CN111389320A - 一种用于精细化工反应釜温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精细化工反应釜温度控制方法，用于对间歇式反应釜进行温度控制，包括如下步骤：步骤一、分别获取当前时刻反应室内不同位置的温度，得到当前时刻反应室内的平均温度以及当前时刻反应室内不同位置的温度之间的最大差值；步骤二、分别获取进入夹套中的介质温度、夹套中排出的介质温度、夹套内介质的容积、夹套内介质的密度及夹套内介质的比热容，得到夹套内介质的换热指数；步骤三、根据所述当前时刻反应室内的平均温度、当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值、夹套内介质的换热指数以及反应室内设定温度控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。

Description

一种用于精细化工反应釜温度控制方法

技术领域

本发明属于反应釜温度控制技术领域，特别涉及一种用于精细化工反应釜温度控制方法。

背景技术

在精细化工行业中，反应釜是常用的一种反应容器。而温度是其主要被控制量，是保证产品质量的一个重要因素。反应釜有间歇式和连续式之分，间歇反应釜用于均相和非均相的液相反应，如聚合反应等。间歇式反应釜的工作原理为：在进行化学反应之前，现将反应物按照一定比例进行混合，然后与催化剂一同放入反应釜的反应室内，在反应釜的夹套内通以一定的温度的介质，夹套内的介质与反应室进行热交换，升高或降低反应室内的温度，使反应室内的温度达到设定温度；通过搅拌轴的搅拌使物料均匀并提高热传导速度，使反应室内温度均匀。

发明内容

本发明设计开发了一种用于精细化工反应釜温度控制方法，在反应釜内进行化学反应的过程中，根据反应室内的温度和夹套内的介质换热属性参数，控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度；本发明的目的是结合反应室内的温度和夹套中的换热情况综合调节搅拌轴的转速和介质流量调节阀的度，使反应室内的温度尽快达到需要的反应温度，从而提高反应釜内的反应效率。

本发明提供的技术方案为：

一种用于精细化工反应釜温度控制方法，包括如下步骤：

步骤一、分别获取当前时刻反应室内不同位置的温度，得到当前时刻反应室内的平均温度以及当前时刻反应室内不同位置的温度之间的最大差值；

步骤二、分别获取进入夹套中的介质温度、夹套中排出的介质温度、夹套内介质的容积、夹套内介质的密度及夹套内介质的比热容，得到夹套内介质的换热指数；

步骤三、根据所述当前时刻反应室内的平均温度、当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值、夹套内介质的换热指数以及反应室内设定温度控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。

优选的是，在所述步骤二中，所述介质的换热指数为：

式中，ξ表示夹套内介质换热指数的基数；T_r表示进入夹套中的介质温度，T_c表示夹套中排出的介质温度，ρ表示夹套内介质的密度，C表示夹套内介质的比热容；e表示自然对数的底数。

优选的是，所述介质换热指数的基数的取值范围为：ξ＝0.55～0.60。

优选的是，在所述步骤三中，通过BP神经网络控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度，包括如下步骤：

步骤1、按照采样周期，获取当前时刻反应室内的平均温度

当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set；

步骤2、将获取的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}；其中，x₁为当前时刻反应室内的平均温度系数、x₂为当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值系数、x₃为夹套内介质的换热指数系数、x₄为反应室内设定温度系数；

步骤3、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层向量个数；

步骤4、得到输出层向量o＝{o₁,o₂}；o₁为反应釜的搅拌轴的转速调节系数、o₂为进入夹套内的介质流量调节阀的开度调节系数；

步骤5、控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度，使

其中，

和

分别为第i个采样周期输出层向量参数，n_{i_max}为第i个采样周期反应釜的搅拌轴的最高转速、α_{i_max}为第i个采样周期进入夹套内的介质流量调节阀的最大开度，n_i+1和α_i+1分别为第i+1个采样周期反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。

优选的是，将当前时刻反应室内的平均温度

当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set进行规格化的公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别代表参数

ΔT_max、η和T_set；X_jmax和X_jmin分别为相应参数中的最大值和最小值。

优选的是，所述所述中间层节点个数m为3个。

优选的是，所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，还包括：当

时，对所述反应釜的搅拌轴的转速调节系数进行校正，并根据校正后的反应釜的搅拌轴的转速调节系数控制反应釜的搅拌轴的转速：

其中，所述校正后的反应釜的搅拌轴的转速调节系数为：

其中，χ表示当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值与当前时刻反应室内的平均温度的比值的设定阈值；o₁表示BP神经网络输出的反应釜的搅拌轴的转速调节系数，

表示当前时刻反应室内的平均温度，ΔT_max表示当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值，V_max表示反应室的有效容积，V表示反应室内反应物的体积，T_set表示反应室内设定温度。

优选的是，χ的取值范围为：χ＝0.04～0.05。

本发明的有益效果是：

本发明提供的用于精细化工反应釜温度控制方法，结合反应室内的温度和夹套中的换热情况综合调节搅拌轴的转速和介质流量调节阀的度，使反应室内的温度尽快达到需要的反应温度，从而提高反应釜内的反应效率；而且能够避免单独根据反应室内温度进行调节产生的超调问题。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种用于精细化工反应釜温度控制方法，用于控制间歇式反应釜。所述的用于精细化工反应釜温度控制方法包括如下步骤：

步骤一、分别通过多个温度传感器获取当前时刻反应室内不同位置的温度，得到当前时刻反应室内的平均温度以及当前时刻反应室内不同位置的温度之间的最大差值。

其中，当前时刻反应室内的平均温度为：

式中，T₁、T₂、...、T_n分别表示温度传感器测得的反应室内不同位置的温度，n表示温度传感器的个数。

当前时刻反应室内不同位置的温度之间的最大差值为：

ΔT_max＝T_max-T_min；

式中，T_max为当前时刻T₁、T₂、...、T_n中的最大值，T_min为当前时刻T₁、T₂、...、T_n中的最大小值。

作为进一步的优选，本实施例中采用单线芯片DSI8820数字温度计实现多点温度采集，其测温精度可达0.0625摄氏度，以提高温度测量的精确性，从而提高温度精确控制。

步骤二、通过安装在夹套介质进口处和出口出的温度传感器分别获取进入夹套中的介质温度、夹套中排出的介质温度；并且根据进入夹套中的介质温度、夹套中排出的介质温度、夹套内介质的容积、夹套内介质的密度及夹套内介质的比热容，得到夹套内介质的换热指数。

所述介质的换热指数为：

式中，ξ表示夹套内介质换热指数的基数；T_r表示进入夹套中的介质温度，T_c表示夹套中排出的介质温度，ρ表示夹套内介质的密度，ρ_w表示水的密度，C表示夹套内介质的比热容，C_w表示水的比热容；e表示自然对数的底数。介质的换热指数代表当前进入夹套中的介质的换热能力，换热能力越高，介质和反应室的之间换热效果越好。

介质换热指数的基数ξ可根据经验设定，在本实施例中ξ的取值范围为：ξ＝0.55～0.60，无量纲。

步骤三、根据所述当前时刻反应室内的平均温度、当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值、夹套内介质的换热指数以及反应室内设定温度控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。

作为优选，在本实施例中，通过BP神经网络控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度，包括如下步骤：

步骤1、建立神经网络。

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个信号，这些信号参数由控制系统中的数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_m)^T

输出向量：o＝(o₁,o₂,...,o_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为P＝2。隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，获取当前时刻反应室内的平均温度

当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、夹套内的介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set作为输入参数；由于输入的参数属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入人工神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}；其中，x₁为当前时刻反应室内的平均温度系数、x₂为当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值系数、x₃为夹套内介质的换热指数系数、x₄为反应室内设定温度系数。

具体而言，对于当前时刻反应室内的平均温度

进行规格化后，得到当前时刻反应室内的平均温度系数x₁，

其中，

和

分别为反应室内的的平均温度的最小值和最大值。

对于当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max，进行规格化后，得到当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值系数x₂；

其中，(ΔT_max)_min和(ΔT_max)_max分别为反应室内不同位置的温度的最大差值的最小值和最大值；即整个反应过程(温度控制过程)中，反应室内不同位置的温度的最大差值的最小值和最大值。

对于夹套内的介质的换热指数η，进行规格化后，得到夹套内的介质的换热指数系数x₃；

其中，η_min和η_max分别为夹套内的介质的换热指数的最小值和最大值。

对于反应室内设定温度T_set，进行规格化后，得到反应室内设定温度系数x₄；

其中，T_{set_min}和T_{set_max}分别为反应室内设定温度的最小值和最大值。

得到输出层向量o＝{o₁,o₂}；o₁为反应釜的搅拌轴的转速调节系数、o₂为进入夹套内的介质流量调节阀的开度调节系数。

o₁表示下一个采样周期中反应釜的搅拌轴的转速与当前采样周期中反应釜的搅拌轴的转速最大值之比。即在第i个采样周期中，采集到反应釜的搅拌轴的转速n_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的反应釜的搅拌轴的转速调节系数

后，控制第i+1个采样周期中反应釜的搅拌轴的转速为n_i+1，使其满足：

o₂表示下一个采样周期中进入夹套内的介质流量调节阀的开度与进入夹套内的介质流量调节阀的开度最大值之比。即在第i个采样周期中，采集到进入夹套内的介质流量调节阀的开度α_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的进入夹套内的介质流量调节阀的开度调节系数

后，控制第i+1个采样周期中进入夹套内的介质流量调节阀的开度为α_i+1，使其满足：

步骤2、进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤3、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数。

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，控制反应釜的搅拌轴的初始转速n₀＝0.6n_max；控制进入夹套内的介质流量调节阀的开度α₀＝0.6α_max；其中，n_max为反应釜的搅拌轴的最高转速，由反应釜的搅拌器性能决定；α_max为进入夹套内的介质流量调节阀的最大开度，常规情况下α_max＝100％。

同时，获取当前时刻反应室内的平均温度

当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、夹套内的介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set，通过将上述参数规格化，得到BP神经网络的初始输入向量

通过BP神经网络的运算得到初始输出向量

步骤4、得到初始输出向量

后，即可调节反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。使下一个采样周期的反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度分别为：

获取第i个采样周期中的反应室内的平均温度

反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、夹套内的介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量

通过BP神经网络的运算得到第i个采样周期的输出向量

然后控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度，使第i+1个采样周期时反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度分别为：

在另一种实施例中，还包括：当

时，对神经网络中输出的反应釜的搅拌轴的转速调节系数进行校正，并根据校正后的反应釜的搅拌轴的转速调节系数控制反应釜的搅拌轴的转速：

其中，所述校正后的反应釜的搅拌轴的转速调节系数为：

即

其中，χ表示当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值与当前时刻反应室内的平均温度的比值的设定阈值；o₁表示BP神经网络输出的反应釜的搅拌轴的转速调节系数，

表示当前时刻反应室内的平均温度，ΔT_max表示当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值，V_max表示反应室的有效容积，V表示反应室内反应物的体积，T_set表示反应室内设定温度。根据经验设定χ的取值范围为：χ＝0.04～0.05。

当

时，说明反应室内温度均匀度较差，此时，控制i+1个采样周期时反应釜的搅拌轴的转速为：

在保证反应能够安全进行的前提下，使反应室内温度更快达到均匀，提高反应效率。

本发明提供的用于精细化工反应釜温度控制方法，结合反应室内的温度和夹套中的换热情况综合调节搅拌轴的转速和介质流量调节阀的度，使反应室内的温度尽快达到需要的反应温度，从而提高反应釜内的反应效率；而且通过多反应室内外的多个因素综合进行调控，能够避免单独根据反应室内温度进行调节产生的超调问题。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (8)

1.一种用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、分别获取当前时刻反应室内不同位置的温度，得到当前时刻反应室内的平均温度以及当前时刻反应室内不同位置的温度之间的最大差值；

步骤二、分别获取进入夹套中的介质温度、夹套中排出的介质温度、夹套内介质的容积、夹套内介质的密度及夹套内介质的比热容，得到夹套内介质的换热指数；

步骤三、根据所述当前时刻反应室内的平均温度、当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值、夹套内介质的换热指数以及反应室内设定温度控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。

2.根据权利要求1所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述介质的换热指数为：

式中，ξ表示夹套内介质换热指数的基数；T_r表示进入夹套中的介质温度，T_c表示夹套中排出的介质温度，ρ表示夹套内介质的密度，C表示夹套内介质的比热容；e表示自然对数的底数。

3.根据权利要求2所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，所述介质换热指数的基数的取值范围为：ξ＝0.55～0.60。

4.根据权利要求2或3所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过BP神经网络控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度，包括如下步骤：

步骤1、按照采样周期，获取当前时刻反应室内的平均温度

当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set；

步骤2、将获取的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}；其中，x₁为当前时刻反应室内的平均温度系数、x₂为当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值系数、x₃为夹套内介质的换热指数系数、x₄为反应室内设定温度系数；

步骤3、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层向量个数；

步骤4、得到输出层向量o＝{o₁,o₂}；o₁为反应釜的搅拌轴的转速调节系数、o₂为进入夹套内的介质流量调节阀的开度调节系数；

步骤5、控制反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度，使

其中，

和

分别为第i个采样周期输出层向量参数，n_{i_max}为第i个采样周期反应釜的搅拌轴的最高转速、α_{i_max}为第i个采样周期进入夹套内的介质流量调节阀的最大开度，n_i+1和α_i+1分别为第i+1个采样周期反应釜的搅拌轴的转速和进入夹套内的介质流量调节阀的开度。

5.根据权利要求4所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，将当前时刻反应室内的平均温度

当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值ΔT_max、介质的换热指数η以及反应室内设定温度T_set进行规格化的公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别代表参数

ΔT_max、η和T_set；X_jmax和X_jmin分别为相应参数中的最大值和最小值。

6.根据权利要求5所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，所述所述中间层节点个数m为3个。

7.根据权利要求6所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，还包括：当

时，对所述反应釜的搅拌轴的转速调节系数进行校正，并根据校正后的反应釜的搅拌轴的转速调节系数控制反应釜的搅拌轴的转速：

其中，所述校正后的反应釜的搅拌轴的转速调节系数为：

其中，χ表示当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值与当前时刻反应室内的平均温度的比值的设定阈值；o₁表示BP神经网络输出的反应釜的搅拌轴的转速调节系数，

表示当前时刻反应室内的平均温度，ΔT_max表示当前时刻反应室内不同位置的温度的最大差值，V_max表示反应室的有效容积，V表示反应室内反应物的体积，T_set表示反应室内设定温度。

8.根据权利要求7所述的用于精细化工反应釜温度控制方法，其特征在于，χ的取值范围为：χ＝0.04～0.05。