水热热反应釜(化工行业反应釜纵览)

Posted 2023-05-30

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水热热反应釜(化工行业反应釜纵览)

一、反应釜概述

1.反应釜简介

反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等；材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔、因康镍）合金及其它复合材料[1]。通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。随之，反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于非标的容器设备。反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制（搅拌、鼓风等）、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控[2]。

众所周知，化工生产在我国国民经济建设中占有很重要的地位, 而反应釜是化工生产中实现化学反应的主要设备之一。由于反应过程受外界温度、反应物质不同、浓度等因素影响较大, 且系统本身具有较大的时变性和滞后性, 从控制的角度来看, 反应釜属于最难控制的过程之一[3]。生产过程经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下进行, 生产的安全性至关重要, 因此高性能、高精度反应釜控制器的研制受到高度重视[4]。国外如日本、美国等都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表, 且适用于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统, 而国内与之有较大的差距, 这使得反应釜温度控制器的研制在技术和市场上都将有较大的突破空间[5]。

2．反应釜的结构形式及工作原理

反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外(内)盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。反应釜在设定恒温条件下，在密闭的容器内，在常压或负压下进行搅拌、反应，并能控制反应溶液的蒸发与回流，是现代化学小样实验、生物制药及新材料合成的理想设备[6]。

3.反应釜的温度控制

反应釜温度控制是通过控制两个阀门即加热水阀门和冷却水阀门来实现的，通过搅拌机的搅拌使物料均匀。在升温阶段，打开加热水阀门，对釜内的蛇管通以加热水，使釜温升高，通过控制阀门开度来控制温度升高的速率，当加热到预订反应温度后就停止加热，反应过程中在夹套中通以冷却水，将反应产生的多余热量移走，控制温度保持恒定。导热介质的选择根据各种不同展品的工艺温度要求确定，常见的导热介质又通过热蒸汽和导热油。温度测量常用热电阻或热电偶及其变送器组成。通入反应釜的热导介质要求保持温度恒定，通过调节流入反应夹套的导热介质的流量，来控制反应釜内物料的温度符合工艺要求[7]。

二、对反应釜采用的控制技术

1.常规PID控制

PID控制器应用的非常广泛，其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，它的参数整定方便，结构更改灵活，能满足大多数工业控制要求。PID技术比较简单，易于掌握，是常用的控制技术之一。对于参数不变的控制对象或模型参数变化不显著的控制对象来说，使用PID控制能够达到比较理想的控制效果，而且实现起来非常简单[8]。

在本课题的系统设计中，作为被控对象的反应釜由于模型较为复杂，无法建立精确的数学模型，采用PID算法比较方便，但PID算法也存在现场参数调整麻烦，被控对象模型参数难以确定以及外界干扰会使控制漂离最佳工况等问题。针对这些问题，本课题在反应釜温度控制系统中，采用了模糊控制技术与PID相结合的方法来弥补只用PID调节器时的缺憾。

2．模糊控制技术

模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制。与经典控制理论和现代控制理论相比，模糊控制的主要特点是不需要建立对象的数学模型。操作人员根据对象的当前状态和以往的控制经验，用手动控制的方法给出适当的控制量，对被控对象进行控制。用计算机模拟操作人员手动控制的经验，对被控对象进行控制[9]。1974年，模糊控制技术理论提出者-英国工程师（E.H.Mamdani）指出：模糊控制在本质上就是某种插值器，目前常用的模糊控制算法都可归结为某种插值方法它是对响应函数的逼近，相当于离散响应函数的拟合[10]。模糊控制方法类似于数学物理问题中的有限元方法，是经典控制论和现代控制论的直接方法或数值方法。由此提出了基于论域收缩的一类高精度模糊控制器的设计思想。

因此，模糊控制的突出特点在于：

（1）控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。

（2）控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大滞后性等问题。

模糊控制系统一般可分为四个部分[11]：

（1）模糊控制器：它实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要，可以选用系统机，也可选用单片机[12]。

（2）输入/输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号通过数模变换，将其转换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。

（3）广义对象：高包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线形或非线性的，定常的或时变的，单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有干扰的多种情况。

（4）传感器：它将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号

在工程上多采用人工手动或PID 控制，劳动强度大，效果不理想。模糊控制作为一种仿人工智能的控制策略，适应范围广，不依赖于对象的数学模型，鲁棒性好，对被控对象特性变化不敏感，算法简单，特别适合于非线性系统的控制，并且易于实现[13]。事实上模糊控制与传统的PID 控制器之间存在着内在联系，单输入单输出模糊控制器是个分段P 调节器，常用双输入单输出模糊控制器是个具有P 与D 交互影响的分片PD调节器；三输入单输出模糊控制器是个具有P ,I ,D 之间交互影响的分片PID 调节器[14]，并且由于模糊控制器本身具有非线性的调节规律，模糊控制器性能上要比PID 控制器更好。由于聚合反应过程的时变、非线性等特点，采用带调整因子的自适应模糊控制算法，可保证系统输出响应快，超调量小，调整时间短，控制精度高，而且具有较强的适应内部参数变化和抗外部干扰的能力[15] [16]。从仿真实验结果来看，性能明显优于PID算法。本文将主要运用模糊控制技术对反应釜完成温度的控制。