化学反应器自动控制系统设计

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1、目录摘要.............................................................................................................................III1关于化学反应12关于化学反应器22.1反应器的类型22.2反应器的性能指标22.3反应器的控制要求23反应器的控制方案43.1反应器常用的控制方式43.2温度被控变量的选择53.3控制系统的选择64反应器串级系统的控制原理94.1系统方框图9

2、4.2系统原理分析95反应器的部分实现115.1原料的比值控制115.2仪器仪表的选择126设计总结与展望13参考文献1414化学反应器自动控制系统设计1关于化学反应化学反应的本质是物质的原子、离子重新组合，使一种或者几种物质变成另一种或几种物质。化学反应过程具备以下特点：1)化学反应遵循物质守恒和能量守恒定律。因此，反应前后物料平衡，总热量也平衡；2)反应严格按反应方程式所示的摩尔比例进行；3)化学反应过程中，除发生化学变化外，还发生相应的物理等变化，其中比较重要的有热量和体积的变化；4)许多反应应需

3、在一定的温度、压力和催化剂存在等条件下才能进行。此外，反应器的控制方案决定于化学反应的基本规律：1．化学反应速度化学反应速度定义为：单位时间单位容积内某一部分A生成或反应掉的摩尔数，即(1-1)若容积V为恒值，则有(1-2)式中rA——组分A的反应速度，mol/m3·h；nA——组分A的摩尔数，mol；CA——组分A的摩尔浓度，mol/m3；V——反应容积，m3。2．影响化学反应速度的因素实验和理论表明，反应物浓度(包括气体浓度，溶液浓度等)对化学反应速度有关键作用。温度对化学反应速度影响较为复杂，最普

4、遍的是反应速度与温度成正比。而对于气相反应或有气相存在的反应，增大压力(压强)会加速反应的进行。化学反应还受催化剂，反应深度等因素的影响，这些都是要在设计反应器是需要考虑的。142关于化学反应器2.1反应器的类型化学反应器的种类很多。根据反应物料的聚集状态可分为均相反应器和非均相反应器两大类：均相是指反应器内所有物料处于一种状态；按反应器的进出料形式可以分为间歇式、半间歇式和连续式；从传热情况，可分为绝热式反应器和非绝热式反应器：绝热式反应器与外界不进行热量交换；从结构上可以分为釜式、管式、固定床、流化

5、床、鼓泡床等多种形式，分别运用于不同的化学反应，过程特性和控制要求也各不相同。2.2反应器的性能指标1)产量；2)原料消耗：它可由转化率、产率、收率等指标反应出。影响这些指标的因素一般有进料浓度、反应温度、压力、停留时间、催化剂和反应器类型等；3)单位能量消耗：生产单位重量产品所消耗的能量，一般希望原料消耗少，单位能耗少，产量高。2.3反应器的控制要求通常，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

6、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(2-1)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，θo——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。14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。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

7、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)约束条件与其他化工单元操作设备相比，反应器操

8、作的安全性具有更重要的意义，这样就构成了反应器控制中的一系列约束条件。要防止反应器的工艺变量进入危险区域或不正常工况，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。143反应器的控制方案3.1反应器常用的控制方式控制指标的选择是反应器控制方案设计中的关键问题，应按照实际情况作出选择。此外，由于影响化学反应的因素大部分是从外部进入反应器的，所以保证反应质量的一种自然设想，是尽可能将干扰排除在进入反应器之前，即将进入反应器的每个参