反應(yīng)釜溫度過程分析及控制模型建立案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27038反應(yīng)釜溫度過程分析及控制模型建立案例 16221.1反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及其工藝特性 177161.1.1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu) 2291231.1.2反應(yīng)釜生產(chǎn)過程的工藝參數(shù) 3140971.1.3反應(yīng)釜工作特性 4187791.2溫度控制系統(tǒng)模型建立介紹 4173561.1.1模型的種類 4309061.1.2溫度對反應(yīng)速率的影響 511871.1.3升溫階段 6231672-3對溫度控制指標(biāo)的描述 81.1反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及其工藝特性連續(xù)、間歇性生產(chǎn)為工藝流程的不同生產(chǎn)方式，隨著科技的發(fā)展，小批量，多樣化、多品種等生產(chǎn)方式被各個企業(yè)所采納。小批量生產(chǎn)、多批次品種、反應(yīng)時長高、間斷式生產(chǎn)的產(chǎn)品成為反應(yīng)釜的主要功能，因而廣泛應(yīng)用于各個企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)中。其控制圖和間歇反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1間歇反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖1.1.1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)反應(yīng)釜由反應(yīng)釜本體、反應(yīng)釜蓋、夾套、攪拌器、傳動裝置、軸封裝置、支架等組成，當(dāng)攪拌裝置高徑比較大時，可采用多層攪拌葉片，可根據(jù)用戶要求選擇，夾套置于茶壺外壁，或換熱面固定在反應(yīng)釜內(nèi)，或外循環(huán)換熱，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過160轉(zhuǎn)/分時，應(yīng)使用減速器、孔數(shù)、規(guī)格或其它要求可根據(jù)用戶要求設(shè)計制作。連續(xù)式反應(yīng)釜通常用于連續(xù)批量生產(chǎn)，間歇反應(yīng)釜通常用于小批量生產(chǎn)，由上所述，現(xiàn)在小批量生產(chǎn)發(fā)展前景不可估量，正因?yàn)槿绱怂拍茉诟鱾€行業(yè)之間穩(wěn)步立足，被各個行業(yè)廣泛應(yīng)用，更能滿足生產(chǎn)過程的需要。反應(yīng)釜所用的復(fù)合材料：搪瓷、不銹鋼、碳錳鋼等；換熱結(jié)構(gòu)：夾套式、電加熱式等。在我們現(xiàn)實(shí)所用生產(chǎn)工程中，選擇反應(yīng)釜的材料和參數(shù)時我們必須事先了解系統(tǒng)的功能[13]。其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，如表1.3部件介紹。圖1.2結(jié)構(gòu)介紹表1.3組成部件介紹標(biāo)號名稱標(biāo)號名稱標(biāo)號名稱標(biāo)號名稱1罐體5攪拌器9進(jìn)料口13出料口2夾套6攪拌軸10排污口14導(dǎo)熱油進(jìn)口3釜內(nèi)蛇形管7傳動裝置11冷凝器15導(dǎo)熱油出口4視鏡8磁力耦合器12回流罐16罐體支架1.1.2反應(yīng)釜生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)原料重量、進(jìn)料閥輸入、導(dǎo)熱油輸入、導(dǎo)熱油溫度、釜的溫度、攪拌器、發(fā)動機(jī)等為反應(yīng)釜生產(chǎn)過程中的控制參數(shù)[14]。（1）進(jìn)料前，要計算出原料的準(zhǔn)確質(zhì)量，一定要達(dá)到原料之間的標(biāo)準(zhǔn)配制比例。配制比例不同會生產(chǎn)出和需要生產(chǎn)出的產(chǎn)品不同的物質(zhì)或者直接使此次產(chǎn)的產(chǎn)品報廢，因此生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的必要條件是要求原料配比達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。添加到制備罐中的不同原料的質(zhì)量通過電子稱重傳感器傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中去，之后根據(jù)之前預(yù)存好的工藝配方控制相應(yīng)進(jìn)料閥的輸入原料的質(zhì)量，最后準(zhǔn)確完成原料配比。（2）通過監(jiān)測器查看導(dǎo)熱油的輸入和輸出溫度，由此可以大致估計出反應(yīng)釜的溫度，提高溫度控制的精度。導(dǎo)熱油的溫度是監(jiān)測導(dǎo)熱系數(shù)的一個指標(biāo)。（3）在反應(yīng)過程中，可以利用導(dǎo)熱油的溫度來控制反應(yīng)釜內(nèi)所加原料的溫度，然后控制攪拌器轉(zhuǎn)速讓它轉(zhuǎn)動起來，這樣就可以使釜內(nèi)的原料分布均勻、混合均勻，溫度分布均勻，能有效抑制飛溫現(xiàn)象。反應(yīng)釜內(nèi)原料的溫度參數(shù)是控制過程的最終參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。（4）為了確保生產(chǎn)的安全進(jìn)而控制釜內(nèi)壓力。釜內(nèi)壓力不能超高，否則會使反應(yīng)釜發(fā)生爆炸，所以這也是工藝流程的一個重要參數(shù)。但是如果反應(yīng)釜內(nèi)壓力不達(dá)標(biāo)并且密封性能低同樣會影響產(chǎn)品的合格率。在工藝開始前，對釜內(nèi)進(jìn)行充壓，來檢測反應(yīng)釜內(nèi)的密封性。在工藝生產(chǎn)過程中，不同的生產(chǎn)設(shè)備要根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配制，在釜內(nèi)施加不同的壓力值。因?yàn)楦獌?nèi)的壓力會對原料的沸點(diǎn)及反應(yīng)速率有至關(guān)重要的影響。要想使反應(yīng)釜中的原料達(dá)到反應(yīng)過程中需要的溫度時，在反應(yīng)釜中添加壓力時要遵循適當(dāng)?shù)脑瓌t。（5）攪拌器速度過慢或停止轉(zhuǎn)動，反應(yīng)所產(chǎn)生的所有熱量會積聚在一起，會使反應(yīng)速度極快并且隨時都會有生命危險，而且一直保持高速攪拌狀態(tài)會造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。因此攪拌速度也是一個需要監(jiān)測的重要參數(shù)[15]。1.1.3反應(yīng)釜工作特性在企業(yè)工藝生產(chǎn)過程中反應(yīng)釜是一個不可或缺的設(shè)備，其實(shí)它自己本身就伴隨著各種化學(xué)反應(yīng)原理，使系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的滯后、時變、非線性等問題[16]。在生產(chǎn)過程中，要熟悉產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，掌握產(chǎn)品的工藝流程反應(yīng)特性。準(zhǔn)備階段、加熱階段、恒溫階段和冷卻階段為反應(yīng)釜溫度控制的幾個階段，釜內(nèi)溫度隨時間的變化和均勻性都會影響溫度變送器將溫度信號傳送給控制單元。反應(yīng)釜的溫度控制是產(chǎn)品質(zhì)量的保證。在升溫階段，釜內(nèi)的溫度根據(jù)正比例實(shí)時變化，控制單元中的溫度值與實(shí)際溫度值之間的聯(lián)系存在時間間隔，故傳遞的滯后性就體現(xiàn)出來，溫度甚至?xí){(diào)。所以應(yīng)該提前控制好釜內(nèi)溫度不讓溫度超標(biāo)，就可以盡量避免溫度超調(diào)，但還需要反應(yīng)時間盡量短些，這也成了一大難點(diǎn)所在[17]。處于恒溫階段過程中的放熱反應(yīng)溫度變化十分劇烈。在此階段，在反應(yīng)結(jié)束之前要盡量多的排除多余的熱量來維持釜內(nèi)溫度平衡。工藝所需要的最后成品也會在這個階段生成出來。因此，現(xiàn)階段溫度控制的關(guān)鍵和重點(diǎn)是保持反應(yīng)釜溫度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。1.2溫度控制系統(tǒng)模型建立介紹要想建立一個成型的溫度控制數(shù)學(xué)模型，就要從本質(zhì)上了解反應(yīng)釜中溫度控制的內(nèi)在特點(diǎn)，再根據(jù)控制過程的類型和具體要求選擇合適的算法進(jìn)行研究，我們還需要了解模型的含義、類型和方法。1.1.1模型的種類在一個特定的過程中，相關(guān)模型對相關(guān)因素的影響沒有進(jìn)行考慮；要相對相關(guān)要素進(jìn)行考慮取決于所研究的對象。模型是對過程或?qū)ο蟮目陀^描述，是解釋其內(nèi)在規(guī)律、形式和結(jié)構(gòu)的表達(dá)工具[18]。例如，為了研究工藝生產(chǎn)的相關(guān)計劃，就不需正面反映反應(yīng)釜的動態(tài)性能，而需反映產(chǎn)品（質(zhì)量）、原料及成品（銷售、庫存）的變化；了解反應(yīng)釜的動態(tài)性能之后，才能更好的研究出產(chǎn)品的最佳質(zhì)量。1.1.2溫度對反應(yīng)速率的影響工藝流程中至關(guān)重要的因素是溫度的影響，如果對它不加以重視則會對生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)速率等有嚴(yán)重影響。如果釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度加快，使釜內(nèi)溫度迅速上升則是對溫度沒有嚴(yán)格控制，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)的正反饋現(xiàn)象。工藝生產(chǎn)過程中反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系如下列公式來表示。（2-1）式中K反應(yīng)速率常數(shù)，l/s；k0頻率常數(shù)，L/(mol/h)；--活化能，[分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的（平均）能量]；R摩爾氣體常數(shù)，R=8.314472J/(mol·k)；T熱力學(xué)溫度（絕對溫度K）；可以根據(jù)上式得，擾動會影響到反應(yīng)釜的溫度使反應(yīng)速率和放熱速率也加快，這將會進(jìn)一步加速放熱反應(yīng)，并進(jìn)一步提高反應(yīng)釜溫度，即反應(yīng)溫度與反應(yīng)速率、放熱速率呈顯正相關(guān)[19]，如果不制止的話，就會出現(xiàn)嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全的“爆釜”現(xiàn)象，三者之間的關(guān)系如圖1.4所示。圖1.4正反饋關(guān)系圖反應(yīng)開始時，原料加入釜后，反應(yīng)物不會在溫度環(huán)境和大氣壓下發(fā)生反應(yīng)，直至加熱到反應(yīng)所需要的溫度才能讓釜內(nèi)原料得以進(jìn)行反應(yīng)。在此階段，反應(yīng)釋放出大量熱量。通過檢測可以得知釜內(nèi)升溫速率，它和工藝流程規(guī)定的溫進(jìn)行對比之后，若釜內(nèi)溫度比規(guī)定值高則加熱終止，后續(xù)情況由自身釋放來完成，反應(yīng)釜內(nèi)的熱平衡關(guān)系：反應(yīng)釜內(nèi)積累的熱量=交換熱量-交換中損失熱量。進(jìn)入下圖第二階段后劇烈放熱，溫度變化如下圖1.5所示。從下圖可以看出第二階段占總反應(yīng)時間的一半以上，此階段會影響產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后的質(zhì)量問題。它被認(rèn)為是反應(yīng)釜溫度控制的核心階段，是建模過程中的主要研究對象，這一階段反應(yīng)釜中熱量公式是：釜中熱量=反應(yīng)產(chǎn)生的熱量-交換熱量-交換中損失熱量。圖1.5溫度變化曲線1.1.3升溫階段在生產(chǎn)的初始階段，原料按一定比例加入反應(yīng)釜，在上位機(jī)中設(shè)置恒溫后，然后開始進(jìn)行加熱，反應(yīng)釜內(nèi)溫度將得以提高。升溫階段是：導(dǎo)熱油被加熱棒進(jìn)行加熱，之后導(dǎo)熱油通過反應(yīng)釜壁將熱量傳遞給反應(yīng)釜內(nèi)的原料，不管其他細(xì)節(jié)影響時，就可以認(rèn)為是下列公式所表示的那樣：（Q--加熱棒加熱出的熱量；--釜內(nèi)收集的熱量；--對外界環(huán)境丟失的熱量）（2-2）的公式可以這樣表示：（2-3）式中：C反應(yīng)釜熱容；T釜內(nèi)溫度；t反應(yīng)時間。如下列所示：（2-4）式中：室內(nèi)溫度；R熱阻由于釜內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于外界溫度，因此可以忽略不計，表達(dá)式：（2-5）把式子2-3和2-5帶入2-2中：（2-6）式中:C反應(yīng)釜熱容量；T釜內(nèi)溫度；R熱阻。對式2-6進(jìn)行拉氏變換得：（2-7）整理得：（2-8）我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)建模成功的目的并不影響動態(tài)性能的前提下，所建的模型要簡單。從高階到低階、從復(fù)雜到簡單等簡化模型必須能夠使模型更接近機(jī)理更符合實(shí)際過程。從系統(tǒng)機(jī)理出發(fā)，在釜的溫度控制中采用閉環(huán)系統(tǒng)的控制方式，便可以滿足各種要求?？刂破饕苑磻?yīng)釜內(nèi)固定溫度與實(shí)際溫度之差為系統(tǒng)輸入，導(dǎo)熱油閥門開度為系統(tǒng)控制[21]，反應(yīng)釜內(nèi)調(diào)節(jié)溫度為輸出，為了實(shí)時調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，其數(shù)學(xué)模型可視為一階延遲環(huán)節(jié)。（2-9）式中T時間常數(shù)；K比例系數(shù)；滯后時間系數(shù)；再根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)算出滯后環(huán)節(jié)這個參數(shù)具體數(shù)值。2-3對溫度控制指標(biāo)的描述結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要來看溫度控制的要求也較多，需要控制的方面如下展示：（1）溫度-20~220℃是反應(yīng)釜要一直保持的溫度，高、中、低階段為溫度控制的重要監(jiān)管階段。在第一個階段：導(dǎo)熱油被蒸汽及加熱棒加熱，最高可到250℃；第二個階段：20℃的自開水對反應(yīng)之后的反應(yīng)釜進(jìn)行降溫，本階段不用于過程反應(yīng)中的溫度調(diào)節(jié)；第三個階段：冷卻水對導(dǎo)熱油進(jìn)行降溫，可使導(dǎo)熱油降至-20℃。（2）精度在溫控過程中定要精確控制反應(yīng)釜中的溫度，此精度表示為此過程恒溫值與規(guī)定值的差值，要