反应釜控制优化技术

发布日期：2023-11-09

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反应釜是化工、医药等合成工艺中的关键设备，广泛应用于合成各类树脂、助剂、添加剂、有机物、染料、涂料、医药中间体、农药中间体等生产装置。随着化工生产过程的安全、效率、环保、节能等要求越来越高，对产品的质量竞争要求越来越高，反应过程的自动化控制和操作优化越来越受到中小企业的重视。由于反应类型很多，如聚合、缩合、发酵、氧化、氯化、磺化、乳化、氢化等等，反应过程大多是间歇生产，而且很多时候需要经常更换产品、配方或工艺，因此反应过程控制存在诸多难点，很多生产过程还是沿用简单的操作模式，甚至采用传统的人工操作的办法，由于整个生产过程没有采用标准化的生产模式，使得各个批次生产出来的产品在品质上存在着一定不确定性，使的企业在安全管理、生产、质检、销售、售后服务上投入了很多不必要的时间和精力，这严重制约了企业稳定和提高产品质量、保证安全生产、提高管理水平和产品竞争力。反应过程控制优化技术将反应过程各操作单元实现自动化控制，并通过软件优化将各个单元整合在一起，从而实现生产配方管理、投料自动化、反应过程自动化、安全自动化。利用新的自动化技术和控制优化技术可以实现反应过程控制和操作的优化，帮助提升产品质量、降低消耗、提高核心竞争力，由于整个自动化系统采用先进的硬件和软件平台，在整个生产过程中可以对操作员提供强大的技术上的支持，这样可以大大减低生产事故发生的概率。

下面金宗企业对反应过程自动化控制的一些通用优化技术进行简述。

反应过程一般包括：根据配方准备原料、原料的计量和投料、反应过程（如滴加、升温、恒温、降温等）控制、出料和后处理操作等过程。在“根据配方准备原料”这个阶段，涉及到的主要是一个配方管理的问题，这个功能主要面向客户的，客户可以根据生产不同牌号的产品调整配方参数。在“原料的计量和投料”这个阶段，主要要处理两个问题，首先是计量问题，其次是逻辑控制上的安全问题，两者的目的就是将原料精确的投入到将要进行反应的反应釜里。“反应过程”是整个生产过程的核心，这个过程控制的好坏决定着产品的质量，在这个过程中都是计算机自动控制的。“出料和后处理”比起前几个阶段虽然简单了不少，但是要想产品质量稳定还是要下不少功夫的。下面列出了过程控制几个阶段所对应的相关技术：

1、生产配方优化管理技术

一个反应釜经常需要生产不同牌号的产品，传统手工操作比较繁琐而且容易出错。计算机配方优化管理技术就是将多种配方输入计算机，根据生产的牌号自动调用配方数据，并实现准确计量和投料控制。

采用配方管理技术使生产变得可靠而简单，由于配方参数是事先设定好的，这样可以最大程度地避免人工操作的差错，同时提高效率，由于是计算机管理配方，客户如果有保密配方的需求可以对查看或修改配方进行权限设置，这样可以保证配方技术的安全。

2、原料投料技术

入釜生产原料形态一般有固体、液体和气体，投料方式有间歇进料、连续进料、滴加进料等，投料进程有反应前投料、反应中投料、反应后投料，投料时反应釜有常压投料、带压投料、真空投料。由于工艺的千差万别、原料特性的不同，每个投料单元都需要专门的设计。每一个单元和每一个进程都需要根据工艺的要求通过软件按一定的顺序组织起来。实现这一要求的方法是顺序控制或批量控制，这是反应过程控制的重要技术手段。通过顺序控制或批量控制可以把十分复杂的投料过程条理化、简单化。顺序控制把操作单元按一定的逻辑关系连接起来，并通过逻辑条件实现投料控制。批量控制可以动态连接操作单元，并在生产进程上可以灵活改变操作单元的逻辑进程。

应根据生产装置的具体特点确定哪一种控制方式。

3、反应过程温度优化控制

反应过程温度控制是反应过程操作中十分重要的一环，也是相对复杂的部分。温度控制的技术水平往往直接影响到产品的质量。控制的效果取决于温度控制方法。

常见的反应温度控制分为升温、恒温、降温几个阶段，或者需要经历多次升温、恒温、降温过程（取决于工艺要求）。根据工艺的不同夹套循环介质一般有水、导热油、蒸汽、冷冻盐水等。在升温阶段要求在最少能耗下或最短时间内或按照一定的速度使反应温度达到工艺要求的恒温温度。如何判断最佳的过渡切入点（即关升温热水阀或蒸汽阀或导热油阀的点），如何实现过渡到恒温的温度波动小，需要一些优化的算法。过渡阶段要求时间短，并要求平稳地进入恒温控制段；恒温阶段要求反应温度控制在工艺要求的偏差范围内。为了实现这些温控目标，需要采用温度控制优化技术如温度预测算法、过渡算法、恒温控制算法等，才能有效地满足各个阶段的温度控制要求。

以下是某种反应过程的控制技术是实例：

该反应前期需要升温、恒温时放热反应需要通夹套冷却水降温、后期需要降温。各阶段控制的描述：

Ø升温阶段

在升温阶段，热水阀打开，通过夹套循环将夹套热量传递给反应釜内，釜内温度逐渐升高，若釜内温度升的太高进入过渡阶段，则可能无法平稳过渡到恒温阶段，同时也增加了升温时间，浪费了热能；若釜内温度升的太低进入过渡阶段，则可能需要较长时间才能达到恒温设定温度，甚至需要二次升温，将会严重影响产品质量。因此寻找一个最优的关热水时刻（过渡切入点），对升温控制很重要。采用温度预测算法，可以获得最优的精确控制。

温度预测算法以设定釜温T0、釜温测量值T1、夹套温度测量值T2=(T2+T3)/2三者为主要参数，以夹套温度变化率、釜内温度变化率或者反应釜传热条件及热平衡算法等为辅助模块，使得在最小能耗下缩短升温时间。其简单形式如下：

T1≥T0－（T2－T0）×σ－K ………………………①

其中 K ：补偿系数

σ：测量系数

Ø过渡阶段

进入过渡阶段，热水阀关闭，夹套通过冷水调节阀，将多余的热量置换出去。在置换过程中有可能出现：（1）夹套补充冷水太多，使得釜温迟迟不能达到设定反应温度；（2）夹套补充冷水太少，夹套温度偏高，抑制不住釜内温度上升趋势，釜温超调导致恒温段釜内温度波动太大，需要长时间的控制调整。这些将直接影响到装置生产效率和产品质量。

过渡给水采用离散算法，能有效控制釜内温度上升速率，达到迅速平稳切入恒温的目的。通过给夹套离散补充冷却水，将反应釜内温度上升速率控制在一定范围之内，其补充水量（幅度）与离散周期时间主要由釜内温度变化率与循环水温度决定。在过渡算法中还引入了多级温度保护机制以避免夹套温度降得太低延长过渡时间或二次升温。

Ø恒温阶段

温度波动是由于反应过程放热量与带走热量不平衡引起的。当釜温上升时，反应热就会迅速增加，反过来又提高了反应温度，如不及时移走热量，温度迅速升高即会造成产品报废或安全问题；若某一随机干扰使釜温下降时，如不及时调节循环量，温度会迅速下降即会造成反应速度过慢或停止。由于在过渡阶段采用离散算法的特殊控制手段，保证了釜温能平稳地进入恒温阶段。

切入恒温后，在正常情况下将设定釜温（T0）作为PID串级调节回路中主环（PID1）设定值，釜内温度（T1）为主环测量值，夹套温度（T2）为副环测量值。

4、安全自动化

反应釜是化工中重要的安全设备，安全自动化是化工生产过程不可或缺的一个组成部分，对一个企业来说，安全是企业的命脉，只有保证安全的前提下，才能谈生产力，所以就引入了“安全自动化”这个概念。安全自动化系统是指对现场各个参数和设备进行监视和连锁控制，当现场的某个参数和设备出现异常或报警时可以采取不同级别的响应，比如报警、连锁单个设备、连锁多个设备甚至紧急停车，在生产控制的计算机控制系统出现故障或是其他安全故障时，安全自动化系统发挥它应有的作用来保证整个现场的安全。所以安全自动化系统要区别于计算机控制系统而独立存在，然而很多现场，企业为了追求成本，把安全自动化系统集成到了计算机控制系统里，在这种情况下，假如计算机控制系统出现故障不能正常工作，集成的安全自动化系统也就失去她的应有的作用，最后极有可能导致安全事故的发生。所以计算机控制系统和安全自动化系统是两个概念，要完全分离开来，让它们各行其职，保证整个生产过程的安全。

5、计算机控制系统

计算机控制系统由操作员站、控制站、现场仪器仪表和设备、各通讯部件组成，一般又叫DCS控制系统。

Ø现场仪器仪表和设备

现场仪器仪表和设备包括一些数据传感器、阀门、电机、等等负责采集数据和执行控制命令的产品。它功能是采集现场要监控的数据发送给控制站或从控制站接收控制命令，它质量的优劣直接影响着整个系统的控制精度和控制效果。

Ø控制站

控制站是整个计算机控制系统的核心部分，它负责处理从操作员站和现场仪器仪表发送来的数据并通过相关算法的运算，最后把控制命令发送给现场的仪器仪表，控制站的优劣体现在两发面，一方面要看控制站的产品的硬件质量和参数，只有产品的硬件和参数可靠才能保证整个控制站长期稳定的工作；另一方面要看工程师对整个项目的技术环节的了解和开放经验和技术水平，只有在对整个生产过程充分了解的基础上，工程师才能做出适合项目的控制方案，充分发挥控制站的功能。

Ø操作员站

操作员站是操作员对控制站进行控制操作的一个平台，她一般由服务器、工程师站、操作站组成。操作员一般直接操作的是操作站，操作员通过操作站可以对整个生产过程进行比较直观的监控，可以对生产的配方进行有效安全的管理、可以对现场的一些关键参数进行记录或做报表等等。

操作员站、控制站、现场的仪器仪表通过一些网络通讯部件进行通讯，使之成为一个整体，这样就构成了一个完整的计算机控制系统，要想整个系统能长期稳定的工作，每个环节都要正常运行，缺一不可。

结束语：一个项目控制技术是由很多环节和单元构成的，所以一个项目成功以否要靠各个环节的协调，包括先进的硬件和软件平台，还有工程师的项目经验和技术水平，只有把几者融为一体，才能够最大限度的发挥它们的作用。

专栏：技术交流

作者： JZ

来源：技术交流

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