化学反应器的自动控制

             第三节  化学反应器的自动控制

   
 
  在过程工业生产中,化学反应器是非常重要的设备。由于化学反应过程机理复杂,涉及能量平衡,物料平衡,以及能量和物质传递等过程,有时伴有高温和高压。因此化学反应器的操作与自动控制一般比较复杂。下面简要介绍化学反应器的控制要求及几种常见的反应器控制方案。

    一、化学反应器的控制要求

    化学反应器的种类很多,对控制的要求也多多种多样。通常,在设计化学反应器的自控方案时,应从质量指标、物料平衡、约束条件三方面加以考虑。

    l.质量指标

    化学反应器的质量指标要求反应达到规定的转化率或反应生成物达到规定的浓度。显然,转化率或反应生成物的浓度应当是被控变量,但它们往往不能直接测量。因此,只好选取几个与它们相关的参数,经过运算进行间接控制。如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为

                  12)

式中,y——转化率;

      ρ——进料密度;

      g——重力加速度;

      c——物料的比热容;

     θi,θ。——分别为进料与出料温度;

      xi——进料浓度;

      H——每摩尔进料的反应热。

    上式表明,对于绝热反应器,当进料温度恒定时,转化率与出口温度差成正比。其原因是转化率越高,反应生成的热量越多,物料出口的温度也就越高。所以,用温差作为被控变量,可以间接控制反应器的转化率。

    由于化学反应过程总伴随有热效应,不是吸热就是放热,所以,温度被广泛用作间接控制指标。出料浓度也常用来作为被控变量,如在合成氨生产中,可以取变换炉出口气体中的CO浓度作为被控变量。

    2.物料和能量平衡

    为了使反应器的操作能正常进行,必须维持整个反应器系统的物料平衡和能量平衡。为此,往往采用流量定值控制或比值控制维持物料平衡,采用温度控制维持能量平衡。另外,在有些反应系统中,为了维持浓度和物料平衡,需另设辅助控制系统自动放空或排放惰性气体。

    3.约束条件

    要防止反应器的工艺变量进入危险区域或不正常工况。为此,应当配备一些报警、联锁装置或选择性控制系统,保证系统的安全。

    二、釜式反应器自动控制

    釜式反应器在工业过程中广泛用于聚合反应。另外,在有机染料、农药等行业中还经常采用釜式反应器来进行碳化、硝化、卤化等反应。

    温度控制是釜式反应器自动控制的重点,如聚合反应温度的测量与控制是实现聚合反应器最佳操作的一个难题。釜式反应器的温度控制包括温度控制、温差控制、釜温与夹套温度的串级分程控制及温度与压力串级控制等。下面简单介绍几种常见的控制方案。

1.调节进料温度

    

    图20  调节进料温度             图21  调节夹套温度 
 

通常,进料都经过预热器(或冷却器)进入反应釜。通过调节进入预热器(或冷却器)的加热剂(或冷却剂)流量,可以改变反应釜进料的温度,从而达到维持釜内温度恒定的目的。方案如图20所示。

    2.调节夹套温度

    对于带夹套的反应釜,调节进入夹套的加热剂(或冷却剂)流量,可以控制釜内温度。该方案(如图21)结构比较简单,使用仪表少。但由于反应釜容量大,温度滞后严重,特别是用反应釜进行聚合反应时,釜内物料粘度大,混合不易均匀,传热效果较差,很难使温度控制达到严格要求。这时就需要引入复杂控制系统。

    3.串级控制

采用串级控制可以较好地克服反应釜大滞后的问题。根据反应釜主要干扰的不同情况,可以采用釜温与加热剂(或冷却剂)流量串级控制(见图22)、釜温与夹套温度串级控制(见图23)及釜温与釜压串级控制(见24)等方案。

                       

          

 图23 釜温与夹套温度串级控制      图24  釜温与釜压串级控制
 

     三、固定床反应器自动控制

    固定床反应器是一种老式的反应器,其工作方式是催化剂床层固定不动,流体原料通过催化剂床层,在催化剂作用下进行化学反应以生成所需反应物。在需要较大传热面积时,可使用管式固定床反应器。

    任何一个化学反应都有它最适宜的温度。最适宜温度综合考虑了化学反应速度、化学平衡和催化剂活性等因素,最适宜温度通常是转化率的函数。因此,固定床反应器的温度控制是十分重要的。温度控制的首要任务是正确选择敏点位置,把感温元件安装在敏点处,可以及时反映整个催化剂床层温度的变化。对于多段催化剂床层,往往要求分段进行温度控制,这样可使操作更趋合理,控制更为有效。下面介绍几种常见的固定床反应器温度控制方案。

    1.调节进料浓度

在硝酸生产中,氨气与空气中的氧气在高温和催化剂条件下进行反应。以反应器温度作为被控变量,进料氨气的浓度作为调节变量。当氨浓度在9%-11%范围内时,氨含量每增加 1%可使反应温度提高60-70℃。因此,改变氨和空气的比值就相当于改变进料的氨浓度。控制方案如图25所示,氨气和空气构成比值控制系统,比值控制系统的给定值依据反应器温度由温度调节器提供,是一个温度比值串级控制系统。

        

    图25  调节进料浓度          图26  调节进料预热热载体流量
 

    2.调节进料温度

反应器进料温度的变化对反应器的影响很大。如原料进反应器前需经换热器预热,则可通过改变进入换热器的载热体流量,控制反应床上的温度,如图26所示。与此类似的方案如图27所示,它通过调节进料旁路流量的大小来控制床层温度。

2.调节段间进入的冷气量

         

  图28  固定床反应器温度控制方案        图29  方案原理图          图30硫化床反应器原理
 

对于多段反应器,可将部分冷原料气直接进入段间,与上一段反应后的热气体混合,以降低下一段入口气体的温度。如在硫酸生产中,用SO2氧化成SO3的固定床反应器的温度控制方案如图28所示,由于一部分冷原料气少经过一段催化剂层,所以原料气总的转化率有所降低。另外一种情况是,在合成氨生产工艺中,当用水蒸气与一氧化碳变换成氢气时,为了使反应完全,进入变换炉的水蒸气往往是过量很多的,这时段间冷气采用水蒸气则不会降低一氧化碳的转化率,这种方案如图29所示。

    四、流化床反应器的自动控制

流化床反应器的工作原理如图30所示。反应器底部装有多孔筛板,催化剂呈粉末状,放在筛板上,当从底部进入的原料气流速达到一定数值时,催化剂开始上升呈沸腾状,这种现象称为固体流态化。催化剂沸腾后,由于搅动剧烈,因而传质、传热和反应强度都较高,并且有利于连续化和自动化生产。

     

      图31 调节热载体流量               图32 调节冷却剂流量
 

流化床反应器的控制与固定床反应器的控制相似,温度控制是十分重要的。控制流化床温度的方法有,通过调节热载体流量来改变原料进口温度(见图31);也可以通过调节进入流化床的冷却剂流量来控制流化床反应器内的温度(见图32)。

在流化床反应器内部,正常情况下,差压不能太小也不能太大,以防发生催化剂下沉或冲跑的现象。为了及时了解催化剂的沸腾状态,常设置差压指示系统,如图33所示。当反应器中有结块、结焦和堵塞现象时,也可以通过差压仪表反映出来。

    五、管式裂解反应器的自动控制

管式反应器能承受较高的压力,也便于热量的交换,结构类似于列管式换热器,它广泛应用在气相或液相的连续反应中。根据热交换性质,化学反应可分为吸热和放热两大类。过程工业中的管式反应器,多称管式炉,用于吸热反应居多,管外利用燃料燃烧加热,管内进行化学反应。下面以乙烯裂解炉为例简要介绍管式裂解反应器的自动控制。

    1.乙烯裂解炉工艺特点

裂解反应是在高温下进行的吸热反应,因此,必须由外界不断供给大量热量。其本质是用外界能量使原料中的碳链断裂,而断裂链又进行聚合缩合等反应,所以裂解过程中伴随着错综复杂的反应,并有众多的产物。例如原料中的丁烷裂解为乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、碳、氢等,乙烯可以脱氢成为乙烷和氢或转变为丁二烯,而乙烷又可以裂解为乙烯和氢。影响裂解反应的主要因素是反应温度、反应时间和水蒸气量。

    2.控制方案

裂解炉的控制方案主要包括三个控制回路:原料油流量控制,稀释蒸汽流量控制和出口裂解气温度控制,如图34所示。

                                 

    (l)原料油流量控制

原料油流量的变化,既影响反应的温度也影响反应的时间,所以必须设置原料油流量控制回路,使其保持稳定。

    (2)蒸汽流量控制

为了减少裂解管结焦及提高乙烯等产品的收率,需要按一定比例将蒸汽混入原料油。采用蒸汽流量控制回路后,保证了蒸汽量的恒定。由于原料油流量也已采用定值控制,所以实际上相当于原料油和蒸汽量的比值控制。

    (3)裂解管出口温度控制

    裂解炉出口温度是裂解炉控制的首要指标,当原料油流量和蒸汽流量稳定后,裂解质量主要取决于反应温度,由于在裂解管的不同位置反应温度是不同的,且同一位置不同管子结焦情况不一,反应温度也有所区别。因此,一般选定裂解管出口温度作为被控参数,燃烧气或燃烧油的流量为调节参数。

    图34控制方案比较简单,在工况稳定的情况下可以满足控制要求。由于燃料油要通过燃烧加热炉膛,再加热裂解管才影响到出口温度,因此,控制通道较长,时间常数较大。当工况经常变化时,就难以满足控制要求,此时可采用裂解管出口温度与燃料油流量串级控制方案。

    裂解炉中有许多裂解管,通常按裂解管的排列情况分为若干组,每组对应若干喷嘴。裂解管总管出口温度是各裂解管出口温度的平均温度。由于制造、安装、结焦情况不同,各组裂解管的加热、反应情况都不同(严格讲,每根管子的情况也不一样)。这就形成裂解管出口温度的不均匀性,温度高的容易结焦。而工艺上又要求各组炉管之间的温差不能太大。显然,上述方案不能满足要求。

以保持同一裂解炉各组炉管的出口温度一致,且使负荷保持平衡为目的的裂解炉的解耦控制和温度控制系统可以使整个生产得以平稳运行,统称为裂解炉平稳控制系统。

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日期: 2009/6/1 9:36:26
作者: 史继斌
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