求。

1.3 特征

相對于其他反應器而言，固體床反應器具有催化劑損耗小、逆向混合小、結構簡單等優勢，但其溫度控制能力相對較差，且需要及時更換催化劑。這就需要固體床反應器能夠具有較強的控制能力，能夠通過控制有效解決溫度控制問題、催化劑失活過程中定態行為、動態行為控制問題以及催化劑更換過程中裝填安全控制問題。

2 固體床反應器控制的重要性分析

2.1 理論研究視角分析

從理論研究角度來看：固體床反應器屬于分布參數系統，在控制過程涉及到的變量相對較多，如何準確、科學、有效選擇固體床反應器的控制變量始終是控制研究過程中，人們關注的重點問題。雖然隨著近些年固體床反應器理論與實踐研究的不斷深入，測量技術、狀態評估技術水平大幅度提升。但從整體層面來看，作為固體床反應器控制指標的變量測量，仍存在滯后性，不能直接用于固體床反應器的控制。與此同時，固體床反應器不屬于線性系統，在運行過程中影響產率的因素眾多，且各因素（如溫度、催化劑反映、空間、時間等）之間存在的關系較為復雜。利用過程模型進行分析時，無法在大范圍內對系統定態行為、動態行為進行精準描述。因此，在進行固態床反應器控制系統設計時，易出現模型失配問題，降低控制系統實用性、操作性。因此，仍需要不斷加強固體床反應器的控制研究，能夠從反應器行為、反應器模型、反應器控制指標測量等方面進行綜合分析，進行控制系統優化，促進高級控制技術在固體床反應器控制中的科學運用。

2.2 實踐應用視角分析

從實踐應用層面來看：固體床反應器作為現代化學工業中的重要生產裝置，其運用的安全性、穩定性、可靠性直接關系著化學工業生產質量與安全。加之，在當前高度提倡節能減排、環境保護等背景下，化學工業要想實現可持續競爭發展，必須進行生產設備改造與創新，以實現節能生產、減排生產、環保生產，具備生產設備集約化、智能化管控能力。這在一定程度上對固體床反應器及其控制提出了更高要求。因此，加強固體床反應器的控制研究，實現控制系統優化設計勢在必行。

3 固體床反應器的控制方法分析

在固體床反應器控制中，參數敏感性問題、瞬態行為問題、穩定性問題、逆響應問題等是研究關注的重點問題，能夠在一定程度上導致控制系統出現失控，增加控制復雜性。因此，根據固體床反應器控制要求與問題，可從常規控制與優化控制兩方面進行研究。常規控制的目的在于抑制固體床反應器運行過程中的擾動，保證其運行的穩定、安全、可靠與高效;優化控制的目的在于降低其控制難度，提升其控制質量，或實現某一經濟函數的最大化。在常規控制中可采用最優控制策略、模態控制測量、自適應控制策略、內模控制策略等提升控制系統辨識能力，給予狀態估計充足的信息依據，讓系統更好適應固體床反應器過程變化，進行擾動有效抑制。在優化控制中可依托先進科學技術，如微處理器控制技術、數字模型技術、神經元網絡技術、故障診斷與評估技術等構建自動控制系統，并與常規控制策略有機結合下，提升固體床反應器整體控制水平。

總而言之，固體床反應器作為化工行業重要生產設備，在設備自動化、智能化發展過程中有必要加強其控制與管理能力。通過控制系統優化，不斷改進固體床反應器使用性能，保證固體床反應器穩定與安全運行的同時，實現生產設備控制人力資源的有效節約，助力企業可持續競爭發展。

參考文獻：

[1]閆洪壽，劉建龍，齊巍巍，等.加氫固定床反應器催化劑密相裝填與安全控制[J].廣東化工，2016，43（07）：162-164.