CN108121387A

CN108121387A - 一种放热反应过程的自动开车及优化控制方法

Info

Publication number: CN108121387A
Application number: CN201711324520.8A
Authority: CN
Inventors: 王志国; 寿航; 赵珂; 周怡宏
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-06-05

Abstract

本发明提供一种放热反应过程的自动开车和优化控制方法。所提供方法可实现放热反应过程的一键自动开车，在此基础上，本发明提供的控制优化方法还包括：1)混合罐液位采取超驰控制；2)反应釜温度控制采用分程控制；3)放热反应过程的最优原料比值控制系数和反应釜最优温度设定值的获取方法是，首先在理论值的基础上构造一个数值区间，测量区间节点值上反应釜出口主产物的浓度，然后画出不同节点值对应的主产物浓度平面图，再通过插值法得到连续曲线，最后以浓度最大值所对应节点值为最优值；4)逐渐降低闪蒸罐压力，当主产物浓度达到要求时，以当前压力值为闪蒸罐最优压力设定值。本发明所提供的自动开车和优化控制方法，操作简单，在设备效能和原料使用率上具有优势。

Description

一种放热反应过程的自动开车及优化控制方法

技术领域

本发明涉及化工领域，具体是涉及一种放热反应过程的自动开车和优化控制方法。

背景技术

在化工领域，尤其是在精细化工领域，有许多的放热反应过程存在。这类过程的工艺流程通常包括以下步骤：首先，将至少两种原料按一定比例在混合罐中混合；随后，经过预热后的混合物被注入到反应釜中；反应釜中的混合物在催化剂的作用下进行放热反应，从而生成至少一种产物，反应过程通常包含主反应和副反应，因而其产物也有主产物和副产物；最后，经过分离装置获得所需的主产物。实际中，往往希望主产物有较高的反应转化率。

为保证反应过程的正常运行，首先应确保上述流程中涉及到的各种物理量如：反应釜温度、压力、液位、产物组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，还应确保反应过程处在安全、稳定的生产工况。除此之外，应在确保安全生产的前提下，使主产物的产量尽可能高，因而需要合理控制反应温度、停留时间、反应物料浓度及混合配比等参数。

针对上述放热反应过程的控制系统，国内外研究机构提出有不同的方案。概括来讲，其往往存在以下一个或多个不足：1)参数控制精度不高，单回路控制方案多，先进控制策略少；2)开车过程由操作人员手动完成，不能实现自动化开车；3)开车流程设计不合理，容易导致开车时间过长问题；4)不考虑效能、环境变化等因素，从而造成反应选择性低，产率低，能耗大，甚至存在安全隐患等缺点。

因此，需要提供一种改进的开车和优化控制方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种改进的放热反应过程的自动开车方法。

根据本发明的一个实施例，本发明所述的放热过程包括混合、预热、反应和分离四个阶段，主要目的是使主产物的产量尽可能高。至少两种原料在原料泵的驱动下经过管道进入混合罐，管道上连接有流量计和调节阀，混合罐链接有液位计；混合罐中的混合液经管道连接预热罐，管道上连接有流量计和调节阀，预热罐还设置有温度传感器、预热液进口、预热液出口；预热罐经管道连接反应釜，管道上连接有流量计和调节阀，反应釜设置有冷却夹套、温度传感器、液位传感器和搅拌装置；催化剂在催化剂泵的驱动下经过管道进入反应釜，管道上连接有流量计和调节阀；冷却水在冷却水泵的驱动下经过管道连接反应釜冷却夹套的冷却水进口，管道上连接有流量计和调节阀；反应釜冷却夹套的冷却水出口一路经管道连接预热罐的预热液进口，另一路经管道连接到排出口，管道上连接有流量计和调节阀；反应釜出口经管道连接到闪蒸罐，管道上连接有流量计和调节阀；闪蒸罐设置有液位传感器和压力传感器，闪蒸罐还连接压力控制装置，闪蒸罐出口连接管道，管道上连接有流量计和调节阀。

本发明提供的放热反应过程的自动开车方法包括以下步骤：

1)初始化，将所有控制回路置于手动控制模式下，关闭所有泵和阀门；

2)启动各原料的原料泵，将各原料的进料流量控制回路切换到自动模式，并设置好原料比值控制系数，同时将原料比值控制器切换到自动模式；

3)将混合罐液位的超驰控制回路切换到自动模式；

4)当反应釜的液位值增长时，启动催化剂泵，将催化剂流量控制回路切换到自动模式，并设置好催化剂比值控制系数，同时将催化剂比值控制器切换到自动模式；

5)设置反应釜液位设定值，并将液位控制回路切换到自动控制模式；

6)启动压力控制装置，设置闪蒸罐的压力设定值，并将压力控制回路切换到自动控制模式；

7)设置闪蒸罐的液位设定值，并将液位控制回路切换到自动控制模式；

8)当反应釜温度达温度设定值的80％时，打开反应釜冷却夹套的冷却水出口到预热罐的预热液进口管道上的阀门至全开；

9)将冷却水流量控制回路切换到自动模式，设置反应釜温度设定值，并将温度控制回路切换到自动控制模式。

本发明的另一个目的是提供一种放热反应过程优化控制方法，包括：

1)混合罐液位采取超驰控制，分为两个阶段，在液位没有到液位设定值之前，通过控制混合罐出口调节阀的流量与原料进料流量形成的流量差来使液位上升，当混合罐液位上升至液位设定值时，通过信号选择器选通液位控制器来保证混合罐液位的稳定。

2)反应釜温度自动控制回路采用分程控制方案。当控制量不大于设定值时，控制量作用于冷却水进入反应釜冷却夹套所在管道的调节阀上，当控制量大于设定值时，控制量作用于反应釜冷却夹套的冷却水出口至排出口所在管道的调节阀上。

3)当反应釜液位和温度控制回路动态稳定后，以原料理论进料比值为基础，构造一个数值区间，再将区间分为n段，得到[K₁,K₂…K_n]，分别将进料比值控制系数设置为K_i，记录反应釜出口主产物的浓度，然后分别以比值控制系数和主产物浓度为坐标画平面图，再通过插值法得到连续曲线，最后以浓度最大值对应的比值控制系数为最优原料比值控制系数。

4)在反应釜液位控制回路动态稳定以及原料比值控制系数固定的前提下，以理论反应温度值为基础，构造一个数值区间，再将区间分为m段，得到[T₁,T₂…T_m]，分别将反应釜温度控制回路的温度设定值设置为T_i，记录反应釜出口主产物的浓度，然后分别以温度和主产物浓度为坐标画平面图，再通过插值法得到连续曲线，最后以浓度最大值对应的温度值为反应釜最优温度设定值。

5)在反应釜液位和温度控制回路动态稳定，闪蒸罐液位控制回路动态稳定以及原料比值控制系数固定的前提下，以标准大气压为初始值，

逐渐降低闪蒸罐压力，同时测量闪蒸罐出口主产物的浓度，当主产物浓度达到要求时，以当前压力值为闪蒸罐最优压力设定值。

相比现有技术，本发明所提供的自动开车和优化控制方法，操作简单，反应产率高，产品质量稳定，使用安全，易于扩大产能，

附图说明

图1是本发明的一个实施例的工艺流程图。

图2是本发明实施例中混合罐液位控制方案结构图。

图3是本发明实施例中反应釜温度控制方案结构图。

图4是本发明实施例中进料比值控制系数和主产物浓度关系曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和应用方法有更加清楚的理解，现结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1所示为本发明的一个实施例的工艺流程图。该放热反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，主、副反应均为强放热反应。为了获得较高的反应转化率，采用原料A过量的工艺。正常运行时，应确保反应釜温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，在确保安全生产的前提下，需保证D的产量(D的浓度)尽可能高。

本发明提供的放热反应过程的自动开车方法包括以下步骤：

1)初始化检查，将所有控制回路置于手动控制模式下，关闭所有泵和阀门；

2)启动原料A的原料泵P101和原料B的原料泵P102，将各原料的进料流量控制回路切换到自动模式，并以理论进料比值为原料比值控制系数K1，同时将原料比值控制器切换到自动模式；

3)将混合罐V101液位的超驰控制回路切换到自动模式，如果混合罐V101的液位小于设定值，将流量回路切换到自动模式，控制混合罐V101出口阀门FV1103将混合原料(A+B)以一定流量进入反应釜R101，同时使混合罐V101液位继续缓慢上升，如果混合罐V101的液位不小于设定值，将FV1103的控制回路切换为V101的液位控制回路；

4)当反应釜R101的液位传感器值增长时，启动催化剂泵P103，将催化剂流量控制回路切换到自动模式，并设置好催化剂比值控制系数K2，同时将催化剂比值控制器切换到自动模式；

5)将反应釜R101的液位控制回路切换为自动模式，如果反应釜R101达到设定液位值，则打开反应釜R101底部管线阀门FV1105，反应生成物进入闪蒸罐V102进行闪蒸；

6)启动压力控制装置P104，将闪蒸罐V102的压力控制回路切换到自动控制模式；

7)设置闪蒸罐V102的液位设定值，并将液位控制回路切换到自动控制模式，当达到液位设定值时，启动混合生成物泵P105，并打开混合生成物管线阀门FV1106，罐底液相混合物进入下游分离工序，以分离出产品D；

8)当反应釜R101温度达温度设定值的80％时，使阀门FV1202全开；

9)将冷却水流量控制回路切换到自动模式，设置反应釜R101的温度设定值，并将温度控制回路切换到自动控制模式。

在本发明的优选实施方式中，提供的一种放热反应过程优化控制方法，包括：

1)混合罐液位采取超驰控制方案，分为两个阶段，设定值为50％，在液位上升阶段(即液位小于50％时)通过控制FV1103的流量与入料流量形成的流量差来使混合罐液位上升，并且在这一过程中可以维持FV1103流量的稳定，使反应器的入料流量更加稳定，从而减少反应器温度上升过程的波动；当混合罐液位上升至50％时，通过信号选择器选通液位控制器这一回路来维持混合罐液位的稳定，采用单回路的控制方法，检测混合罐液位，并将液位信号传送至液位控制器，最终将混合罐的液位稳定在50％。图2所示为混合罐液位控制方案结构图。

2)反应釜温度通过FV1201和FV1203分程控制。当控制量为0-60％的时候，将信号送给FV1201，当控制量在60-100％的时候，此时FV1201全开，通过控制FV1203的开度来控制冷却水的流量，以满足反应釜处于不同负荷条件下的温度控制需求，这样的控制方式可以保证冷却水热量的最大利用率。图3所示为反应釜温度控制方案结构图。

3)在反应釜液位和温度控制回路动态稳定前提下，以理论进料比3：1为基础，构造一个数值区间[3，3.1，3.2，…4.0]，分别将进料比值控制系数设置为上述区间节点值，记录反应釜出口主产物的浓度，

然后分别以比值控制系数和主产物浓度为坐标画平面图，再通过多项式插值法得到连续曲线图4，最后以浓度最大值对应的比值控制系数3.1为最优原料比值控制系数。

4)在反应釜液位控制回路动态稳定以及原料比值控制系数固定的前提下，以理论反应温度值为基础，构造一个数值区间[85，86，87，…100]，分别将反应釜温度控制回路的温度设定值设置为上述区间节点值，记录反应釜出口主产物的浓度，然后分别以温度和主产物浓度为坐标画平面图，再通过多项式插值法得到连续曲线，最后以浓度最大值对应的温度设定值96度为反应釜最优温度设定值。

5)在反应釜液位和温度控制回路动态稳定，闪蒸罐液位控制回路动态稳定以及原料比值控制系数固定的前提下，以标准大气压为初始值，逐渐降低闪蒸罐压力，同时测量闪蒸罐出口混合生成王中主产物的浓度，当主产物浓度达到80％时，以当前压力45.9kPa为闪蒸罐最优压力设定值。

以上所述仅为本发明示例性的实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，增加或减少某些装置的使用步骤，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种放热反应过程的自动开车方法，其特征在于，包括以下步骤：

3)将混合罐液位的超驰控制回路切换到自动模式；

2.一种放热反应过程的优化控制方法，其特征在于包括：

1)混合罐液位采取超驰控制，如果液位小于设定值，通过控制混合罐出口调节阀的流量与原料进料流量的流量差控制液位，如果液位不小于设定值，通过信号选择器选通液位控制器来控制混合罐液位。

2)反应釜温度自动控制回路采用分程控制方案，当控制量不大于设定值时，控制量作用于冷却水进入反应釜冷却夹套所在管道的调节阀上，当控制量大于设定值时，控制量作用于反应釜冷却夹套的冷却水出口至排出口所在管道的调节阀上。

3)在理论进料比值基础上，构造数值区间[K1,K2…Kn]，记录不同Ki下的反应釜出口主产物的浓度，然后以比值控制系数和主产物浓度为坐标画平面图，再通过插值法得到连续曲线，以浓度最大值对应的比值控制系数为最优原料比值控制系数。

4)基于理论反应温度值构造数值区间[T1,T2…Tm]，记录不同Ti下的反应釜出口主产物的浓度，然后分别以温度和主产物浓度为坐标画平面图，再通过插值法得到连续曲线，最后以浓度最大值对应的温度值为反应釜最优温度设定值。

5)以标准大气压为初始值，逐渐降低闪蒸罐压力，同时测量闪蒸罐出口主产物的浓度，当主产物浓度达到要求时，以当前压力值为闪蒸罐最优压力设定值。