光化學反應釜溫度控制系統(tǒng)設計（光化學反應儀）

溫度是化學反應釜生產過程中對反應過程影響重要的的因素之一，溫度的控制精度、系統(tǒng)響應速度及穩(wěn)定度是衡量溫度系統(tǒng)性能指標的關鍵因素，準確地控制反應釜內原料在不同溫度下進行化學反應具有重要意義。首先，本系統(tǒng)對反應釜的溫度進行分析，得出了冷劑流量對反應釜內溫度的傳遞函數。其次，通過單片機，利用繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示屏等設計了對反應釜進行加熱與降溫來實現反應釜溫度控制的具體電路和實時系統(tǒng)，對實際化學反應過程中的溫度變化進行模擬，并利用經典控制理論中的PID算法得到反應時的*優(yōu)控制，并給出了詳細的分析步驟和控制算法。*后，通過組態(tài)軟件對整個化學反應過程進行實時監(jiān)控的模擬。

一、背景及國內外研究現狀

1.1 問題研究背景

在化工生產過程中, 連續(xù)反應釜是一種常用的、重要的反應容器。其化學反應機理較為復雜, 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學模型, 致使整套設備的自動化水平較低。而且在反應釜中進行的反應一般屬于放熱反應, 反應放熱量大, 傳熱效果卻不理想, 因此反應釜內溫度一般具有大滯后、非線性等特征。針對反應釜內溫度變化的特點, 設計良好的溫度控制系統(tǒng)是保證產品質量的關鍵。

在我國，盡管大中城市的科學技術和工業(yè)自動化的發(fā)展比較快，但是在眾多的小城市與農村地區(qū)由于經濟不夠發(fā)達，政府扶持力度不夠，存在許多不安全的小規(guī)模化工生產項目，給人們的人生安全與財產安全帶來了一定的威脅。所以，如何更安全的進行化工生產已經成為了政府和各種研究機構亟待解決和完善的事。

1.2 國內外研究現狀

目前關于反應釜溫度控制系統(tǒng)設計問題國內外都有一些研究，并且已經基本滿足了工業(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：過程開始時，全力加熱，直至反應釜溫度距其設定值為t1 度，然后全力冷卻，持續(xù)TD1分鐘，此后，將夾套水溫設定值定在某個合適的中間溫度，持續(xù)TD2 分鐘，*后，用串級PID 控制器控制夾套水溫度。如果參數選擇得當，雙模控制是有效的。

Arthur Jutan 與 Ashok Uppal 提出將反應熱作為一種擾動，采用適當的方法估計出來，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 方法控制反應釜溫度，得到了很好的仿真結果，并且進一步考察了操作條件與過程參數變動時被控過程的魯棒性，發(fā)現GMC的魯棒性明顯強于雙模控制。

為適應化工生產的新特點，一些過程控制領域中的新技術正在由理論研究轉向生產踐，如信息綜合處理技術、現場總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術、軟計算技術和快速仿真技術、多媒體技術等。過程控制采用的技術工具，由基地式儀表、氣動單元式組合式儀表、電動單元組合式儀表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，發(fā)展到現在的可編程單回路、雙回路、三回路調節(jié)器和分散綜合控制系統(tǒng)(DCS)。當前，傳統(tǒng)的DCS 正借助于微處理器硬軟件和通信網絡技術，朝著標準化、開放化和盡量采用市場通用的優(yōu)良硬、軟件的方向，逐漸地、相互融合地向開放的DCS發(fā)展。如Honeywell 的 TPS，它采用通用的軟件將企業(yè)的internet 網與局部控制網、通用控制網和系統(tǒng)總線連接在一起，配備各種平臺、操作站以滿足不同層次使用人員的要求。另外，*近發(fā)展起來的現場總線網絡控制系統(tǒng)(FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統(tǒng)。它把封閉協(xié)議變成標準開放協(xié)議，使系統(tǒng)共有*數字計算和數字通信能力：在結構上，采用了全分布式方案，把控制功能*下放到現場，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 中采用網絡的缺陷。因此對于現場總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。據報道，美國猶他州鹽湖城Flying 煉油廠、孟山都化工廠、我國安慶安菱化工廠、吉林油田甲醇廠已采用FCS，取得了明顯的經濟效益。專家估計，FCS 將在石化行業(yè)得到廣泛的應用。

二、化學反應釜的過程分析

所謂過程系統(tǒng)是指研究一類以物質和能量轉換為基礎的生產過程。為了進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優(yōu)化生產過程，加強生產上的管理，需要研究這類過程的描述、設計、模擬、仿真、控制和管理，*終能夠顯著地增加經濟效益。在了解和掌握了工藝流程和生產過程動態(tài)的基礎上，需要根據生產對控制提出要求。而過程控制就是應用控制理論，對生產過程進行綜合分析并設計出包括被控對象、調節(jié)器、檢測裝置和執(zhí)行器在內的過程控制系統(tǒng)，*后采用合適的技術手段加以實現

2.1反應釜的基本結構  化學反應釜有間歇式和連續(xù)式兩種。間歇式反應釜通常用于液相反應，而連續(xù)式反應釜通常用于均相和非均相的液相反應。

反應釜由攪拌容器和攪拌機兩部分組成，攪拌容器包括筒體、換熱元件級內構件；攪拌機由攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等組成。

筒體為一個鋼罐形容器，可以在罐內裝入物料，使物料在其內部進行化學反應。為了維持反應釜內的反應溫度，需要設置換熱元件。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，通過夾套內壁傳熱，可冷卻或加熱容器內的物料。為了測量釜內的溫度，在罐內裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計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反應釜的工作原理

在進行化學之前，先將反應物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應釜內，在反應釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，進而提高反應釜內的溫度，通過攪拌使物料溫度均勻，當釜內溫度達到預定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學反應正常進行，反應結束后進行冷卻。然而，大多數的化學反應都是放熱反應，在反應的過程中釜內的溫度會進一步上升，所以需要采取一定的技術手段把釜內的溫度控制在某一個適宜的溫度范圍內，使整個化學反應速率一直保持到*大。如果溫度偏低或偏高，會影響反應進行的深度和反應的轉化率，從而影響了產品的質量并浪費了資源。為了是釜內溫度穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用噴霧的形式對放熱反應的釜內進行降溫，從而把釜內的溫度控制在一個適宜的溫度范圍內使之符合工藝要求。

2.3反應釜的控制方案

在設計反應釜控制器時有必要弄清反應釜的控制目標和可能的控制手段。本系統(tǒng)將從將從以下幾個方面考慮控制指標。

（1）能量平衡

要保持反應釜的熱量平衡，應使進入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成的熱量之間相互平衡。能量平衡控制對反應釜來說至關重要，它決定了反應過程中的生產安全，也間接的保證反應釜的產品質量達到工藝要求。

（2）約束條件

與其他化工操作設備相比，反應釜操作的安全性具有更重要的意義沒這樣就構成了反應釜控制中的一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應中，一旦溫度過高或過低，反應物中含有雜質，將會導致催化劑的破損和中毒。在有些氧化反應中，反應物的配比不當會引起爆炸等等。因此，在設計中經常配置報警或自動選擇性控制系統(tǒng)。

反應釜控制指標的選擇是反應釜控制方案設計中的一個關鍵問題。其主要是反應的轉化率、產量、收率、主要產品的含量和產物分布等。如果直接把這些問題作為被控對象，反應要求就得到了保證。但是，由于考慮的指標越多，對整個反應過程的控制就越難準確的控制。并且，由于測量手段的限制某些指標并不便測量，從而難以作為真正的控制指標。然而，反應過程中，溫度和上述指標密切相關，又便于測量，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

反應釜內的溫度控制是化工生產過程的中心環(huán)節(jié)，目的是保證反應過程的產物達到一定質量和控制要求，并確保反應的安全進行。由于溫度能較好地測量與分析，并且能夠一定程度上反映出釜內化學反應的過程，所以選用溫度為間接參數是有效的方法。因此本作品的主要任務就是要實現溫度的智能控制。

要實現溫度的精確控制，就要有精確的溫度傳感器，本作品采用DS18B20溫度傳感器實現多點溫度采集，模擬整個反應釜內物料的溫度采集，其精度較高。然而，反應釜內的溫度有一定的限制，在開始階段，由于溫度低于設定的反應溫度，需要通過加熱裝置對反應釜進行加熱進而提高物料的溫度。當溫度接近催化劑的適溫度時，釜內的原料進行快速反應，并釋放出反應熱，使釜內的溫度上升較快，當溫度超過給定值時，催化劑的活性被抑制，從而使化學反應的速率迅速下降，所以為了將釜內溫度控制在某一適宜的溫度范圍內，本作品采用對釜內進行冷劑噴霧來平衡釜內的溫度，從而使釜內的化學反應始終保持在適宜的狀態(tài)下。

為了便于讀取和控制釜內溫度，本作品采用LCD液晶顯示屏來實現顯示功能，同時通過鍵盤來實現工況、反應釜內要達到的溫度設定。

3.2反應釜的控制算法及其動態(tài)特性

為了對釜內溫度進行較為精確的控制，有必要將反應過程分成釜內物料升溫過程和化學反應開始兩個階段，其每個過程中釜內溫度的變化情況有較大的差異。下面將對這兩個過程加以分析。

（1）升溫過程  一般的化學反應在常溫條件下基本上可以忽略其反應速率，所以需要采用加熱裝置對釜內物料進行加熱。

（2）反應過程  一旦化學反應開始，由于反應過程中會自動放熱，所以釜內溫度會升高的越來越快。當內部溫度達到催化劑適宜的溫度時，化學反應達到*快。當溫度超過給定值時，催化劑的活性被抑制，從而使化學反應的速率迅速下降，所以為了將釜內溫度控制在某一適宜的溫度范圍內，所以采用對釜內進行冷劑噴霧來平衡釜內的溫度，從而使釜內的化學反應始終保持在適宜的狀態(tài)下