間歇式化學反應器

胡鴻翔

1工藝流程介紹

間歇式化學反應器是生產苯酚過程中不可缺少的磺化工段的主要設備。其工藝流程如圖1-1所示。

首先把硫酸罐（高位槽）中的濃硫酸定量放進反應釜里，然后連續注入苯汽，其最大流量可達2500立升/小時，用加熱油（變壓器油）連續加熱4小時左右，其反應溫度為120℃，進行化學反應方程式如下：

C6H6 + H2SO4 = C6H5SO3H + H2O （吸熱反應）

最后產品C6H5SO3H（苯磺酸）由反應器底部放料，未反應完的苯汽，通過分層分離器以后回收再使用。主要控制指標是反應物的轉化率，但是現在無法直接測量。

2有關數據和已知條件

① 反應器動態特性可以近似的看成一階慣性環節，其放大倍數Kp= 0.8，時間常數Tp=1.5分。

② 硫酸加入量2噸。

③ 苯最大流量2500立升/小時。

④ 變壓器油溫度200℃，最大流量5噸/小時。

⑤ 反應器規定值為120℃。

⑥ 反應所需時間約4小時。

⑦ 加熱油管內徑25㎜。

⑧ 苯流量（回流管）管內徑20㎜。

⑨ 加熱蒸汽管內徑50㎜。

⑩ 加熱蒸汽最大流量500m3 /h，壓力6㎏/ m3。

3 控制方案的確立

根據工藝過程的簡述，以及性能指標的要求，確定使用的控制方案是一個串級控制和一些簡單回路控制。采用串級控制系統的部分是對反應釜內溫度和加熱油流量的控制。因為采用單回路的控制系統雖然簡單但對于加熱油所受的外部擾動作用小，如加熱油控制閥閥前溫度的變化，系統的抗擾動能力弱，都可能影響控制系統的品質。為此我們采用串級控制系統，在串級回路中，主控對象是反應釜內的溫度，其輸出作為加熱油流量控制的給定值，所以加熱油的流量是被調參數，反應釜內的溫度是調節參數。這樣可以大大提供控制品質。

3.1 串級控制回路

1、串級控制

串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。

前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標;后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩定主變量而引入的輔助變量。

整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成;主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。

一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。

2、串級控制系統的設計

1） 主回路的設計

串級控制系統的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統的設計類似，設計過程可以按照簡單控制系統設計原則進行。這里主要解決串級控制系統中兩個回路的協調工作問題。主要包括如何選取被控參數、確定主、副回路的原則等問題。

2） 副回路的設計

由于副回路是隨動系統， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調節對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。

歸納如下

1） 在設計中要將主要擾動包括在副回路中。

2） 將更多的擾動包括在副回路中。

3） 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。

4） 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。

5） 在需要以流量實現精確跟蹤時，可選流量為副被控量。

在這里要注意（2）和（3）存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發揮，因此，在實際系統的設計中要兼顧（2）和（3）的綜合。

3、串級控制系統的工業應用

1）用于克服被控過程較大的容量滯后

在過程控制系統中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統往往不能滿足生產工藝的要求。利用串級控制系統存在二次回路而改善過程動態特性，提高系統工作頻率，合理構造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應速度。在構造二次回路時，應該選擇一個滯后較小的副回路，保證快速動作的副回路。

2）用于克服被控過程的純滯后

被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統的動態特性，使控制系統不能滿足生產工藝的要求。使用串級控制系統，在距離調節閥較近、純滯后較小的位置構成副回路，把主要擾動包含在副回路中，提高副回路對系統的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響。改善控制系統的控制質量。

3）用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動

串級控制系統的副回路對于回路內的擾動具有很強的抑制能力。只要在設計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。

4）用于克服被控過程的非線性

在過程控制中，一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會導致當負載變化時整個系統的特性發生變化，影響控制系統的動態特性。單回路系統往往不能滿足生產工藝的要求，由于串級控制系統的副回路是隨動控制系統，具有一定的自適應性，在一定程度上可以補償非線性對系統動態特性的影響。

3.2 單回路控制

單回路控制回路又稱單回路反饋控制。由于在所有反饋控制中，單回路反饋控制是最基本、結構做簡單的一種，因此，它又被稱之為簡單控制。

單回路反饋控制由四個基本環節組成，即被控對象（簡稱對象）或被控過程（簡稱過程）、測量變送裝置、控制器和控制閥。

所謂控制系統的整定，就是對于一個已經設計并安裝就緒的控制系統，通過控制器參數的調整，使得系統的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。