CN111974323A - 一种反应釜温度控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反应釜温度控制的方法，包括以下步骤：通过反应釜内的釜内温度计测得反应釜内物料的实际温度，测得的实际温度反馈至控制系统中，控制系统将反馈回来的物料的实际温度与设定温度值进行比较，通过PID控制模块输出一个虚拟输出值；控制系统通过阀门开闭转化模块将PID控制模块输出的虚拟输出值转化成转化成高温介质、低温介质切换阀门的开闭切换以及高温介质、低温介质流量调节阀的开启度变化。采用上述技术方案后，本发明可对釜内温度实现PID控制，温度控制精度高，稳定性好；实现容易，自动化程度高，控制精度好，操作简单，安全可靠。

Description

一种反应釜温度控制系统及方法
技术领域
本发明涉及材料化工领域，尤其涉及一种反应釜温度控制系统及方法。
背景技术
在化工行业，反应釜是一种广泛使用的生产设备。在生产过程中，有许多条件因素影响着产品质量，其中，反应温度的控制是决定产品质量和设备安全性最重要的因素。如何实现对反应釜温度的精准、便捷和节能控制是化工设备设计与制造的重要环节。
在化工生产中，许多物料合成采用间歇反应过程，间歇反应过程中存在不同阶段，导致整个反应过程非常复杂。传统上，对反应釜进行加热或者冷却是通过分别采用高温介质(如热导热油、热水)或低温介质(如冷导热油、冷水、冷冻盐水)进行热交换来实现的。为了适应工艺要求，常常在加热后需要立刻进行冷却，此时需要将反应釜夹套内的高温介质直接切换为低温介质。在高温介质与低温介质直接切换的时候，会引发反应釜温度的大幅度波动，特别是高温介质与低温介质温差较大的时候，这种波动尤为明显。此外，高温、低温介质的频繁交换，导致高温介质混进低温介质或者低温介质混进高温介质，导致加热高温介质及冷却低温介质的能耗较大。
针对这一问题，也有在反应釜内部将高温、低温介质隔绝进行控温的方式。比如，在反应釜中采用夹套与盘管搭配，热介质走盘管，冷介质走夹套的方式。然而，这种设计导致反应釜结构复杂，设备制造难度大，而且这种方式无法制造小型反应釜。另有专利(徐学明.一种反应釜温度控制系统[P]，2018,CN 207838978)提出了一种新的反应温度控制方式，该控制方式中，采用了三种不同温度的导热介质，第一种是比反应温度高的高温介质，用于反应釜的加热；第二种是介质温度跟反应温度接近的常温介质，用于对反应釜保温；第三种是比反应温度低的低温介质，用于对反应釜冷却。该方式可实现温度的精确控制，但需要采用三种温度的介质，共用工程复杂，能耗较大；此外，该控温方案中每个反应釜都需要导热介质内循环泵，导致反应装置复杂，特别是在多套反应釜的情况下尤为明显。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种反应釜温度控制系统及方法，能够克服现有的技术中高温介质、低温介质切换频繁、反应釜结构或者控制硬件结构复杂以及能耗偏大的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种反应釜控制系统，其结构包括带导热介质夹套的反应釜、釜内温度计、高温介质进口流量调节阀、高温介质进口切换阀、高温介质出口切换阀、低温介质进口流量调节阀、低温介质进口切换阀和低温介质出口切换阀以及控制系统；
所述的釜内温度计装于釜内，用于测量反应釜内反应物料的温度并反馈至控制系统；
所述控制系统分别与高温介质进口流量调节阀、高温介质进口切换阀、高温介质出口切换阀、低温介质进口流量调节阀、低温介质进口切换阀、低温介质出口切换阀相连接，用于控制高温介质或者低温介质通过反应釜的夹套对反应釜内部反应物料加热或者冷却以达到将温度控制在需要的范围；
所述反应釜的底部上设置有一介质总进口管路，所述介质总进口管路上并联有低温介质进口管道、高温介质进口管道，所述低温介质进口管道上设置有低温介质进口切换阀、低温介质进口流量调节阀，所述高温介质进口管道上设置有高温介质进口切换阀、高温介质进口流量调节阀，所述反应釜的顶部上设置有一介质总出口管路，所述介质总出口管路上并联有低温介质出口管道、高温介质出口管道，所述低温介质出口管道上设置有低温介质出口切换阀，所述高温介质出口管道上设置有高温介质出口切换阀。
进一步的，所述控制系统包括PID控制模块、阀门开闭转化模块、阀门开闭比对模块和报警输出模块。
本发明还提供了一种反应釜温度控制的方法，包括以下步骤：
(1)通过反应釜内的釜内温度计测得反应釜内物料的实际温度，测得的实际温度反馈至控制系统中，控制系统将反馈回来的物料的实际温度与设定温度值进行比较，通过PID控制模块输出一个虚拟输出值；其中，虚拟输出值的变化是随着物料的实际温度的上升而减少；
(2)所述控制系统通过阀门开闭转化模块将PID控制模块输出的虚拟输出值转化成转化成高温介质、低温介质切换阀门的开闭切换以及高温介质、低温介质流量调节阀的开启度变化。
进一步的，步骤(2)中，当虚拟输出值小于设定温度值时，低温介质切换阀、低温介质调节阀开启，反应釜夹套中通入低温介质，且随着虚拟输出值的变小，低温介质调节阀的开度变大，两者之间是负线性关系；当虚拟输出值大于设定温度值时，高温介质切换阀、高温介质调节阀开启，反应釜夹套中通入高温介质，且随着虚拟输出值的变大，高温介质调节阀的开度变大，两者之间是正线性关系；当高温介质进口切换阀、低温介质进口切换阀关闭，高温、低温介质都没有进反应釜夹套时，高温介质出口切换阀关闭，低温介质出口切换阀开启，以保证反应釜夹套不成密闭体系而导致的压力释放不出去的情况。
进一步的，所述高温介质进口流量调节阀、高温介质进口切换阀、高温介质出口切换阀、低温介质进口流量调节阀、低温介质进口切换阀和低温介质出口切换阀还分别附带有阀门开闭位置反馈，会将阀门开闭位置信号反馈给控制系统。
进一步的，所述阀门开闭比对模块能够将阀门开闭位置信号与来自阀门开闭转化模块的信号进行比对；当比对不一致时，会输出阀门错误信号至报警输出模块。
进一步的，所述PID控制模块还设置有温度上限Tmax和温度下限Tmin；当温度计反馈回来的反应釜温度信号大于温度上限Tmax或者低于温度下限Tmin时，将会输出温度报警信号至报警输出模块。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用了直接测量釜内温度实现反应釜温度控制，可多套装置同时共用用一套导热介质加热系统、导热介质冷却系统，设备结构简单。
2、本发明可对釜内温度实现PID控制，温度控制精度高，稳定性好。
3、本发明实现热导热介质、冷导热介质的切换，并实现切换的同时不会互相串扰，热、冷导热介质实现了流量控制，节约了加热导热介质与制冷导热介质的能源。
4、本发明采用成熟的硬件加软件控制，整个系统对硬件容易实现；在控制系统中加入了阀门开闭比对模块和报警输出模块，提高了自动化程度、系统稳定性及安全性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明反应釜温度控制方法示意图；
图2为本发明反应度温度控制方法控制系统控制逻辑示意图。
图中：反应釜1；釜内温度计100；高温介质进口流量调节阀11；高温介质进口切换阀12；高温介质出口切换阀13；低温介质进口流量调节阀21；低温介质进口切换阀22；低温介质出口切换阀23；高温介质进j1；高温介质回j11；低温介质进j2；低温介质回j21；PID控制模块31；阀门开闭转化模块32；阀门开闭比对模块33；报警输出模块34。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例
如图1所示，一种反应釜控制系统，该系统中，温度控制系统包括带导热介质夹套的反应釜1，釜内温度计100，高温介质进口流量调节阀11、高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13、低温介质进口流量调节阀21、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23；
所述的釜内温度计装于釜内，用于测量反应釜内反应物料的温度并反馈至控制系统，控制系统控制高温介质进口流量调节阀11、高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13、低温介质进口流量调节阀21、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23，以控制高温介质或者低温介质通过反应釜夹套对反应釜内部反应物料加热或者冷却以达到温度控制在需要的范围。
所述的高温介质进口流量调节阀11、高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13开启时候，低温介质进口流量调节阀21、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23关闭，来自高温介质系统的高温介质j1进入反应釜夹套对物料实现加热，从夹套出来的的高温介质j11再回到高温介质循环系统中，高温介质进口流量调节阀11对高温介质实现流量调节，以达到精准控制釜内反应物料温度并节约加热能源；低温介质进口流量调节阀21、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23开启的时候，高温介质进口流量调节阀11、高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13关闭，来自低温介质循环系统低温介质j2进入反应釜夹套，实现对反应釜的物料冷却，从夹套出来的的低温介质j21再回到低温介质循环系统中，低温介质进口流量调节阀21对低温介质实现流量调节，在保证精准控制反应釜温度的同时并节约冷却能源。高温、低温介质不互相窜流。
如图2所示，本发明所述的控制系统，通过测量反应釜内反应物料的温度，并输出信号控制高温介质进口流量调节阀11、高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13、低温介质进口流量调节阀21、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23，对反应釜温度的控制。
反应釜内温度计100测量的反应釜温度信号反馈至控制系统内的PID控制模块，由PID控制模块输出一个虚拟输出值，0≤出虚拟输出值≤100，当实际温度越低，虚拟输出值趋势于越大。
虚拟输出值输入至阀门开闭转化模块，实现虚拟输出值转化成实际阀门开闭，以实现高温介质、低温介质切换与流量调节。其中，将温度温度设定值为50，当50≤虚拟输出值≤100时，低温介质进口控制阀21关闭；高温介质进口流量调节阀11开启，其开启度D＝(控制虚拟值-50)×2；0≤虚拟输出值≤50时，高温介质进口控制阀11关闭；低温介质进口流量调节阀21开启，其开启度D＝(50-控制虚拟值)×2；
当虚拟输出值≥53拟输时，高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13开启，当虚拟输出值回落至≤51时，高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13关闭；当虚拟输出值≤47，低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23开启，当虚拟输出值回涨至≥49时，低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23关闭；温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23开闭有一个回落死区，避免这些阀门的频繁开闭。
当49≤有虚拟输出值≤51拟输，或者当反应温度控制结束的时，温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13、低温介质进口切换阀22关闭，低温介质出口切换阀23开启，以保证反应釜夹套不憋压；
高温介质进口流量调节阀11、高温介质进口切换阀12、高温介质出口切换阀13、低温介质进口流量调节阀21、低温介质进口切换阀22、低温介质出口切换阀23开闭信号反馈至控制系统，控制系统内部有阀门开闭比对模块，对开闭信号与来自阀门开闭转化模块的信号进行比对，当比对不一致时，输出阀门错误信号至报警输出模块。
同时，PID控制模块可设定温度上限、下限，当反馈回来的温度信号大于设定温度上限或者低于温度下限时候，输出温度报警至报警输出模块。
本发明采用介质切换阀门实现高温、低温两种换热介质，当反应釜温度偏低时通入高温换热介质实现对反应釜加热；当温度偏高时候通入低温换热介质实现冷却功能；通过加入换热介质进口流量调节阀，实现对反应釜温度的精准控制及对能源的节约。
本发明采用PID控制模块，并实现对PID控制输出转化成阀门的切换，以及调节阀开度对输出值的线性关系。
本发明实现了阀门开闭的检测及相应错误报警输出，也实现了温度异常报警输出，使反应釜温度控制系统更加自动化，安全化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种反应釜控制系统，其特征在于：其结构包括带导热介质夹套的反应釜、釜内温度计、高温介质进口流量调节阀、高温介质进口切换阀、高温介质出口切换阀、低温介质进口流量调节阀、低温介质进口切换阀和低温介质出口切换阀以及控制系统；
所述的釜内温度计装于釜内，用于测量反应釜内反应物料的温度并反馈至控制系统；
所述控制系统分别与高温介质进口流量调节阀、高温介质进口切换阀、高温介质出口切换阀、低温介质进口流量调节阀、低温介质进口切换阀、低温介质出口切换阀相连接，用于控制高温介质或者低温介质通过反应釜的夹套对反应釜内部反应物料加热或者冷却以达到将温度控制在需要的范围；
所述反应釜的底部上设置有一介质总进口管路，所述介质总进口管路上并联有低温介质进口管道、高温介质进口管道，所述低温介质进口管道上设置有低温介质进口切换阀、低温介质进口流量调节阀，所述高温介质进口管道上设置有高温介质进口切换阀、高温介质进口流量调节阀，所述反应釜的顶部上设置有一介质总出口管路，所述介质总出口管路上并联有低温介质出口管道、高温介质出口管道，所述低温介质出口管道上设置有低温介质出口切换阀，所述高温介质出口管道上设置有高温介质出口切换阀。
2.根据权利要求1所述的一种反应釜控制系统，其特征在于：所述控制系统包括PID控制模块、阀门开闭转化模块、阀门开闭比对模块和报警输出模块。
3.一种利用权利要求1至2任一项所述系统进行反应釜温度控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过反应釜内的釜内温度计测得反应釜内物料的实际温度，测得的实际温度反馈至控制系统中，控制系统将反馈回来的物料的实际温度与设定温度值进行比较，通过PID控制模块输出一个虚拟输出值；其中，虚拟输出值的变化是随着物料的实际温度的上升而减少；
(2)所述控制系统通过阀门开闭转化模块将PID控制模块输出的虚拟输出值转化成转化成高温介质、低温介质切换阀门的开闭切换以及高温介质、低温介质流量调节阀的开启度变化。
4.根据权利要求3所述的一种反应釜温度控制的方法，其特征在于，步骤(2)中，当虚拟输出值小于设定温度值时，低温介质切换阀、低温介质调节阀开启，反应釜夹套中通入低温介质，且随着虚拟输出值的变小，低温介质调节阀的开度变大，两者之间是负线性关系；当虚拟输出值大于设定温度值时，高温介质切换阀、高温介质调节阀开启，反应釜夹套中通入高温介质，且随着虚拟输出值的变大，高温介质调节阀的开度变大，两者之间是正线性关系；当高温介质进口切换阀、低温介质进口切换阀关闭，高温、低温介质都没有进反应釜夹套时，高温介质出口切换阀关闭，低温介质出口切换阀开启，以保证反应釜夹套不成密闭体系而导致的压力释放不出去的情况。
5.根据权利要求3所述的一种反应釜温度控制的方法，其特征在于：所述高温介质进口流量调节阀、高温介质进口切换阀、高温介质出口切换阀、低温介质进口流量调节阀、低温介质进口切换阀和低温介质出口切换阀还分别附带有阀门开闭位置反馈，会将阀门开闭位置信号反馈给控制系统。
6.根据权利要求5所述的一种反应釜温度控制的方法，其特征在于：所述阀门开闭比对模块能够将阀门开闭位置信号与来自阀门开闭转化模块的信号进行比对；当比对不一致时，会输出阀门错误信号至报警输出模块。
7.根据权利要求3所述的一种反应釜温度控制的方法，其特征在于：所述PID控制模块还设置有温度上限Tmax和温度下限Tmin；当温度计反馈回来的反应釜温度信号大于温度上限Tmax或者低于温度下限Tmin时，将会输出温度报警信号至报警输出模块。
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