双冷却CSTR反应温度优化控制研究
发布时间：2021-04-17 21:26
连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR）是化工生产中进行物理变化和化学变化的重要反应装置。反应温度是CSTR生产过程最关键的工艺参数,反应温度的控制品质直接影响到产物质量和生产效率,在过程控制领域中CSTR反应温度优化控制研究一直受到广泛关注。随着单釜产能持续提升、强放热等特殊化工产业的快速发展,配有夹套与盘管双冷却装置的CSTR数量持续增加,双冷却结构为CSTR反应温度控制优化提供了条件。本文主要研究如何利用夹套与盘管冷却装置实现CSTR聚合反应温度优化控制。首先,在双冷却CSTR聚合生产工艺流程、工作原理等分析的基础上,利用机理法建立了CSTR反应温度控制冷却过程的数学模型。为了充分发挥盘管与夹套冷却装置的互补优势,弱化二者单独冷却时的缺点,本文提出了双重控制策略,该控制策略一方面利用盘管冷却装置较快的响应速度,迅速消除动态偏差;另一方面,在反应平稳进行时,由冷却效率高的夹套冷却装置承担主要冷却负荷,减少冷却水消耗,使被控过程在动态响应和静态性能都获得较为理想的控制品质。最后,为了进一步改善双冷却CSTR反应温度双重控制系统的动...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2.1双冷却CSTR结构示意图
2双冷却CSTR反应温度控制系统分析9图2.2放热反应温度与转化率y~曲线（3）反应停留时间：从反应物进入反应器到产物离开反应器在反应器中的总停留时间称为反应停留时间，记为C。物料在反应器内的停留时间直接影响了反应的程度，通常来说，在同样的反应温度下，反应停留时间越长，则反应的转化率越高，当停留时间很大时，继续增加停留时间对转化率的影响就不显著了。（4）反应压力：通过实验可知，反应温度与反应压力呈正相关，反应压力的控制效果直接影响了反应系统的热量平衡，进而影响釜内反应的正常运行，且聚合反应是强放热反应，反应温度快速上升，压力容易出现飞升现象。在工业生产现场，若反应压力不符合要求，不仅会直接影响反应转化率及产品品质，甚至会由于压力过大出现严重安全问题。2.2.2反应温度对CSTR聚合反应热稳定性的影响化学反应过程往往伴有热效应，且反应速率与反应温度呈正相关。吸热反应随着反应温度升高吸收的热量也增多，其结果是反应温度下降稳定到一个新的温度值，该反应过程具有自衡能力，在开环条件下也是稳定的。本文所研究的CSTR聚合反应属于放热反应，放热反应与吸热反应不同，当放热反应的反应温度上升时，反应速率加快，放热能力加强，放出的热量增加导致反应温度更高，当放热速率远远大于除热速率时，如果没有适当的除热措施及时释放反应热，反应温度持续升高，导致系统难以自衡，开环过程（反应温度）不可控。CSTR系统单位时间内放出的热量RQ与转化率y的关系式如式（2.1）所示[9]：R0Q(H)FCy（2.1）式中：H为摩尔反应热；F为进料流量；0C为进料浓度；y为转化率。由式（2.2）可知，放热量RQ与反应转化率y成正比，而转化率y与反应温度成正比。当进料流量F和进料浓度0C不变时，在同一停留时间下，放热量R
西安科技大学全日制硕士学位论文10温度较低时，反应的放热量较小；反应过程中，放热量随着反应温度升高而迅速增加，而且越来越大；反应后期，再增高反应温度对反应放热量影响不大，曲线较缓。图2.3CSTR系统放热曲线和除热曲线如在绝热状态下进行反应时，系统的除热量0Q与反应温度的关系式如式（2.2）所示。0piQFc()（2.2）式中：为进料密度；Pc为进料比热容；为反应器内温度；i为进料的温度。从式（2.2）除热量0Q与反应温度的关系式可以看出，除热量0Q与反应温度成正比，除热曲线应为直线，如图2.3中直线1、2、3、4所示，直线的斜率为pFC，与轴的截距为piFC。当放热量RQ等于除热量0Q时，在热量与反应温度的关系曲线上表现为放热线与除热线的交点，交点处为静态工作点，系统的热量达到平衡。接下来将对放热线与除热线的交点进行详细分析。直线1：直线1与放热曲线交于C点，此时R0QQ，假设系统受到扰动使反应温度升高，反应放热量随着反应温度升高而增加，从图2.3中除热线和放热线的位置关系可以看出，当反应温度大于C点温度值时，除热线始终位于放热线上方，即系统的除热量始终大于放热量，反应温度会下降回到C点；若反应温度降低，则同理，系统除热量和放热量都会随反应温度降低而下降，且除热量始终小于放热量，导致温度升高，反应温度仍会回到C点。所以C点是稳定的静态工作点，此系统在开环情况下是稳定的。直线2：直线2与放热曲线有C、D、E三个交点，若反应温度在C点时系统受到扰动导致反应温度升高，此时放热量大于除热量，反应温度会持续升高直至E点；若反应温度受扰动影响降低，则此时放热量小于除热量，反应温度会不断减小至D点，因此此时工作点C点是不稳定的静态工作点。同理直线1分析过程，直线2与放热曲线的D?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进RBF模糊神经网络的PID参数自整定[J]. 牛坤,张志安,王鹏飞,朱新年. 电子设计工程. 2020(12)
[2]浅析人工神经网络在石化企业中的应用及发展趋势[J]. 李进锋. 石油化工设计. 2020(02)
[3]复杂控制系统设计中现代控制理论的应用[J]. 李奎. 湖北农机化. 2020(04)
[4]基于神经网络PID控制的聚合温控负荷优化调度[J]. 马巨海,焦宗旭,徐程琳,杨婕,马锴. 燕山大学学报. 2019(05)
[5]BP神经网络的发展及其在化学化工中的应用[J]. 刘方,徐龙,马晓迅. 化工进展. 2019(06)
[6]基于Matlab和双容水箱的现代控制理论实验设计[J]. 高宏岩,郭春江. 实验技术与管理. 2019(05)
[7]MathWorks发布2019a版MATLAB和Simulink[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2019(05)
[8]工业生产过程锅炉温度控制仿真[J]. 罗川宁,郝润科,杨威. 计算机仿真. 2018(09)
[9]RBF神经网络在反应器温度控制系统的研究[J]. 彭倩,黄冠. 物联网技术. 2018(08)
[10]DMC算法在CSTR温度控制中的应用[J]. 何美霞,周箩鱼. 长江大学学报(自科版). 2018(05)
博士论文
[1]CSTR过程的模型辨识及其非线性预测控制方法研究[D]. 满红.大连理工大学 2014
硕士论文
[1]新型双重控制算法理论研究和应用[D]. 傅磊.东华大学 2014
本文编号：3144167
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2.1双冷却CSTR结构示意图
2双冷却CSTR反应温度控制系统分析9图2.2放热反应温度与转化率y~曲线（3）反应停留时间：从反应物进入反应器到产物离开反应器在反应器中的总停留时间称为反应停留时间，记为C。物料在反应器内的停留时间直接影响了反应的程度，通常来说，在同样的反应温度下，反应停留时间越长，则反应的转化率越高，当停留时间很大时，继续增加停留时间对转化率的影响就不显著了。（4）反应压力：通过实验可知，反应温度与反应压力呈正相关，反应压力的控制效果直接影响了反应系统的热量平衡，进而影响釜内反应的正常运行，且聚合反应是强放热反应，反应温度快速上升，压力容易出现飞升现象。在工业生产现场，若反应压力不符合要求，不仅会直接影响反应转化率及产品品质，甚至会由于压力过大出现严重安全问题。2.2.2反应温度对CSTR聚合反应热稳定性的影响化学反应过程往往伴有热效应，且反应速率与反应温度呈正相关。吸热反应随着反应温度升高吸收的热量也增多，其结果是反应温度下降稳定到一个新的温度值，该反应过程具有自衡能力，在开环条件下也是稳定的。本文所研究的CSTR聚合反应属于放热反应，放热反应与吸热反应不同，当放热反应的反应温度上升时，反应速率加快，放热能力加强，放出的热量增加导致反应温度更高，当放热速率远远大于除热速率时，如果没有适当的除热措施及时释放反应热，反应温度持续升高，导致系统难以自衡，开环过程（反应温度）不可控。CSTR系统单位时间内放出的热量RQ与转化率y的关系式如式（2.1）所示[9]：R0Q(H)FCy（2.1）式中：H为摩尔反应热；F为进料流量；0C为进料浓度；y为转化率。由式（2.2）可知，放热量RQ与反应转化率y成正比，而转化率y与反应温度成正比。当进料流量F和进料浓度0C不变时，在同一停留时间下，放热量R
西安科技大学全日制硕士学位论文10温度较低时，反应的放热量较小；反应过程中，放热量随着反应温度升高而迅速增加，而且越来越大；反应后期，再增高反应温度对反应放热量影响不大，曲线较缓。图2.3CSTR系统放热曲线和除热曲线如在绝热状态下进行反应时，系统的除热量0Q与反应温度的关系式如式（2.2）所示。0piQFc()（2.2）式中：为进料密度；Pc为进料比热容；为反应器内温度；i为进料的温度。从式（2.2）除热量0Q与反应温度的关系式可以看出，除热量0Q与反应温度成正比，除热曲线应为直线，如图2.3中直线1、2、3、4所示，直线的斜率为pFC，与轴的截距为piFC。当放热量RQ等于除热量0Q时，在热量与反应温度的关系曲线上表现为放热线与除热线的交点，交点处为静态工作点，系统的热量达到平衡。接下来将对放热线与除热线的交点进行详细分析。直线1：直线1与放热曲线交于C点，此时R0QQ，假设系统受到扰动使反应温度升高，反应放热量随着反应温度升高而增加，从图2.3中除热线和放热线的位置关系可以看出，当反应温度大于C点温度值时，除热线始终位于放热线上方，即系统的除热量始终大于放热量，反应温度会下降回到C点；若反应温度降低，则同理，系统除热量和放热量都会随反应温度降低而下降，且除热量始终小于放热量，导致温度升高，反应温度仍会回到C点。所以C点是稳定的静态工作点，此系统在开环情况下是稳定的。直线2：直线2与放热曲线有C、D、E三个交点，若反应温度在C点时系统受到扰动导致反应温度升高，此时放热量大于除热量，反应温度会持续升高直至E点；若反应温度受扰动影响降低，则此时放热量小于除热量，反应温度会不断减小至D点，因此此时工作点C点是不稳定的静态工作点。同理直线1分析过程，直线2与放热曲线的D?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进RBF模糊神经网络的PID参数自整定[J]. 牛坤,张志安,王鹏飞,朱新年. 电子设计工程. 2020(12)
[2]浅析人工神经网络在石化企业中的应用及发展趋势[J]. 李进锋. 石油化工设计. 2020(02)
[3]复杂控制系统设计中现代控制理论的应用[J]. 李奎. 湖北农机化. 2020(04)
[4]基于神经网络PID控制的聚合温控负荷优化调度[J]. 马巨海,焦宗旭,徐程琳,杨婕,马锴. 燕山大学学报. 2019(05)
[5]BP神经网络的发展及其在化学化工中的应用[J]. 刘方,徐龙,马晓迅. 化工进展. 2019(06)
[6]基于Matlab和双容水箱的现代控制理论实验设计[J]. 高宏岩,郭春江. 实验技术与管理. 2019(05)
[7]MathWorks发布2019a版MATLAB和Simulink[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2019(05)
[8]工业生产过程锅炉温度控制仿真[J]. 罗川宁,郝润科,杨威. 计算机仿真. 2018(09)
[9]RBF神经网络在反应器温度控制系统的研究[J]. 彭倩,黄冠. 物联网技术. 2018(08)
[10]DMC算法在CSTR温度控制中的应用[J]. 何美霞,周箩鱼. 长江大学学报(自科版). 2018(05)
博士论文
[1]CSTR过程的模型辨识及其非线性预测控制方法研究[D]. 满红.大连理工大学 2014
硕士论文
[1]新型双重控制算法理论研究和应用[D]. 傅磊.东华大学 2014
本文编号：3144167
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