光化學(xué)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（光化學(xué)反應(yīng)儀）
溫度是化學(xué)反應(yīng)釜生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)反應(yīng)過(guò)程影響重要的的因素之一，溫度的控制精度、系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)定度是衡量溫度系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確地控制反應(yīng)釜內(nèi)原料在不同溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)具有重要意義。首先，本系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)釜的溫度進(jìn)行分析，得出了冷劑流量對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度的傳遞函數(shù)。其次，通過(guò)單片機(jī)，利用繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示屏等設(shè)計(jì)了對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行加熱與降溫來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度控制的具體電路和實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行模擬，并利用經(jīng)典控制理論中的PID算法得到反應(yīng)時(shí)的*優(yōu)控制，并給出了詳細(xì)的分析步驟和控制算法。*后，通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的模擬。
一、背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.1 問(wèn)題研究背景
在化工生產(chǎn)過(guò)程中, 連續(xù)反應(yīng)釜是一種常用的、重要的反應(yīng)容器。其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜, 受到外界條件、原料純度、催化劑的類型等諸多因素的影響，所以難以建立精確的數(shù)學(xué)模型, 致使整套設(shè)備的自動(dòng)化水平較低。而且在反應(yīng)釜中進(jìn)行的反應(yīng)一般屬于放熱反應(yīng), 反應(yīng)放熱量大, 傳熱效果卻不理想, 因此反應(yīng)釜內(nèi)溫度一般具有大滯后、非線性等特征。針對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度變化的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)良好的溫度控制系統(tǒng)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。
在我國(guó)，盡管大中城市的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展比較快，但是在眾多的小城市與農(nóng)村地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)，政府扶持力度不夠，存在許多不安全的小規(guī)?；どa(chǎn)項(xiàng)目，給人們的人生安全與財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了一定的威脅。所以，如何更安全的進(jìn)行化工生產(chǎn)已經(jīng)成為了政府和各種研究機(jī)構(gòu)亟待解決和完善的事。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前關(guān)于反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外都有一些研究，并且已經(jīng)基本滿足了工業(yè)需求。如Shinskey 與Weinstein 提出的雙?？刂?dual-mode)，采用 bang-bang+PID 控制，其大致步驟為：過(guò)程開(kāi)始時(shí)，全力加熱，直至反應(yīng)釜溫度距其設(shè)定值為t1 度，然后全力冷卻，持續(xù)TD1分鐘，此后，將夾套水溫設(shè)定值定在某個(gè)合適的中間溫度，持續(xù)TD2 分鐘，*后，用串級(jí)PID 控制器控制夾套水溫度。如果參數(shù)選擇得當(dāng)，雙?？刂剖怯行У?。
Arthur Jutan 與 Ashok Uppal 提出將反應(yīng)熱作為一種擾動(dòng)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ü烙?jì)出來(lái)，用前饋控制抵消；余下的部分近似為線性系統(tǒng)，可以用PID 控制。Barry 與Sandro 采用GMC 方法控制反應(yīng)釜溫度，得到了很好的仿真結(jié)果，并且進(jìn)一步考察了操作條件與過(guò)程參數(shù)變動(dòng)時(shí)被控過(guò)程的魯棒性，發(fā)現(xiàn)GMC的魯棒性明顯強(qiáng)于雙模控制。
為適應(yīng)化工生產(chǎn)的新特點(diǎn)，一些過(guò)程控制領(lǐng)域中的新技術(shù)正在由理論研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)踐，如信息綜合處理技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術(shù)、軟計(jì)算技術(shù)和快速仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等。過(guò)程控制采用的技術(shù)工具，由基地式儀表、氣動(dòng)單元式組合式儀表、電動(dòng)單元組合式儀表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，發(fā)展到現(xiàn)在的可編程單回路、雙回路、三回路調(diào)節(jié)器和分散綜合控制系統(tǒng)(DCS)。當(dāng)前，傳統(tǒng)的DCS 正借助于微處理器硬軟件和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，朝著標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化和盡量采用市場(chǎng)通用的優(yōu)良硬、軟件的方向，逐漸地、相互融合地向開(kāi)放的DCS發(fā)展。如Honeywell 的 TPS，它采用通用的軟件將企業(yè)的internet 網(wǎng)與局部控制網(wǎng)、通用控制網(wǎng)和系統(tǒng)總線連接在一起，配備各種平臺(tái)、操作站以滿足不同層次使用人員的要求。另外，*近發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)也是一種新的開(kāi)放式的分布式控制系統(tǒng)。它把封閉協(xié)議變成標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放協(xié)議，使系統(tǒng)共有*數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力：在結(jié)構(gòu)上，采用了全分布式方案，把控制功能*下放到現(xiàn)場(chǎng)，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性：它突破了集散型控制系統(tǒng)DCS 中采用網(wǎng)絡(luò)的缺陷。因此對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。據(jù)報(bào)道，美國(guó)猶他州鹽湖城Flying 煉油廠、孟山都化工廠、我國(guó)安慶安菱化工廠、吉林油田甲醇廠已采用FCS，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。專家估計(jì)，F(xiàn)CS 將在石化行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
二、化學(xué)反應(yīng)釜的過(guò)程分析
所謂過(guò)程系統(tǒng)是指研究一類以物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程。為了進(jìn)一步改善工藝操作，提高自動(dòng)化水平，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，加強(qiáng)生產(chǎn)上的管理，需要研究這類過(guò)程的描述、設(shè)計(jì)、模擬、仿真、控制和管理，*終能夠顯著地增加經(jīng)濟(jì)效益。在了解和掌握了工藝流程和生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)生產(chǎn)對(duì)控制提出要求。而過(guò)程控制就是應(yīng)用控制理論，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行綜合分析并設(shè)計(jì)出包括被控對(duì)象、調(diào)節(jié)器、檢測(cè)裝置和執(zhí)行器在內(nèi)的過(guò)程控制系統(tǒng)，*后采用合適的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)
2.1反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu) 化學(xué)反應(yīng)釜有間歇式和連續(xù)式兩種。間歇式反應(yīng)釜通常用于液相反應(yīng)，而連續(xù)式反應(yīng)釜通常用于均相和非均相的液相反應(yīng)。
反應(yīng)釜由攪拌容器和攪拌機(jī)兩部分組成，攪拌容器包括筒體、換熱元件級(jí)內(nèi)構(gòu)件；攪拌機(jī)由攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等組成。
筒體為一個(gè)鋼罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。為了維持反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，需要設(shè)置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間通入冷卻或加熱介質(zhì)，通過(guò)夾套內(nèi)壁傳熱，可冷卻或加熱容器內(nèi)的物料。為了測(cè)量釜內(nèi)的溫度，在罐內(nèi)裝有鋼制的溫度計(jì)套管，可將溫度計(jì)或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需求還可以外接附件裝置。
2.2反應(yīng)釜的工作原理
在進(jìn)行化學(xué)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進(jìn)行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，進(jìn)而提高反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，通過(guò)攪拌使物料溫度均勻，當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，保持一定時(shí)間的恒溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行冷卻。然而，大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)的過(guò)程中釜內(nèi)的溫度會(huì)進(jìn)一步上升，所以需要采取一定的技術(shù)手段把釜內(nèi)的溫度控制在某一個(gè)適宜的溫度范圍內(nèi)，使整個(gè)化學(xué)反應(yīng)速率一直保持到*大。如果溫度偏低或偏高，會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量并浪費(fèi)了資源。為了是釜內(nèi)溫度穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用噴霧的形式對(duì)放熱反應(yīng)的釜內(nèi)進(jìn)行降溫，從而把釜內(nèi)的溫度控制在一個(gè)適宜的溫度范圍內(nèi)使之符合工藝要求。
2.3反應(yīng)釜的控制方案
在設(shè)計(jì)反應(yīng)釜控制器時(shí)有必要弄清反應(yīng)釜的控制目標(biāo)和可能的控制手段。本系統(tǒng)將從將從以下幾個(gè)方面考慮控制指標(biāo)。
（1）能量平衡
要保持反應(yīng)釜的熱量平衡，應(yīng)使進(jìn)入反應(yīng)器的熱量與流出的熱量及反應(yīng)生成的熱量之間相互平衡。能量平衡控制對(duì)反應(yīng)釜來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，它決定了反應(yīng)過(guò)程中的生產(chǎn)安全，也間接的保證反應(yīng)釜的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到工藝要求。
（2）約束條件
與其他化工操作設(shè)備相比，反應(yīng)釜操作的安全性具有更重要的意義沒(méi)這樣就構(gòu)成了反應(yīng)釜控制中的一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應(yīng)中，一旦溫度過(guò)高或過(guò)低，反應(yīng)物中含有雜質(zhì)，將會(huì)導(dǎo)致催化劑的破損和中毒。在有些氧化反應(yīng)中，反應(yīng)物的配比不當(dāng)會(huì)引起爆炸等等。因此，在設(shè)計(jì)中經(jīng)常配置報(bào)警或自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)。
反應(yīng)釜控制指標(biāo)的選擇是反應(yīng)釜控制方案設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。其主要是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等。如果直接把這些問(wèn)題作為被控對(duì)象，反應(yīng)要求就得到了保證。但是，由于考慮的指標(biāo)越多，對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的控制就越難準(zhǔn)確的控制。并且，由于測(cè)量手段的限制某些指標(biāo)并不便測(cè)量，從而難以作為真正的控制指標(biāo)。然而，反應(yīng)過(guò)程中，溫度和上述指標(biāo)密切相關(guān)，又便于測(cè)量，所以本作品主要將溫度作為被控量。
三、總體方案及控制算法
3.1 總體方案分析
反應(yīng)釜內(nèi)的溫度控制是化工生產(chǎn)過(guò)程的中心環(huán)節(jié)，目的是保證反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)物達(dá)到一定質(zhì)量和控制要求，并確保反應(yīng)的安全進(jìn)行。由于溫度能較好地測(cè)量與分析，并且能夠一定程度上反映出釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，所以選用溫度為間接參數(shù)是有效的方法。因此本作品的主要任務(wù)就是要實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。
要實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，就要有精確的溫度傳感器，本作品采用DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集，模擬整個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度采集，其精度較高。然而，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度有一定的限制，在開(kāi)始階段，由于溫度低于設(shè)定的反應(yīng)溫度，需要通過(guò)加熱裝置對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行加熱進(jìn)而提高物料的溫度。當(dāng)溫度接近催化劑的適溫度時(shí)，釜內(nèi)的原料進(jìn)行快速反應(yīng)，并釋放出反應(yīng)熱，使釜內(nèi)的溫度上升較快，當(dāng)溫度超過(guò)給定值時(shí)，催化劑的活性被抑制，從而使化學(xué)反應(yīng)的速率迅速下降，所以為了將釜內(nèi)溫度控制在某一適宜的溫度范圍內(nèi)，本作品采用對(duì)釜內(nèi)進(jìn)行冷劑噴霧來(lái)平衡釜內(nèi)的溫度，從而使釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)始終保持在適宜的狀態(tài)下。
為了便于讀取和控制釜內(nèi)溫度，本作品采用LCD液晶顯示屏來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示功能，同時(shí)通過(guò)鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)工況、反應(yīng)釜內(nèi)要達(dá)到的溫度設(shè)定。
3.2反應(yīng)釜的控制算法及其動(dòng)態(tài)特性
為了對(duì)釜內(nèi)溫度進(jìn)行較為精確的控制，有必要將反應(yīng)過(guò)程分成釜內(nèi)物料升溫過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始兩個(gè)階段，其每個(gè)過(guò)程中釜內(nèi)溫度的變化情況有較大的差異。下面將對(duì)這兩個(gè)過(guò)程加以分析。
（1）升溫過(guò)程 一般的化學(xué)反應(yīng)在常溫條件下基本上可以忽略其反應(yīng)速率，所以需要采用加熱裝置對(duì)釜內(nèi)物料進(jìn)行加熱。
（2）反應(yīng)過(guò)程 一旦化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始，由于反應(yīng)過(guò)程中會(huì)自動(dòng)放熱，所以釜內(nèi)溫度會(huì)升高的越來(lái)越快。當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到催化劑適宜的溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到*快。當(dāng)溫度超過(guò)給定值時(shí)，催化劑的活性被抑制，從而使化學(xué)反應(yīng)的速率迅速下降，所以為了將釜內(nèi)溫度控制在某一適宜的溫度范圍內(nèi)，所以采用對(duì)釜內(nèi)進(jìn)行冷劑噴霧來(lái)平衡釜內(nèi)的溫度，從而使釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)始終保持在適宜的狀態(tài)下
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