8化学反应器的控制

8化学反应器的控制8.1概述第八章化学反应器的控制本章讨论化学反应器的控制在化学与石油工业生产过程中化学反应器占重要地位反应器是进行化学反应的生产设备化学反应器的类型多，反应的机理复杂本章主要内容是化学反应基本规律化学反应器的特性化学反应器的基本控制8.1概述化学反应器的类型•根据反应物料的聚集状态分类•根据反应物进出物料的连续状况分类•根据传热情况分类•根据物料流程分类•根据反应器结构分类化学反应器的控制要求•化学反应过程的特点•质量指标•物料平衡和能量平衡•约束条件化学反应器的基本控制策略•反应物流量控制•流量的比值控制•反应器冷却剂量或加热剂量的控制•化学反应器质量指标的控制8.1概述反应器的类型1．按反应物料的聚集状态分类均相：反应物料处于同一相态，称为均相气相均相反应：烃类热裂解反应。液相均相反应：溶液中的中和反应非均相：反应物料或反应物与催化剂存在有相界面气固催化反应：气液反应；液固反应：液液非均相反应等2.按反应物进出物料的连续状况分类间歇：物料反应后一次取出连续：物料连续进，反应物连续出半连续：物料分批进，反应物连续出3．按传热情况分类绝热：与外界不进行热量交换非绝热：反应物与未反应物间进行热量交换4．按物料流程分类单程：物料经反应后不再进行循环。例如，硝酸生产的氨氧化反应循环：反应的转化率较低时，反应后，未反应物料经分离后循环使用，它与新鲜物料混合再进入反应器进行反应循环：反应转化率高，为抑制副反应，进料中加入不参加反应的物料采用循环流程，不断排除不参加反应物料。如合成氨生产的循环气循环：反应中所需的溶剂循环使用5．按反应器结构分类8.1概述8.1概述分为釜式、管式、固定床、流化床、鼓泡床等釜式反应器：间歇和连续反应釜两类间歇反应釜常用于液相反应，连续反应釜用于均相和非均向液相反应充分搅拌及釜体积较小时，反应过程可仅适用于集中参数系统描述管式反应器：用于大规模气相或液相反应是典型分布参数系统，工程应用时按集中参数处理固定床反应器：用于气-固催化反应实际是分布参数系统，常按集中参数系统处理流化床反应器：用于气-固相反应流化床内的沸腾状态直接影响反应转化率鼓泡床反应器：用于气液非均相反应需控制气相和液相流量的比值需保持一定的液相反应床层和反应温度8.1概述化学反应过程的特点1．遵循质量守恒和能量守恒定律：反应前后物料平衡，能量平衡2．反应严格按反应方程式所示的摩尔比例进行3．许多反应过程需在一定压力、温度和催化剂存在的条件下进行4．化学反应过程除发生化学变化外，还发生相应的物理等5．化学反应的本质是物质的原子、离子重新组合化学反应器控制方案的设计需从质量指标、物料平衡恒能量平衡、约束条件等三方面考虑1．质量指标•直接质量指标是转化率•间接质量指标是反应器温度、温差和出料浓度等2．物料平衡和能量平衡•保持进入反应器各种物料量的恒定，或物料的配比符合要求•循环反应过程中还须保持混合后物料浓度的恒定•反应过程有热效应，需设置相应的热量平衡控制3．约束条件反应用催化剂的活性，反应温度和压力，气流速度等8.1概述三、化学反应器的基本控制策略1．反应物流量控制反应物料的定值控制，控制生成物流量在保证物料平衡时，间接保证能量平衡2．流量的比值控制多个反应物料之间的配比恒定反应转化率或温度指标及时调整相应的比值3．反应器冷却剂量或加热剂量的控制控制放热反应器的冷却剂量或吸热反应器的加热剂量反应物量作为前馈信号4．化学反应器质量指标的控制•直接质量指标是反应转化率或反应生成物浓度•间接质量指标是反应温度或带压力补偿的温度•操纵变量可采用进料量、冷却剂量或加热剂量•也可采用进料温度等进行外围控制8.2化学反应器的特性化学反应器的特性化学反应速度1．化学反应速度2．影响化学反应速度的因素•反应物浓度的影响•反应温度的影响•反应压力的影响•反应浓度的影响化学平衡1．化学平衡2．影响化学平衡的因素转化率1．停留时间2．转化率3．影响转化率的因素化学反应器的热稳定性1．放热线方程2．除热线方程3．静态工作点8.2化学反应器的特性AABrkCCαβ=一化学反应速度1．化学反应速度：z单位时间、单位容积内某一组分A生成或反应掉的摩尔数称A组分的反应速度z对于可逆反应，化合（正）和分解（逆）同时进行因此，可逆反应的反应速度是正反应速度和逆反应速度之差z对并行反应、连串反应的反应速度是各反应速度的代数和8.2化学反应器的特性2．影响化学反应速度的因素反应物浓度的影响反应物的浓度C高，反应时，分子碰撞几率增加，反应速度r提高不可逆反应：A+B→C;12;AABcABCrkCCkCαβγ+=−U可逆反应：z反应温度的影响：对一般化学反应，根据阿累尼乌斯公式：EROokke−=温度升高，反应速度增大。因此，不可逆反应速度随温度升高而增大对可逆反应，温度升高，正反应速率和逆反应速率都增大吸热反应：正反应速率变化率大于逆反应速率变化率，反应速度也增大放热反应：正反应速率变化率小于逆反应速率变化率，反应速度有极大值反应压力的影响：液相反应、固相反应：无影响气相反应：压力增大，单位容积总的分子数增大，反应速度增大8.2化学反应器的特性反应深度对化学反应速度的影响●对可逆反应，随着化学反应的进行，反应物浓度↓，正反应速度↓生成物浓度↑，逆反应速度↑，因此，虽反映深度增加，总的反应速度↓●反应深度用转化率y表示：对可逆反应：A+B→C；转化率y100%AoAAonnn−=×未反应，y=0%;全部反应，y=100%●以一定的入口浓度为基准求出转化率y、反应速度r和温度θ的关系▲相同温度θ下，反应速度r随反应深度（转化率y）的增加而下降▲转化率y达到某值时，正逆反应速度相等，即r=0。用Rc表示r=0的反应速度线▲相同反应深度y下，吸热反应：温度↑，r↑，放热反应：由最大反应速度r▲对放热反应，把各个反应速度线的最大值连接成rm则放热反应的操作线应在该线附近8.2化学反应器的特性U12ABcrkCCkCαβγ=−12ABckCCkCαβγ=12CCABCkKkCCταβ==CPABPKPPταβ=1121112222exp();exp();exp()OOOCOkEEkHkkkkkRRkkRθθθ=−=−==−+12HEE=−+H+θ↑exp()HRθ−+↓cK↓二、化学平衡1．化学平衡常数：z当化学反应速度r=0时，称为化学平衡。用化学平衡常数Kc表示。z对可逆反应：αΑ+βΒγC；反应速度化学平衡时，r=0,即：用浓度表示的化学平衡常数：对理想气体，用分压表示化学平衡常数为：z化学平衡常数与温度的关系：放热反应：为负，温度吸热反应：△H为正，温度θ↑，Kc↑z化学平衡常数的影响：依据平衡移位原理任何一大平衡的体系，当条件（例如压力、温度、浓度等）变化时化学平衡将自发地向削弱或消除这些改变的方向移8.2化学反应器的特性二．化学平衡化学平衡常数的影响：反应物过量，反应向正方向移动：因反应物过量，为削弱或消除它的变化，反应物应多反应掉些生成物移走，反应向正方向移动：生成物移走，为削弱或消除它的变化，应多生成些生成物反应物分子数减少时，如加大压力，有利于正反应：分子数减少，加大压力，可削弱或消除分子数的变化，提高转化率反应物分子数增加时，减低压力，有利于正反应：分子数增加，减低压力，可削弱或消除分子数的变化，提高转化率放热反应要移热，吸热反应要加热：放热反应移热有利于提高转化率，但应与反应速度一起考虑吸热反应移热有利于提高转化率，但应与反应速度一起考虑8.2化学反应器的特性三、转化率1．停留时间：停留时间：V:容积F:体积流量2．转化率：讨论一级不可逆反应，等温状态的最简单情况：A→B可求出：转化率y与停留时间τc有：y3.影响转化率的因素：在相同温度下，增加停留时间，反应几率提高，转化率提高在相同停留时间下，增加温度时反应初期，转化率增加不大反映中期，随温度的升高，转化率增加很快反应后期，反应物减少，转化率也增加不大8.2化学反应器的特性四、化学反应器的热稳定性1．化学反应的热效应●吸热反应：Θ↑→r↑→吸热量↑→Θ↓吸热反应具有热自衡能力，是开环热稳定系统●放热反应：Θ↑→r↑→放热量↑→Θ↑放热反应具有正反馈性质，是开环热不稳定系统2．除热线防城和放热线方程：●放热线方程：QR=(-△H)FCΘy;●除热线方程：QO=FPCP(Θ-Θi);工作点2和3：稳定点，因Θ↑（↓），除热量大（小）于放热量，Θ会↓（↑）工作点1：不稳定点。因Θ↑，放热量大于除热量，使Θ再↑，直到稳定点2同样，如Θ↓，除热量大于放热量，使Θ再↓，直到稳定点33．除热线的影响：除热线斜率：FPCP除热线截距：-FPCPΘi它们的数值影响除热线的位置，并影响工作点有三个交点，只有一点是不稳定点4．放热线的影响●放热线与停留时间有关：停留时间增加，放热线右移–绝热反应–非绝热反应8.2化学反应器的特性8.2化学反应器的特性绝热状态下放热反应的热稳定性停留时间τc不变，入口温度Θi变化：放热线位置不变除热线斜率不变，截距变化，除热线位置左右平移只改变初始工作点，不影响系统的热稳定性但当入口温度过低时，几乎不发生反应停留时间τc变化，入口温度Θi不变化：停留时间变化，表示处理量F变化它一方面，使放热线位置左右平移另一方面，除热线斜率和截距也因F变化而变化因此，对热稳定性有影响例如处理量F↑,则τc↓，放热线右移（成黑线）除热线斜率增大，截距增大，使转化率降低结论：对绝热状态下的放热反应，调整处理量和入口温度对系统热稳定性影响不大，但处理量不能过大，温度不能过低8.2化学反应器的特性非绝热状态下放热反应的热稳定性非绝热状态下的除热线方程是：Qo=FpCp(Θ-Θi)+UA(Θ-ΘC)ΘC使冷剂温度，U是传热系数，A是传热面积停留时间不变时，可改变U和A，来改变除热线位置因此，调整U和A，可改变转化率，并使系统稳定8.3化学反应器的基本控制第三节化学反应器的基本控制出料成分的控制:以成分作为直接控制指标的反应器控制例如，变换炉出口成分CO作为被控变量二、反应过程的的工艺参数作为间接被控变量通常，反应温度作为间接被控变量★进料温度控制★前馈控制★分段控制★改变传热量★分程控制★串级控制三、Ph控制四、化学反应器的推断控制1．烃类转化反应器出口气体中CH4的软测量2．酯化釜中酯化率的软测量和控制3．流化床干燥器湿含量的推断控制五、稳定外围的控制一段转化炉的稳定外围控制六、开环不稳定反应器的控制1．三阶不稳定系统2．四阶不稳定系统8.3化学反应器的基本控制出料成分的控制直接质量指标：反应生成物的成分或反应转化率作为被控变量示例：变换炉出口变换气中CO含量作为被控变量的控制方案生产过程简介：反应式：CO+H2O↑→H2+CO2+Q扰动分析：半水煤气与水蒸气流量的比值半水煤气温度、成份、催化剂活性等比值关系分析的近似式如下：控制方案：半水煤气与水蒸气流量组成比值控制，AC输出作为变比值系数，组成的是变比值控制系统可用变换炉一段温度控制器输出作为变比值系数，组成变比值控制系统实施时的注意事项出口变换气成分检测前应有净化处理，延长分析仪表寿命定期对分析仪表标定，取样管应尽量短半水煤气流量用差压变送器测量水蒸气流量用差压变送器接开方器测量投运时应先投定比值，再投变比值8.3化学反应器的基本控制二、反应过程的工艺参数作为间接被控变量反应器温度、压力、停留时间、进料温度、浓度等都是工艺状态参数通常把反应器温度作为间接被控变量进料温度控制：★改变进入预热器（或冷却器）热剂量（或冷却量），改变反应器进料温度2．改变传热量：★改变传热量的方案可引入或移去反映热，实现温度控制3．串级控制：★反应器温度为主被控变量，载热流量为副被控变量的串级控制★反应器温度为主被控变量，阀后压力为副被控变量的串级控制★反应器温度为主被控变量，夹套温度为副被控变量的串级控制★反应器温度为主被控变量，反应物料的比值为副被控变量的串级控制8.3化学反应器的基本控制8.3化学反应器的基本控制二、反应过程的工艺状态参数作为被控变量4．前馈控制：★进