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1、476o.第卷第期化工学报Vl47No6199612Journaoeeanustryanngineeringinaeeeer年月lfChmilIddE(Ch)Dmb1996彝固定床反应器的控制刘良宏袁渭康(华东理,20023工大学联合化学反应工程研究所上海7)摘要,主要综述了在实验反应器或仿真反应器上实现的并具有工业应用前景的有关控制文献,介绍了固定床反应器控制的研究概况最后,对当前的固定床反应器控制研究提出.了一些见解和展望关键词固定床反应器模型系统辨识状态估计常规控制优化控制预测控制智能系统CIPS引言固定床反应器是化学工业中广泛应用的反应设备.目前,大部
2、分的催化过程是在固定床,、、、、反应器中进行的如合成氨三氧化硫合成甲醇合成乙烯氧化制环氧乙烷邻二甲苯氧化制苯醉等.与返混式的反应器(如流化床)相比,固定床反应器内流体的流动接近于平推,流因此可用少量的催化剂和较小的反应器容积来获取较大的生产能力;而且催化剂不易磨损,可长期使用(除非失活).然而,反应器操作过程中所关心的质量指标如选择性等却对床层的温度分布存在高度的非线性依赖关系,因此温控问题就成为固定床反应器的关键和难点所在.固定床反应器的另一个弱点是催化剂的更换必须停产进行.随着催化剂的失活,将对过程的定态和动态特性产生重要影响,因此操作条件也必须随之作适当
3、调整.如何动态地,确定操作条件使反应器始终在最优条件下操作即进行优化控制同样是固定床反应器控制研究的重要课题[lj.,,:因此根据固定床反应器的控制指标反应器的控制基本可以分为两大类用于抑制过程扰动的常规控制和用于最大化某一经济函数或泛函的优化控制.这里必须指出的是,在常规控制中,不仅要考虑反应器操作安全性、维持高产率或高选择性等,同时还必须把环境保护作为控制的一部分,而这一问题正受到越来越多的重视川.由于固定床反应器不同的构造型式和操作方式,及其不同的动态特性,造成固定床反应器的控制方案很多,其难易程度也各不相同闭..固定床反应器是过程控制领域的一大难题首先
4、,固定床反应器是分布参数系统,状态变量温度和浓度不仅是时间同时也是空间位置的函数.因而,反应器内有无穷多的变量,选择哪些状态作为控制变量并不显然.同时,反应器内只有有限的测量可供控制利用;并且,一些直接作为控制指标的有关产品质量如选择性等所需要的浓度测量往往由于技术和经济的原因,滞后较大甚至不能在线进行而不能直接用于控制.因此设计者必须考虑测量和状态估计问题.其次,固定床反应器是个高度非线性的系统.由于反应速率与温度的niuSArhe关.1996一一16,1996一一13收01收到初稿08到修改稿..::,,,联系人袁渭康第一作者刘良宏男26岁博士*国家自然科
5、学基金.和中国石油化工总公司赞助·721996年12月8化工系以及部分催化氧化反应的非线性动力学表达式,所选择的控制作用对产率有很复杂的影响.,,、另外反应器内物理一化学复杂性以及在过程建模中采用的一些假定如平推流拟均相和定,常参数更增强:了反应器控制的困难模型不能在足够大的操作范围内精确地描述过程的定态和动态特性.而大多数高级控制方案则往往用于模型比较精确的领域,比如航空航天工业.因,,,此一方面从严格的观点来看将非线性分布参数系统模型集中为线性集中参数系统进行控,制系统设计以及模型的失配可能使精确设计的反应器控制系统面临不可操作的困境;另一方面,从工业角度
6、考虑,易于实施也是控制系统设计必须考虑的重要问题.可以认为,从实用的角,“”、度出发设计一个对于非线性分布参数系统的严格意义而言的相对次优相对简单的控制系统,使控制器取得高的抑制扰动性能和强的鲁棒性是固定床反应器控制系统设计的目的.在设,:计中通常必须综合考虑以下几个问题(1)反应器的定态和动态行为及其模型;(2)系统辨识;(3)测量与状态估计问题;(4)常规控制设计;(5)优化控制设计.,,目前在工业固定床反应器的控制中仍大量应用单输人单输出的古典方法有时甚至采用手控的方式.虽然这些方法对工业应用来说比较方便,但它们的数学基础不够严谨.面对日益,,激烈的全球
7、市场竞争越来越高的产品质量要求和环境保护要求目前工业上对过程控制愈加重视.同时,近二十年来计算机技术的飞速发展也为过程的高级控制提供了条件.在过去的几,,十年中固定床反应器的控制研究得到了广泛的重视国内外学者在实验室反应器和仿真反应器上做了很多的工作,并发表了大量的文献资料.然而固定床反应器控制的文献综述却只有,Ray〔‘〕和Jorgenson(’]两篇另外在Padmanabhan(6]和MeGreavy[3〕等的有关反应器控制综述中亦有一些论述.本文以这些控制文献为基础,并结合近年来的发展,探讨固定床反应器的控制设计中所涉及的上述几个问题.1固定床反应器的模
8、型和行为,气相催化反应在化学工业和废气
