间歇反应釜降温过程温度控制研究

发布时间：2016-08-13 07:01

1 绪论

为了保证间歇生产过程中生产能够安全高效的进行，就必须对间歇生产过程中的关键工艺参数进行严格的控制，例如压力控制、温度控制、浓度控制、流量控制等。其中对温度的控制更是生产过程中常见的重要环节，其控制的好坏直接关系到产品的产量和质量[3]。间歇反应釜作为间歇生产过程的核心装备，间歇生产过程中温度控制主要指的就是对间歇反应釜温度的控制。因此间歇反应釜温度控制系统的研究，对提高生产效率、产品的质量和产量具有重要的指导意义。通常情况间歇反应釜的温度控制主要包括升温、恒温和降温控制[5]。由于间歇反应釜的温度容易受到间歇反应釜的材料与厚度、反应物料浓度、催化剂、外界环境等众多因素的影响，因此间歇反应釜温度具有高度的非线性、时滞和严重的不确定性的特点，这使得对间歇反应釜温度进行准确控制变得十分困难[4,5]。但是一旦间歇反应釜温度控制不准确，就容易造成“飞温”和“僵釜”现象，严重时甚至会引起爆炸，十分危险。因而，深入研究间歇反应釜温度控制能够指导间歇生产的安全进行，避免造成人身伤害和财产损失。

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2 间歇反应釜降温工艺流程设计

2.1 概述

为了能够完成整个生产任务，在实际生产过程中不仅需要配套的工艺设备而且还需要一套与之相适应的、合理的生产工艺流程，因此为了完成间歇反应釜降温任务，本章结合现场实际情况与要求进行间歇反应釜降温工艺流程设计。在实际生产中，间歇反应釜常见的降温方式主要分为间接降温和直接降温两种。顾名思义，间接降温指的是通过间歇反应釜半管夹套中的冷媒与间歇反应釜进行热量交换来完成降温。间接降温常用的冷媒主要有冷却水、无水酒精等；直接降温则主要是指将冷媒直接通入到间歇反应釜的反应物中进行热量交换来完成降温。其常用的冷媒主要为氮气。两种降温方式各有利弊，分别适合不同的降温情况。根据现场实际情况与要求，间歇反应釜中的反应物中的二氯甲烷具有毒性，如果选择直接降温的方式直接向反应物中通入氮气，当氮气挥发时有可能将毒原料携带至空气中造成污染，甚至会导致生产事故，因此本课题设计间歇反应釜降温采用间歇降温的方式。又由于工艺要求的目标温度又比较低，冷却水无法满足要求，因此选择无水酒精作为间歇反应釜降温过程。

2.2 降温工艺方案

为了实现对间歇反应釜温度在目标时间内由初始温度降至目标温度，采用基于间歇反应釜降温模型的开环控制方式，即通过控制间歇反应釜夹套入口温度1t 来实现对间歇反应釜温度和降温时间的控制。同时为了提高间歇反应釜温度和降温时间控制精度，又根据给定的工艺参数和间歇反应釜温度实际测量值mT ，首先对间歇反应釜降温模型进行修正，然后再根据修正后降温模型重新计算间歇反应釜夹套入口温度给定值1t ，从而形成闭环修正系统。间歇反应釜降温控制系统方框图如图 2.1 所示。间歇反应釜降温控制方案为本文重点研究内容，下文将进行详细论述。

3 间歇反应釜降温模型研究............................... 9

3.1 概述........................... 9
3.2 间歇反应釜降温模型的建立....... 9
3.3 工艺参数对降温模型的影响.................... 13
3.4 本章小结.................. 16
4 基于降温模型的温度控制算法研究....... 17
4.1 概述.............................. 17
4.2 间歇反应釜温度控制方案........................ 17
4.3 间歇反应釜降温模型修正........ 17
4.4 夹套入口温度给定值的计算.................... 19
4.5 基于模型的修正控制器设计........ 20
5 温度控制算法的仿真研究....................... 25
5.1 概述...................... 25
5.2 仿真系统结构...... 25
5.3 仿真程序设计................ 25

6 间歇反应釜降温控制系统设计

6.1 概述

为了提高间歇反应釜的降温工艺流程的自动化程度，本章以西门子 S7-300PLC 为核心，对间歇反应釜降温工艺流程进行控制系统设计，主要包括控制系统结构设计、电气设计、程序设计和人机界面设计。本课题的控制核心是对间歇反应釜降温过程温度的控制，并且监控降温工艺流程和设备的运行状态。控制系统是基于西门子 S7-300PLC 进行设计的，因此需要利用编程软件 STEP7 进行降温程序编写，实现对降温设备的自动化控制，实现降温过程。为了实时监控间歇反应釜降温，使用西门子触摸屏组态软件 WinCC flexible 进行降温人机界面组态。

6.2 降温控制系统总体设计

间歇反应釜降温控制系统采用三级网络结构，即监控级、控制级和现场设备层。间歇反应釜降温控制系统结构如图 6.1 所示。（1）监控级：监控级是实现人机交互的窗口，本课题中设计使用西门子触摸屏 MP277 10 Touch，并且通过工业以太网与控制级 S7-300PLC 进行通讯。触摸屏 MP 277 10Touch 安装在降温现场，使用组态软件 WinCC flexible 进行人机界面设计。监控级不仅能够实现操作人员对间歇反应釜降温过程的操作，而且还可以对整个降温过程的现场状况进行监控。除此之外，监控级还能为提供现场操作人员形象生动的各种现场参数的实时曲线（例如温度、压力、液位、流量等实时曲线）；对某些重要工艺参数进行数据归档；最重要的是监控级能够及时的进行故障报警，确保安全生产。
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7 结论

本课题主要是针对间歇反应釜降温过程温度控制的研究，目的在于为间歇反应釜降温设计开发一套控制精度高、操作方便并且可靠的温度控制系统。根据对间歇反应釜降温过程及控制要求的深入分析，研究设计了一套以 S7-300 PLC 为控制核心，触摸屏作为上位机的间歇反应釜降温过程温度控制系统。归纳起来论文主要完成工作有：间歇反应釜降温工艺流程的设计、控制系统的总体设计、控制系统电气设计、间歇反应釜降温模型的研究、间歇反应釜温度控制算法的研究与仿真、间歇反应釜降温工艺程序的编写和人机界面的设计。得出结论如下：（1）根据现场实际生产情况和要求，通过深入研究间歇反应釜降温的方式，提出采用间歇冷却的方式对间歇反应釜进行降温，首先通过液氮冷却无水酒精，然后再利用无水酒精对间歇反应釜进行降温。针对间歇反应釜降温工艺流程，确定结构控制系统为三层网络结构，三层网络分别指的是监控级，控制级和现场设备层。（2）以间歇反应釜温度为研究对象，通过对间歇反应釜降温过程的降温机理的研究，经过合理的假设和次要因素的忽略，基于热量平衡原理和传热速率方程，构建了间歇反应釜降温模型。

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参考文献（略）

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本文编号：92705