過控工程在反應釜中的應用及其能源利用

秦夏偉，門嘉鋮，張詩行

（西安石油大學，陜西 西安710000）

隨著我國工業化進程的加深，我國化工技術不斷提高，反應釜作為化工技術中一種十分重要的反應器，在化工生產中占據十分重要的作用。而對反應釜中溫度的控制是十分關鍵的，它不僅涉及到化學反應的效率，還涉及到產品的質量，同時裝置的穩定運行對人生安全和污染氣體的排放具有重要的意義。

1 反應釜的結構組成以及工藝原理

1.1 反應釜的結構組成和工作環境

反應釜是化學、醫藥及食品等工業中常用的典型設備之一，從組成結構上看，反應釜主要是由釜蓋、夾套、釜底以及攪拌器等部分組成，通常而言，攪拌裝置如果是在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉，能使更多的物料攪拌均勻。反應釜主要是利用蒸汽、熱油以及其他的介質通過熱交換進行反應釜中溫度的提升。在反應釜中，主要的溫度控制是通過熱電阻和熱電偶等進入反應釜導電介質管線上的可調節閥門進行回路的控制，從而進行溫度的控制和調節。在壁外，通常設有夾套裝置，或者在容器內部設置熱交換面，然后通過外循環進行熱能量的交換。

在反應釜內部，其內部通常需要較大的操作壓力，反應釜中的內部壓力通常是由于反應中高溫形成的。在反應釜中，有時候壓力波動較大，或者工作人員的操作使得工作環境不穩定，此時會造成反應釜中的溫度突然升高比較快，因此反應釜中需要采用密封手段。如果是較為低壓的環境，則采用填料進行填充，其使用的壓力一般比較下，在中等壓力條件下，會使用中等壓力或者采用機械方式進行填充，其負壓一般為4kg。如果是在高壓的情況下，則進行磁力密封。一般這樣的密封手段能達到14kg的壓力。在使用磁力密封中，一般使用冷水降溫的形式進行降溫。而對于其他形式的密封方式，如果反應釜中的溫度超過120℃以上，則使用冷水增加冷水套的形式進行降溫。由于反應釜中的密封性較高和操作壓力比較大，因此，需要較高的材質進行制作。反應釜中的材質一般為碳錳鋼、不銹鋼、鋯等金屬或者合金，或者是不銹鋼的材料。

1.2 反應釜中的反應原理

在反應釜裝置中，反應釜的內部通常可使用溶煤作攪拌反應，在夾層中通常使用冷凍液或者熱油進行冷卻或者循環加熱。也可注入其他物料對反應進行恒溫加熱或者制冷。這樣有助于反應的順利進行。同時物料也需要在適當的壓力條件下進行反應，通常為負壓或者常壓下進行攪拌反應。反應物料在反應釜中進行，通過控制反應溶液的蒸發和回流控制反應的進行，物料通常可以通過反應釜的釜底出料口放出。

1.3 反應釜中物料的生產方式和發展趨勢

在化工生產[1]中，反應釜的生產物料需要滿足大批量的生產要求，因此在生產環節需要反應釜的大容積化。大容積化不僅增加生產的產量，還能減少大批量生產中的生產誤差，降低產品的生產成本，這是一種降低成本的重要方式和手段。對于染料生產，其一般需要6000L 以下，而其他行業則達到30m3，國外甚至更高。

對于反應釜[2]的攪拌器而言，已由之前的單一方式的攪拌器發展到雙拌式攪拌器。同時還能通過外加強泵進行循環。對于反應器的發展，除了裝有攪拌器之外，還有釜底旋轉式。使得釜底進行旋轉，進而提高反應的速率。在反應中，通常通過生產的自動化形式來加強生產的自動化性，這樣保證了產品生產上人工出現的誤差，同時也能提高產品的生產質量，增加產品的收益，提高產品的性能。同時還可以消除對環境的污染。在反應釜中，會產生較多的熱能，如果不加以合理地利用，會增加生產投入。因此需要選擇較為合理的工藝操作條件和手段。同時需要加強保溫措施，防止熱能的散失。使得熱量損耗降至最低。對于生產過程中產生的余熱，也可以進行合理的利用，因此，管道的熱能能量的回收和利用，也是一種重要的趨勢。

2 過程裝備與控制工程在反應釜中的應用

由于反應釜中容積的大小限制了產品生產質量和產品的成本，因此由于我國生產技術的限制和反應釜容積的限制，使得我國的化工生產的質量和生產的成本以及產品的銷量都遠不如國外。另外，在國外由于生產技術的自動化水平較高，基本實現了人工智能控制技術，而我國在生產環節，時常需要人工的參與，因此這樣不僅影響的產品的質量，還對人體產生一定健康方面的威脅。在反應釜中，較為重要的有搪玻璃反應釜和不銹鋼反應釜。

2.1 搪玻璃反應釜

搪玻璃反應釜[3]是一種十分重要的反應釜，首先是將胎具將鋼板壓制成負荷要求的折流板，然后再按照相關的尺寸和設計工藝，根據反應釜的體積大小，將折流板制作成一層或者多層，然后焊接在釜體的內壁上，在焊接的細縫處通過搪燒，組裝成產品。這樣制作的反應釜能有效地改善反應物料的流動狀態，在一定程度上提高了反應的效率。在國內外，制作反應釜的鋼板采用高質量的鋼板，焊條、瓷釉，鋼板焊條含碳、硫、磷雜質低，鋼板內晶格結構緊密并有微量元素以抑制制造過程中吸氫，瓷釉選用耐腐蝕性能好、耐溫差急變性能優異、熔點低的瓷釉。在工藝上，一般采用“低溫長燒”和“搪燒后緩冷”的工藝手段，通常在搪燒3 次之后就沒了氣孔，在三次以上的搪燒中僅僅是為了增加瓷層的加厚。這樣的制作工藝能保證瓷層具有較好的耐腐蝕性和摩擦性，同時也不會在碰撞過程中影響瓷層的厚度以及其性能。

2.2 不銹鋼反應釜

不銹鋼反應釜較多的是作為一種綜合反應容器進行使用。其內層主要是通過攪拌的手段發生化學反應，且根據化學反應的條件以及對反應釜的結構進行配置，從反應的開始的進料到反應結束后的出料，都是根據不同工藝設計要求通過設置不同的反應條件進行攪拌反應。通過蒸餾和回流等手段，在反應結束之后，釜底的出料口進行物料的放出。在反應過程中，通過對設備進行濃度、壓力、溫度、攪拌條件等重要參數的設置，向反應釜中添加不同的冷卻液或者熱油等介質，實現反應的循環加熱以及冷卻。根據密封方式的不同，可分為機械式密封和磁力密封。在反應釜中，配置有電量傳感器，在攪拌形式上有推進上式、漿式、開啟渦輪式、布魯馬金式等。其加熱方式主要有熱水加熱、電加熱和紅外線加熱等方式。冷卻方式主要有釜內盤管冷卻和夾套冷卻。

2.3 反應釜中的控制技術

在反應釜中，對反應釜的控制是十分重要的環節。由于國外的控制技術比國內先進，因此，通過引進智能控制技術和微電子技術能有效的實現反應釜的溫度控制。在化工生產過程中，常常出現生產滯后和慣性等問題，通過構建強大的溫度控制系統能有效地實現溫度的控制。而溫度控制系統主要是依據系統的數學模型和模擬實際生產過程中的溫度控制要求來進行的。主要包括模糊控制、智能控制技術等高效利用。在智能控制算法的有效利用下，優化反應釜的溫度控制系統能有效地進行溫度控制服務功能。在控制技術中，針對反應溫度的控制要求，通過自適應參數的溫度控制過程，實現了反應釜中溫度的控制。在應用反應釜溫度控制時，需要充分考慮被控制對象的特性。同時在參數的自動調整功能上，增加參數的自調整功能，實現控制系統對溫度的自學習效果。控制技術主要有雙模控制和PID 控制等控制過程中需要設定一定的反應溫度，通過反應釜內的加熱與冷卻工作機制，確保整個反應釜內溫度變化均勻性。

3 反應釜中能源利用與節能減排

在化工生產中，反應釜中的熱能和冷卻能量都可用來進行回收。在溫度調節過程中，反應釜的冷卻水以及蒸汽都是直接排到大氣中，這樣造成大量熱能的浪費，同時，反應釜蒸汽的噴 嘴排放物造成了大量的污染，還威脅著工人的身體健康。反應釜中能量回收主要是對熱能量的回收，可通過增加節汽裝置的方式實現能量的回收，另外還可以通過對疏水閥以及其與控制截門的合理組裝來實現減排的作用。

4 結 語

反應釜是一種常見的化工生產裝置，本文針對反應釜常見的過程裝備和控制控制技術等問題，闡述了反應釜的常見組成結構和反應原理，對兩種反應釜進行介紹，同時對反應釜中的控制技術和其在節能減排進行簡單介紹，通過對設備進行智能控制以及加強反應釜中能量的回收和利用，能有效地解決化工生產環境污染等問題。