化学反应过程控制解析

化学反应过程控制解析第1页/共80页2化学反应过程化学反应过程是一种或几种物质变成另一种或另几种物质的过程。一般可用下列化学反应方程式表示式中，A、B等称为反应物，C、D等称为生成物。a、b、c、d等则表示相应物质在反应中消耗或生成的摩尔比例数；

Q为反应的热效应，Q值可以从手册中获得，或用实验测量的方法获得。例如，氨合成反应可写成

上式表示每3摩尔的氢气与1摩尔的氮气，可生成2摩尔的氨，并且产生热量Q。第2页/共80页3化学反应过程的特点

①遵循物质守恒定律和能量守恒定律，反应前后物料平衡，能量也平衡；②反应严格地按反应方程式所示的摩尔比例进行；③反应过程中，除发生化学变化外，还发生物理变化，其中比较重要的有温度和体积的变化；④许多反应需在一定的温度、压力和催化剂存在等条件下才能进行。化学反应在化学反应器中进行，它经常是整个生产过程的核心。化学反应器是化工工业生产过程中的重要设备之一

第3页/共80页4化工反应指标测量

化工生产工艺上要求的指标是达到一定的转化率和反应深度，是一种成分指标。目前成分在线测量还有一定难度。在一定条件下，反应过程中的温度和压力可以反映产品的成分，即间接反映转化率和反应深度。当压力恒定（或已知时），可以用温度来表征转化率和反应深度。反应过程的可控因素有进料温度、浓度，引发剂的添加量，物料的停留时间与反应过程中的温度和压力等。第4页/共80页5化学反应器的类型

按照化学反应器进出物料的状况，可以分为间歇式反应器与连续式反应器两类。间歇式反应器通常应用于生产批量小、反应时间长或在反应的全过程中，对反应温度、压力有严格要求的场合。间歇式反应器的控制大多采用时间程序控制方式，即设定值按照一个预先规定的时间程序变化，因此属一种随动控制系统。（轨线控制）连续式反应器用于基本化工产品生产，连同前后工序一起连续而平稳地生产。对于连续反应器，为了保持反应的正常进行，希望控制反应器内的若干关键工艺参数(例如温度、压力、成分等)的稳定。通常为定值控制系统。

第5页/共80页6化学反应器的类型按照物料的流程，化学反应器可分为单程与循环两类。当反应转化率和收率足够高时，可以采用单程反应方式。物料通过反应器后，不再循环进行再次反应，如图(a)所示，这种方式能耗较小。在单程反应系统中常用的操纵变量有进料温度、进料浓度、进料流量和加入或移去的热量等四个变量。若反应速度比较慢、平衡常数比较小的情况下，物料一次通过反应器的转化过程很不完善，必须将反应产物进行分离，把未反应的物料与新鲜的反应物混合后，再次进入反应器反应，如图(b)所示。对于循环式反应器，除了上述四个变量可供选择作为操纵变量外，又增加了一个循环量。

第6页/共80页7化学反应流程

第7页/共80页8循环式反应器，如在进料中混有惰性物质，则随着循环的进行，将引起惰性物质的积聚，从而影响反应的正常进行，为此必须将循环物料部分放空。例如合成氨过程中的合成气中，常含有甲烷等惰性气体，如不放空部分循环气，则惰性气体的含量就会不断增高。化学反应的速率随温度升高而加快。有些反应过程，在较高的温度下，虽然具有较高的转化率。但由于副反应的存在，同时引起了副产物的增加。这样就不得不降低反应温度来抑制副反应，这样同时降低了主反应的转化率。此时，在工艺流程的安排上只得采用循环型的流程。循环型反应器中除了反应物的循环外，有时也有溶剂的循环使用和为了防止反应过于剧烈而在进料中加入部分反应产物等多种形式。

第8页/共80页9化学反应器的类型反应器的结构形式有釜式、管式、塔式、固定床、流化床等多种反应器形式，它们适用于不同的化学反应，对象特性和对控制的要求也各不相同。第9页/共80页10釜式反应器连续聚合釜是釜式反应器的一例，如图中(a)所示。单体以一定的流量连续进入反应釜，反应物在釜内经历一定的停留时间(取决于物料流量和釜的有效容积)，反应产物连续由釜内流出。间歇式釜式反应器是另一种常见的反应器，它是将一种反应物先注入反应釜内，然后控制另一种反应物的注入过程，直到整个反应过程完成，一次排出反应生成物，开始另一循环。釜式反应器一般带搅拌器，使反应物充分均匀。许多釜式反应器带有夹套，按照反应的热效应，通过夹套对反应过程进行冷却或加热。有些情况，由于反应阶段的不同，需要在反应初期进行加热，而随着反应的进行，在反应的中期和末期进行冷却。第10页/共80页11釜式反应器的控制反应工艺要求的目标通常是达到一定的转化率和反应深度，但直接对其测量有困难。因此，往往代之以温度来间接表征。可控因素是进料温度、浓度、引发剂的添加量、停留时间与釜温等。对于小型反应釜，特别带搅拌器时，对象特性可以用集中参数描述，控制比较方便。大型反应釜，对象特性要用分布参数描述，控制复杂，因此反应釜一般都较小。第11页/共80页12管式反应器

管式反应器结构非常简单，就是一根管道，如图(b)所示。管式反应器是连续反应器。通常也用加热或冷却来解决反应的热效应问题。管式反应器是一个典型的分布参数对象，各点温度和成分都不相同。工程上为了方便，也常将它处理成具有集中参数的对象。管式反应器是典型的大滞后对象。图(c)所示的塔式反应器与管式反应器特性十分相似。它往往伴有物料的逆向混合过程。塔式反应器也是一连续反应器,应用十分广泛。第12页/共80页13固定床反应器

固定床反应器是一种比较古老的反应器，如图(d)所示。如二氧化硫氧化反应器，合成氨生产过程中的变换炉、合成塔都属于这一类型。当需要较大的传热面积时，也采用列管式固定床反应器，如图(e)所示。

2SO2+O2=2SO3CO+H2O=CO2+H2这类反应器目前应用仍很广泛，特别当催化剂价格昂贵或易破损时用得较多。就对象特性而言，固定床反应器严格说来也是一个分布参数系统，但工程上仍然处理成集中参数系统。

第13页/共80页14流化床和移动床反应器

流化床也称为“沸腾床”，在气-固或液-固两相反应中，为了增加反应物之间的接触，强化反应过程，将固相物质悬浮于流体之中，例如硫酸生产中的黄铁矿焙烧炉。沸腾状况直接影响反应的进行，必须保证合适的流体速度和沸腾层的高度，以获得良好的反应效果。在气-固相接触反应中，若催化剂需要再生时，可采用移动床反应器，催化剂从反应器顶部加入，悬浮于气相之中，逐渐下沉，经外部提升后重新加入反应器，这类反应器需要控制的变量较多，如反应温度、气流速度、催化剂的藏量、反应器内压力、反应器与再生器的压差等。控制对象的特性复杂，是一种较难控制的反应器。第14页/共80页15流化床和移动床反应器可以通过改变原料入口温度，也可以通过改变进入流化床的冷剂流量，控制反应温度。由于流化床中固体物料悬浮在空中，气流的速度直接影响流化床的沸腾状况，也影响反应过程。因此，在流化床控制中必须保证合适的气流速度和沸腾层的高度，以保证反应效果。流化床反应器第15页/共80页16化学反应的基本规律

(1)化学反应速度及其影响因素

化学反应速度定义为：单位时间单位反应体积中某一物质摩尔数的变化率式中，ri；为物质i的反应速度，mol／(m3·s)；ni为物质i的摩尔数；t为反应时间，s；VR为反应体积，m3；ci为物质r的摩尔浓度，mol／m3

第16页/共80页17化学反应的基本规律对于不可逆反应，生成物的反应速度为正值；而反应物反应速度为负值。对于下述反应各物质的反应速度关系为例如有第17页/共80页18化学反应的基本规律

(2)浓度对反应速度的影响

对不可逆反应,反应速度与反应物浓度的关系为

（6）

rC为组分C的生成速度；

cA，cB分别为反应物A和B的摩尔浓度；α、β分别为反应物A和B的反应级数，可以是正数或负数、分数或整数；K称为反应速度常数。根据式(6)，显然α、β值为正时，相应的物质浓度越大，反应速度也越大；若数值等于零，该物质浓度对反应速度没有影响；若数值为负时，该物质浓度增加，会抑制反应，使反应速度下降。

第18页/共80页19化学反应的基本规律对于气相反应，由于压压与浓度存在对应关系，所以反应速度可以用分压p表示

(7)式中，pA、pB分别为反应物A和B的分压。(6)、（7）式中，物质A称α级反应物，物质B称β级反应物，整个反应称α+β级反应。

第19页/共80页20化学反应的基本规律对可逆反应，式(6)所示的反应速度为正反应速度；逆反应速度表达式与式(6)类似，只是浓度分别为产物C和D的浓度，反应级数为ρ、γ（与α、β值不一定相同）。对于可逆反应，总的反应速度为正逆反应速度之差

（8）式中，rC为组分C总的生成速度；Kl、K2分别为正向与逆向反应的反应速度常数。对于可逆反应，随着反应的进行，反应物的浓度不断下降，生成物的浓度不断上升。总的反应速度随反应深度的增加而减小，最后反应速度等于零，达到平衡。

第20页/共80页21化学反应的基本规律对于不是单一的反应，例如对于平行反应(A→B，A→C)、串联反应(A→B→C)，则总的反应速度是几个反应速度的代数和，即平行反应

串联反应

第21页/共80页22温度对反应速度的影响

温度对反应速度的影响非常复杂，常见的影响情况如图所示。随着反应温度的升高，反应速度呈指数增长趋势。温度和反应速度的关系，通常用阿累尼乌斯公式表示式中，K为反应速度常数；K0称为频率因子

；

R为气体常数，R=8.3196KJ／(mol·K)，E为活化能，表示使反应物分子成为能进行反应的分子(称活化分子)所需的平均能量，单位为kJ／mol，在一定的温度范围内活化能可视为不变；T为反应器的绝对温度，K。对上式取对数得

第22页/共80页23温度对反应速度的影响(a)随着反应温度的升高，反应速度呈指数增长趋势。(b)表示了lnK与l/T的关系。温度升高使K值增大，从而使反应速度加快。对于可逆反应，温度的升高使正反应速度K1和逆反应速度K2都增加。如果是吸热反应，K1的增加速度大于K2的增加速度，则总的反应速度提高；如果是放热反应，随着温度升高，K1的增长速度小于K2的增长速度，总的反应速度就会下降。第23页/共80页24压力对反应速度的影响

压力是通过改变单位体积内的分子数，增加或减少分子之间相互碰撞机会而影响化学反应平衡。压力对反应物和生成物全是固体或液体的反应没有什么影响。对有气体存在的反应，压力对平衡就有影响。实验证明：压力增加，气相物质的浓度增加，平衡向摩尔数减少的反应方向移动；降低总压力，平衡向摩尔数增加的反应方向移动。

第24页/共80页25压力对反应速度的影响

例：三个摩尔体积的氢和一个摩尔体积的氮，生成两个摩尔体积的氨。如果增加反应压力，平衡向生成氨的方向移动，因为这个方向使系统内总摩尔数减少；反之，降低压力，平衡将沿反应的逆方向移动，整个系统的总摩尔数增加。由此可见，对合成氨反应而言，增加反应压力，对提高氨的平衡浓度有利。第25页/共80页26催化剂对反应速度的影响

催化剂对反应速度的影响是通过改变活化能E来实现的。活化能的改变对反应速度影响很大，所以催化剂对反应速度的影响也很大。对同时进行多个反应的过程，由于催化剂对反应具有很大的选择性，因此，选择合适的催化剂，可以加速某一反应的反应速度。

第26页/共80页27化学平衡及其影响因素

对于可逆反应，当达到某一反应深度时，正逆反应速度相等，总的反应速度等于零，此时就称反应达到了化学平衡。对于可逆反应总反应速度为达到化学平衡时得

即当温度一定时，KC为一常数，称为用浓度表示的平衡常数。KC越大，平衡转化率越高。

第27页/共80页28化学平衡及其影响因素对于完全由气体参加的可逆反应(即气相反应)，如果理想气体定律可以适用，则平衡常数也可以用分压来表示

式中，当总压p和温度T一定时，KP为一个常数，pA、pB和pC分别为组分A、B、C的分压。第28页/共80页29化学平衡及其影响因素反应物与生成物浓度对化学平衡的影响：增加反应物浓度或降低生成物浓度，平衡向增加生成物方向移动；反之，平衡向增加反应物方向移动。这个结论的实际意义表现为两方面。第一，在生产过程中，为了充分利用原料，提高产量，可以降低生成物的浓度，促使平衡沿正方向移动

第二，在生产上为了充分利用某一反应物原料，可以使另一反应物的原料过量，增加反应物浓度，保证某一反应物原料的充分反应，促使反应沿增加生成物方向进行。

第29页/共80页30化学平衡及其影响因素日查德平衡移动原理如果改变平衡状态时的某一条件，使平衡被破坏时，平衡将自动地向减少这种改变的方向移动。化学平衡反映了可逆反应过程的一种极限状态，要达到平衡状态通常需要相当长的时间；而化学反应器的操作目标是得到尽可能多的目的产品。因此，使反应过程远离化学平衡状态，同时使反应朝着最有利的方向进行。只有这样，才能保证有一定的反应速度，并得到尽可能多的目的产品。第30页/共80页31化学平衡及其影响因素仍以氨合成反应为例在一定的反应温度下，增大反应物H2，N2的浓度，减少生成物NH3的浓度，在设备允许的范围内增大反应压力，都将有利于正向反应的进行，有利于氨收率的提高；对于反应温度而言，温度升高，尽管正、逆反应速度均增大，并使化学平衡沿氨的分解方向移动。但只要使反应器中NH3的浓度足够低，逆向反应速度的绝对值就不会太大。第31页/共80页32反应的转化率、产率和收率设有下列化学反应：式中，A为反应物，则可作如下定义

如不存在副反应，则产率为100％。转化率与产率的乘积称为收率

第32页/共80页33反应的转化率、产率和收率转化率、产率或收率是反映反应状况的重要指标，若不存在副反应，它们三者是统一的，可用转化率或收率来衡量反应的好坏；而对于存在副反应的场合，则必须认真分析，根据生产要求来选择，一般以收率最高为目标函数。影响转化率、产率和收率的因素，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。通常情况，反应温度相同时，停留时间越长，转化率越高。但当停留时间已经很长时，继续增加停留时间，影响就不会显著，而在相同停留时间下，随着反应温度的上升，反应加快，转化率也上升，但当达到一定程度后，再增加反应温度，转化率的变化也将不明显。第33页/共80页34化学反应器的动态数学模型

建立反应器的数学模型是一项十分重要的任务。机理模型具有明确的物理意义，有比较严密的科学性。但是由机理建模法来获取反应过程的数学模型往往十分困难，它涉及到物料平衡、能量平衡和反应动力学等一系列问题。本节将以图所示的非绝热连续搅拌釜式液相反应器为例，说明反应器机理模型的建模思路。第34页/共80页35非绝热连续釜式液相反应器第35页/共80页36基本动态方程式

——化学反应速度方程

假设反应器内进行的是一级不可逆放热反应，反应器内温度T和浓度cA是均匀分布的，并分别与产物的出口温度和浓度相同。由此可得到反应物A的反应速度方程为（1）式中，E为反应活化能，kJ/mol；R为气体常数；K0为反应频率因子。

第36页/共80页37基本动态方程式

——物料平衡方程

对于一个化学反应器来说，单位时间内进入系统的物料量减去流出系统的物料量，再加上(或减去)由化学反应生成(或消耗)的物料量，等于系统内该物料累积量的变化率。对于图所示的连续反应器，其总的物料平衡方程为

（2）式中，F0、F分别为进、出物料的体积流量；ρ0、ρ分别为进、出物料的密度；V为反应器的有效体积。反应物A的物料平衡方程式

（3）式中，cA0、cA为进、出物料中反应物A的浓度，rA。为反应器内物料A的生成速度。

第37页/共80页38基本动态方程式

——热量平衡方程式

反应器热量平衡关系为

式中，HR为反应器内累积热量；Ql、Q2为单位时间内进入、离开反应器的物料所带的热量；Q3为单位时间内化学反应的热效应，对于放热反应取“+”，吸热反应取“-”。Q4为单位时间内反应器与外界的换热量，向外散热取“-”，外界向系统供热取“+”，若为绝热反应，该项为0。

第38页/共80页39基本动态方程式

——热量平衡方程式（反应器）为处理问题方便，假设图所示的连续反应器夹套内冷剂的温度与冷剂出口温度Tco相同，并忽略反应器内壁热容；另外，假设进出物料的比热容相同。则反应器内的热量平衡方程式为（4）式中，cp为反应进出物料的平均比热容；Tf为反应进料温度；ΔH为单位反应热，kJ/mol；Ke为载热体与反应器内物料总传热系数；Ae为传热面积。

第39页/共80页40基本动态方程式

——热量平衡方程式（夹套）夹套内冷剂的热量衡算式为

（5）式中，Vc为夹套内冷剂容积；cpc为冷剂的平均比热容；ρc为冷剂的密度；Fc为冷剂的体积流量；Tc1、Tc0分别为冷剂的进出口温度。

假设反应器与夹套内的有效容积V，Vf均保持不变，且进出反应物料的密度相同，由式(2)可得到F=F0。将式(1)、式(2)代入式(3)~式(5)可得

第40页/共80页41化学反应器的动态数学模型

（3）（4）（5）第41页/共80页42反应器的热稳定性

绝大部分工业对象本身都是稳定的，即其开环传递函数的极点均位于根平面的左侧。但是，对于化学反应过程，情况就不完全如此。化学反应的速度随着温度的升高而加快。对吸热反应，与此同时，吸收热量也增多，其结果使温度下降。因此，对温度来讲，吸热反应具有负反馈性质，即开环特性是稳定的。反之，放热反应，随着温度的升高，反应速度将会进一步加快，放热量随之增加，结果导致温度继续上升。所以对于温度变化，这种被控对象具有正反馈性质，这类对象为开环不稳定的。因此必须采取适当的措施，及时移去反应中产生的热量，才能保持系统闭环稳定。

第42页/共80页43反应器的热稳定性仍以上图所示的非绝热连续反应器为例，假设该反应器具有恒定的进料量与进料浓度，则由式(3)可知，在稳态条件下出料的浓度cA为（6）式中，为反应停留时间。同样，由式(5)可知，冷却剂出口温度的稳态值为（7）式中，称为冷却剂的相对换热系数

第43页/共80页44反应器的热稳定性将式(4)改写成（8）其中化学反应所释放的热量为

（9）而反应物流出与冷却剂所带走的热量为

（10）当Q1=Q2时，反应器达到热平衡状态，反应温度为稳态值；而当Q1>Q2时，反应器温度将上升；反之，反应器温度下降。

第44页/共80页45反应器的热稳定性进一步分析Q1与反应温度T的关系。将式(6)代入式(9)，得到（11）令得（12）随着温度的升高，反应生成热Q1单调上升。但由于反应器内反应物浓度的下降，最终反应生成热的变化并不大，当T→∞时,达到上限值。而当T→0时，达到下限值0。第45页/共80页46反应器的热稳定性同理，将式(7)代入式(10)得

（13）式中：得（14）第46页/共80页47上图分别表示了Q1，Q2与温度T的关系，图中曲线表示实际反应曲线，C点为系统的静态工作点。根据物料流与冷却剂的吸、放热情况的不同，可能出现下列几种情况。①直线1，反应器的操作是稳定的。如因扰动而偏离工作点，假定T升高，则导致Q1，Q2同时增加，但由于Q2的增加量大干Q1的增加量，因此T仍然会回到静态工作点C。同样，当T减小时，也能使T上升到C点。故因而该反应器系统是开环稳定的。②直线2的情况，如因扰动而偏离工作点C，假设T升高，则由于反应放热Q1的增加量大于Q2的增加量，结果使T继续上升；反之，当T下降时，则由于Q1的增加量小于Q2的增加量而使T继续下降。但是，图中所示曲线存在E、D两个交点，分别对应于Q1=Q2的情况，故反应器在操作点C受到扰动时，它可能进入新的操作点E或D，它们也对应于反应器的稳定工况。因此，C是一个开环不稳定的工作点。③直线3的情况，工作点C同样是不稳定的。在T偏离工作点C之后，如温度下降，将使反应完全终止，如温度上升，将使反应全部完成。④直线4的情况，反应热曲线与物流吸收热曲线根本不存在交点，即该反应器系统不存在达到热平衡的工作点。自然无法工作。综合以上分析，反应系统工作点C为稳定工况的充分必要条件为

第47页/共80页48反应器的基本控制方案

化学反应的种类繁多，在控制上的难易程度相差很大。当反应速度快、放热量大或由于设计上的原因使反应器的稳定操作区域很小时，反应器控制成为一个非常复杂的问题。此外，对于一些高分子聚合反应，还由于物料的粘度很大，使得温度、流量和压力的正确测量带来很大困难，以致严重影响反应器控制方案的实施。在设计反应器控制方案时，目标可从下列几个方面考虑。

1）控制指标

2）物料平衡和能量平衡

3）约束条件

第48页/共80页49控制指标的选择

首先要明确反应器的控制目标和可能的控制手段。控制指标可以选择反应转化率、产品的质量、产量或收率等直接指标，或与它们有关的间接工艺指标，例如温度、压力、温差等。

如有条件可选择直接指标，否则，只能选择某种间接变量。最常用的间接指标是反应器的温度，但是对于具有分布参数特性的反应器，应注意所测温度的代表性。此外，尽可能将扰动排除在反应器系统之外。

第49页/共80页50物料平衡和能量平衡

为了使反应器的操作能够正常进行，在反应器运行过程中必须保持物料与能量的平衡。特别，对于放热反应，为了保持热量平衡，需要及时除去反应热，以防止热量的积聚；为了保持物料平衡，需要定时地排除或放空系统中的惰性物料，以保证反应的正常进行。

约束条件

反应器操作的安全性具有特别重要的意义。因此，反应器控制中存在一系列约束条件。例如，不少具有催化剂的反应中，一旦温度过高或反应物中的杂质，将导致催化剂的破损和中毒；有些氧化反应中，反应物的配比不当会引起爆炸；流化床反应器中，流体速度过高，会将固相吹走，而流速过低，又会导致固相沉降等。因此，在反应器控制系统设计中需配置报警、联锁或选择性控制等特殊的自动控制环节。第50页/共80页51控制系统设计

反应器最常用的控制方案有1）反应物料流量控制保证进料量的稳定，保证参加反应的物料比例和反应时间恒定。2）流量比值控制物料流量控制方案中，如果每一种进入反应器的物料都采取流量自动控制，则物料之间的比值也必须得到保证。3）反应器入口温度这对反应器容积较小、放热或吸热又不大的反应，影响显著，需要稳定入口温度。对容积大的强放热反应器，入口温度变化对反应影响较小，可以不加控制。4）冷却剂或加热剂的稳定

冷却剂或加热剂往往作为反应温度控制的操纵变量。常作为与反应温度串级时的内环被控变量。

第51页/共80页52被控变量的选择

化学反应器的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。但是，这些指标大多数是综合性指标或成分指标，目前，还缺少在线测量手段，或者测量滞后大、精度差。由于温度和上述指标关系密切，又容易测量。所以，在化学反应器过程控制系统中，大多用温度作为反应器控制中的被控变量。将温度作为反应器控制指标时，要尽可能保证物料量、进料浓度等其它参数的恒定。此外应选择具有代表性的温度点。

第52页/共80页53温度检测点位置

对于带搅拌反应釜、流化床、鼓泡床等内部具有剧烈混合的反应器，内部温度分布比较均匀，检测点位置变化对反应温度的影响不大，都能代表反应釜的温度。对于其它连续生产的反应器(例如固定床、管式反应器等)，反应情况好坏取决于整个反应器的温度分布情况。而温度的测量点是有限的，因此，如何选择一些比较关键的点，使它能反映整个反应情况、或者能够反映反应器的温度分布情况，是反应器温度控制的一个关键。对这一类反应器，温度检测点大致有反应器的进口、出口、内部和进出口温差四种。

第53页/共80页54出口温度作为被控变量

这是最简单的方法。若反应器内各处反应变化不大的情况下，出口温度在一定程度上反映了转化率。但是，用出口温度作为被控变量，由于控制回路的滞后，产品已经离开反应器，控制不及时。此外，反应器出口温度一般并不是最高温度点，并且变化较小。反应变化较大时，难以避免反应器内局部温度急剧升高，造成催化剂受损。对在出口处反应已经趋向平稳的反应器，出口温度不能灵敏地表达反应的情况。因此，直接用出口温度作为被控变量并不多见的。

第54页/共80页55反应器内热点作为被控变量

热点是指反应器内温度最高的点。这点的温度得到控制，可防止催化剂的损坏。但是，热点往往是随着催化剂使用时间的增加而移动。热点往往并不是对扰动最敏感的点。因此在控制上常用对扰动比较敏感的灵敏点，与热点构成串级控制回路。灵敏点位置一般在热点之前，它也会转移。热点和灵敏点位置的确定较困难。应该对反应器多取几个测量点。当灵敏点和热点的距离较近时，串级就失去意义。有些情况仅用灵敏点作为被控变量。

第55页/共80页56第56页/共80页57进口温度作为被控变量

反应温度的变化，是由热量不平衡引起的。对具体反应器，在催化剂稳定情况下，这个不平衡就是由散热状况和进入反应器物料的状态变化所引起的。因此，不管反应器里进行的化学反应如何，只要控制好进入反应器的物料状态和冷却情况，反应的结果大体上就有了保障。在进料组分变化不大、进料流量自动控制的情况下，反应物料的入口温度基本上决定了反应的结果。可以用进口温度作为被控变量，控制好反应器的反应深度。这种控制属于前馈控制，不能反映反应过程及反应终了的情况，特别，当反应热比较大，其它参数又有较大变化时，很难保证反应情况。因此，在实际过程也很少采用。第57页/共80页58温差作为被控变量

如果反应是绝热的，由热量平衡方程可知，转化率和进出口温差成正比。用温差作为被控变量反映转化率，可以排除进料流量和温度对转化率的影响。它比用反应温度衡量转化率更精确些。采用温差作为被控变量的条件是反应必须是绝热的。此外，温差控制不能保证反应器温度本身的恒定。反应器温度的变动，会影响到反应速度等其它因素，使反应不一定处于合适的状态。此外，温差控制的滞后较大，因此控制稳定性一般比较差，不易控制，只有在工况比较稳定的情况下，温差控制才能较正常运行

第58页/共80页59釜式反应器控制系统釜式反应器在化学工业中应用十分普遍，除广泛用作聚合反应外，在有机染料、农药等行业中还经常采用釜式反应器来进行碳化、硝化、卤化等反应。许多情况下釜式反应器不是连续反应过程。反应温度的测量与控制是实现釜式反应器最佳操作的关键问题，下面主要针对温度控制进行讨论。第59页/共80页60单回路温度控制系统

通过调节冷却介质的流量来稳定反应温度，釜温和冷却介质温度差比较大，内部采用搅拌器，保证温度的均匀。温度滞后严重。

第60页/共80页61简单的单回路温度控制系统与前一方案类似，只是冷却介质采用强制循环式，流量大、传热效果好、釜温和冷却介质温度差比较小。改善温度滞后。第61页/共80页62釜式反应器温度串级控制

主被控变量为反应器内温度。副被控变量为夹套温度，控制变量为冷却剂流量。

第62页/共80页63釜式反应器分程控制

分程控制既可以扩大控制范围，也可以有多种控制手段。图为加热、冷却分程控制。其中两个阀门分别为气开、气闭，并且分别对应于温度控制器不同输出信号段。许多时候为时间程序控制。第63页/共80页64聚合釜温度与压力串级控制系统对于某些聚合反应釜，由于容量大、热效应强，而传热效果不大理想。为克服这类反应器滞后特性，提高对其反应温度的控制精度，可采用釜内温度与压力串级控制系统。第64页/共80页65大部分聚合反应釜是一个封闭容器，压力改变实质上是温度变化的前奏。而且压力的变化及其测量都要比温度来得快。以压力为副变量的串级控制系统能够及时感受到扰动的影响，提前产生控制作用，克服反应釜的滞后，提高反应温度的控制精度。温度是间接质量指标，不同的压力，温度也不同。可采用具有压力补偿的釜内温度控制系统。第65页/共80页66带压力补偿釜温控制系统第66页/共80页67带压力补偿釜温控制系统系统用压力信号的变化来补偿釜内温度，其实际控制效果比串级控制方案更好。