一种基于前馈-反应机理模型的反应器温度自动控制方法与流程

本发明涉及一种化工领域的反应器温度自动控制方法，特别是一种基于前馈-反应机理模型的反应器温度自动控制方法。

背景技术：

化工过程是流程工业的重要组成部分，是国家基础经济的重要支柱。化工产品的生产主要包括化工原料的精制、反应和分离三大部分。化工原料的反应是其中最为核心的部分，往往决定着生产的产品质量和成本。化学反应一般需要保持在特定的温度范围内以保持最佳的产品转化率、收率和质量，同时化学反应温度也决定着生产过程的安全性。所以保持化工反应器温度稳定、精确控制一直是众多研究、生产人员所关注的重点。

目前，许多国内的发明专利都对化工反应器的温度控制方法进行了探究，如中国专利CN106115893A设计了一种超临界水氧化反应器温度控制方法及控制系统，对进入反应器的原料和氧化剂的热值进行计算，并使用选择器调节原料的热值或者氧化剂的流量从而达到控制反应器温度的目的。中国专利CN100475331C提供一种能改善控制系统稳定性和扰动抑制、提高反应器的温度控制系统的敏感度特性的温度控制方法,该方法通过反应器的温度设定值和实际值计算出反应器夹套的温度，在经过夹套入口和出口的温度换算得出夹套冷却水的流量调节阀们的开度。中国专利CN104190331A提出通过所测量的反应温度来控制被容许绕过反应器的冷却系统的过热冷却盘管的过热蒸汽的流速，进而实现氨氧化反应器内部的反应温度的控制。

上述专利虽然可以实现反应器的温度自动控制，但都只关注了反应器和换热物流的一些表面参数，如进料热值、进料流量、冷却剂的流量、夹套温度、加热蒸汽流速等，对化学反应本身却没有关注，而化学反应本身才是热量变化的根源。这些调节都是基于检测到的反应器温度来进行调节，存在温度响应滞后和温度响应过程非线性，导致反应器温度控制无法达到真正意义上的精确、快速、平稳。

因此基于前馈-反应机理模型的釜式反应器温度精准自动控制方法的开发具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于前馈-反应机理模型的反应器温度自动控制方法，引入反应器热量累积速率作为前馈值，与反应器换热介质的流量或温度参数共同起到调节反应器温度的作用，使反应器换热介质调节装置提前动作，快速响应，提前克服反应器温度变化的干扰，克服温度控制存在的滞后问题。本发明提供一种基于前馈-反应机理模型的反应器温度自动控制方法，包括以下步骤：

(1)将反应物进料流量信号、反应物进料温度信号、反应器的温度信号、反应器中反应物的浓度信号输送至反应热热量计算模块；

(2)通过热量累积速率方程，计算出反应器内热量累积速率或反应器内热量累积速率变化率；

(3)根据控制要求，将步骤(2)中计算的反应器内热量累积速率或反应器内热量累积速率变化率经过换算得到一个前馈值，将该前馈值输送至反应器温度控制器；

(4)将反应器温度信号输送至反应器温度控制器，反应器温度控制器将反应器温度信号的值与反应器温度控制器的温度设定值的偏差按照一定的计算算法进行计算，计算得到反应器换热介质的流量或温度参数的预调节值；

(5)将步骤(4)中计算得到的反应器换热介质的流量或温度参数的预调节值与步骤(3)中的前馈值送至反应器换热介质调节装置上，并将步骤(4)中计算得到的反应器换热介质的流量或温度参数的预调节值与步骤(3)中的前馈值加和，作为反应器换热介质的流量或温度参数的实际调节值对反应器换热介质的流量或温度进行调节。

上述步骤中所述的反应物进料流量信号、反应物进料温度信号、反应器的温度信号、反应器中反应物的浓度信号均由相应的检测和信号变送装置获得；其中，反应器中反应物的浓度信号也可由反应器内反应物液位或质量间接计算获得。

所述步骤(2)中反应器内热量累积速率或反应器内热量累积速率变化率可以根据不同的反应类型选择不同的计算方式。所述的反应器热量累积速率计算模块的计算考虑反应物进料流量、反应物进料温度、反应器温度、反应器中反应物的浓度、反应动力学参数以及其他影响反应热的参数，计算方法包括反应动力学、热量衡算和其他反应器热量累积速率计算相关的方法。

优选的，所述步骤(2)中反应器内热量累积速率或反应器内热量累积速率变化率的计算方法如下：

反应器内发生反应(反应物A与反应物B进行反应生成生成物C)的反应方程式为：

aA+bB→cC (1)

其中，A、B为反应物，a、b分别为反应物A、B的化学计量数，C为生成物，c为生成物C的化学计量数。

反应器内所发生反应的反应动力学方程为：

r＝kcA^mcBⁿ (2)

其中，r表示反应速率，k为反应速率常数，cA、cB分别为反应器中反应物A、反应物B的浓度，m、n分别为反应物A、反应物B的反应级数。

则在反应器内热量累积速率为：

Qi＝FACmA(TA-Tr)+FBCmB(TB-Tr)+kcA^mcBⁿQr (3)

其中Qi为反应器内热量积累速率，FA、FB分别为反应物A、B的质量流率，也可以采用摩尔流率计算，但需要进行单位换算，CmA、CmB分别为反应物A、B的比热容，TA、TB、Tr分别为反应物A、反应物B和反应器温度，Qr为反应器内所发生反应的反应热。

反应器内热量累积速率变化率为：

其中，ΔQi为反应器内热量累积速率变化率，Qi1为前一时刻反应器内热量累积速率，Qi2为当前时刻反应器内热量累积速率，Δt为前一时刻与当前时刻的时间间隔(Δt取值范围为1s-1h)。

反应器内热量累积速率和反应器内热量累积速率变化率计算方法适用于涉及多种反应物、多种生成物的反应，也适用于可逆反应。

优选的，所述步骤(2)中反应器内热量累积速率或反应器内热量累积速率变化率的计算方法如下：

反应器内发生可逆反应,正反应为反应物D与反应物E、反应物F进行反应生成生成物G、生成物H；逆反应为反应物G与反应物H进行反应生成生成物D、生成物E、生成物F,的可逆反应方程式为：

其中，D、E、F为反应物，d、e、f分别为反应物D、E、F的化学计量数，G、H为生成物，g、H为生成物G和H的化学计量数。

反应器内所发生反应的反应动力学方程为：

r＝k1cD^OcE^PcF^Q-k2cG^XcH^Y (5)

其中，r表示反应速率，k1、k2分别为正、逆反应速率常数，cD、cE、cF、cG、cH分别为反应器中反应物D、反应物E、反应物F、生成物G、生成物H的浓度，O、P、Q、X、Y分别为反应物D、反应物E、反应物F、生成物G、生成物H的反应级数。

则在反应器内热量累积速率为：

Qi＝FDCmD(TD-Tr)+FECmE(TE-Tr)+FFCmF(TF-Tr)+

(k1cD^OcE^PcF^Q-k2cG^XcH^Y)Qr (6)

其中Qi为反应器内热量积累速率，FD、FE、FF分别为反应物D、E、F的质量流率(也可以采用摩尔流率，但需要进行单位换算)，CmD、CmE、CmF分别为反应物D、E、F的比热容，TD、TE、TF、Tr分别为反应物D、反应物E、反应物F和反应器温度，Qr为反应器内所发生反应的反应热。

反应器内热量累积速率变化率为：

其中，ΔQi为反应器内热量累积速率变化率，Qi1为前一时刻反应器内热量累积速率，Qi2为当前时刻反应器内热量累积速率，Δt为前一时刻与当前时刻的时间间隔,Δt取值范围为1s-1h。

优选的，根据控制要求，将所述步骤(3)中反应器内热量累积速率或反应器内热量累积速率的变化率乘以一个比例系数得到前馈值，比例系数的选择需要结合具体控制要求，若要求反应温度控制器的作用弱，即允许反应器温度波动范围大于反应器温度控制器的温度设定值的10％，则比例系数选择为0.0001-1；若要求反应温度控制器的作用适中，即允许反应器温度波动范围为反应器温度控制器的温度设定值的5-10％，则比例系数选择为1-100；若要求反应温度控制器的作用强，即允许反应器温度波动范围小于反应器温度控制器的温度设定值的5％，则比例系数选择为100-10000；当反应器中发生放热反应时，比例系数值为正；当反应器中发生吸热反应时，比例系数值为负。

优选的，反应物进料流量信号、反应物进料温度信号、反应器的温度信号、反应器中反应物的浓度信号及反应动力学参数包括直接检测信号和间接检测或计算信号。

所述的反应器温度控制器可以有多种不同选择。

优选的，所述的反应器温度控制器主要为PID控制器、PID控制与模糊控制的组合控制器、PID控制与模型预测控制的组合控制。

步骤(4)所述的一定的计算算法有多种形式，可以根据反应温度控制器的类型进行选择，主要为PID控制算法的不同形式。

优选的，所述步骤(4)中预调节值的计算算法为：采用标准形式为方程(7)：

其中，y为反应器温度控制器的输出变量，KP、TI、TD分别为反应器温度控制器的比例参数、积分参数和微分参数，e(t)为反应器温度控制器的输入变量，即步骤(4)中所述的反应器的温度信号的值与反应器温度控制器的温度设定值的偏差随时间变化的函数，dt表示时间的微分。

步骤(4)所述的一定的计算算法也包括与方程(4)类似的离散化形式或其他形式。

优选的，所述步骤(4)中与调节值的计算算法为：采用方程(8)计算。

其中其中，y为反应器温度控制器的输出变量，KP、TI、TD分别为反应器温度控制器的比例参数、积分参数和微分参数，e(t)为反应器温度控制器的输入变量，即步骤(4)中所述的反应器的温度信号的值与反应器温度控制器的温度设定值的偏差随时间变化的函数，dt表示时间的微分，δ为可调参数。

所述的反应器换热介质调节装置为流量调节装置、温度调节装置或其他反应器换热介质参数的调节装置。

优选的，所述的反应器换热介质调节装置为流量调节装置或温度调节装置。

所述的步骤(5)中的反应器换热介质的流量或温度的调节可以为反应器温度控制器直接对反应器换热介质的控制阀门的调节，也可以为反应器温度控制器对反应器换热介质流量或温度子控制器的调节。

本专利具有以下创造性和突出成果：

1、将反应器热量累积速率或反应器热量累积速率的变化率引入到反应器温度自动控制方法中，并由此得到一个前馈值传递至反应器换热介质调节装置参与反应器换热介质的流量或温度参数的调节，使反应器换热介质调节装置提前动作，快速响应，提前克服反应器温度变化的干扰，克服了现有的反应器的温度自动控制存在滞后的问题，实现了反应器内温度变化的提前感知。

2、另外，反应器热量累积速率或反应器热量累积速率的变化率的计算值经过换算作为反应器温度控制器对反应器换热介质的流量或温度参数调节的前馈值，反应器的温度控制通过反应器温度控制器、反应器换热介质调节装置和反应器热量累积速率计算模块之间的相互配合来实现，可以综合考虑反应器温度的多种因素影响(如进料流量、反应器温度、反应物浓度等)，克服这些因素为反应器温度控制过程带来的非线性，使反应器的温度控制更加稳定，控制精度更高。

附图说明

图1为本专利方法的流程图。

其中，①表示反应物A的进料温度和流量信号，②表示反应物B的进料温度和流量信号，③表示反应器温度以及反应器中反应物A、B的浓度信号，④表示反应器温度控制器对反应器换热介质的流量或温度参数调节的前馈值信号，⑤表示反应器温度信号，⑥表示反应器温度控制器输出信号。

具体实施方式

实施例1：

以丙烯酸丁酯反应器温度控制过程为例，丙烯酸丁酯反应如下：

AA+BuOH→BA (9)

其中AA表示丙烯酸，BuOH表示丁醇，BA表示丙烯酸丁酯。

反应物丙烯酸进料流量为1000mol/h，丙烯酸进料温度为35℃，丙烯酸摩尔质量为72g/mol，丙烯酸比热容为1.97kJ(kg·℃)；丁醇进料流量为1200mol/h，丁醇进料温度为40℃，丁醇摩尔质量为74g/mol，丁醇比热容为2.08kJ(kg·℃)，反应器温度为98℃，丙烯酸丁酯反应热为-167kJ/mol。

丙烯酸丁酯反应动力学方程为：

rBA＝1.17x10^-5cAAcBUOH (10)

其中，rBA为丙烯酸丁酯反应速率，cAA为反应器内丙烯酸摩尔浓度，cBUOH为反应器内丁醇摩尔浓度。

在反应器运行平稳时，反应器温度控制器设定值为98℃，反应器内丙烯酸摩尔浓度为1000mol/m3，反应器内丁醇摩尔浓度为2000mol/m3。若某时刻反应器丙烯酸进料有1000mol/h变化为900mol/h。

则1min前反应器热量累积速率计算模块根据方程(3)进行计算：

Qi1＝1000*72/1000*1.97*(35-98)+1200*74/1000*2.08*(40-98)+1.17*10^-5*1000*2000*(-167)＝-8935.92-10712.832-3907.8＝-23556.55kJ/h

1min后反应器热量累积速率计算模块根据方程(3)进行计算：

Qi2＝900*72/1000*1.97*(35-98)+1200*74/1000*2.08*(40-98)+1.17*10^-5*1000*2000*(-167)＝-8042.328-10712.832-3907.8＝-22662.96kJ/h

则，根据方程(3’)，1min内反应器热量累积速率变化率为：

得出反应器热量累计速率变化率计算值为-894kJ/(h*min)，该反应为吸热反应，且要求控制器作用较弱，反应器温度允许波动范围大于98*10％＝9.8℃,反应器热量累计速率变化值乘以系数-0.001后作为反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值，即前馈值为0.894％。则加热蒸汽阀门在反应器温度控制器设定值和实际值均未发生变化时开大0.894％。该调节发生于反应器温度控制器响应之前，具有克服温度控制过程滞后的作用。

1min后，反应器内温度变化为97.9℃，反应器内丙烯酸摩尔浓度为980mol/m3，反应器内丁醇摩尔浓度为2005mol/m3。

则1min前反应器热量累积速率计算模块根据方程(3)进行计算：

Qi3＝900*72/1000*1.97*(35-98)+1200*74/1000*2.08*(40-98)+1.17*10^-5*1000*2000*(-167)＝-8042.328-10712.832-3907.8＝-22662.96kJ/h

1min后反应器热量累积速率计算模块根据方程(3)进行计算：

Qi4＝900*72/1000*1.97*(35-97.9)+1200*74/1000*2.08*(40-97.9)+1.17*10^-5*980*2005*(-167)＝-8029.5624-10694.3616-3839.21811＝-22563.14211kJ/h

则，根据方程(3’)，1min内反应器热量累积速率变化率为：

得出反应器热量累计速率变化值为-100kJ/h,该反应为吸热反应，且要求控制器作用较弱，反应器温度允许波动范围大于98*10％＝9.8℃,反应器热量累计速率变化值乘以系数-0.001后作为反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值，即前馈值为0.1％。此时，反应器温度控制器设定值与反应器温度的实际值之间的偏差为98-97.9＝0.1℃，经过方程(8)计算(KP＝5，TI＝3，TD＝0.1，δ＝0.5，t＝1)：

得出反应器温度控制器应使加热蒸汽阀门开大0.71％，与反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值进行加和，则反应器加热蒸汽调节阀门调节值为开大0.71+0.1＝0.81％。

反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值随反应器和反应物进料参数的变化而变化，弥补了反应器温度控制过程的非线性，比传统PID控制器具有更好的适应性，使反应器温度控制更加稳定、精准。

实施例2：

以乙酸乙酯反应器温度控制过程为例，乙酸乙酯反应以可逆反应形式进行，表示如下：

反应物乙酸进料流量为700mol/h，乙酸进料温度为40℃，乙酸摩尔质量为60g/mol，乙酸比热容为1.1kJ(kg·℃)；乙醇进料流量为700mol/h，乙醇进料温度为40℃，乙醇摩尔质量为46g/mol，乙醇比热容为0.8kJ(kg·℃)，反应温度为60℃，乙酸乙酯反应热为-72kJ/mol。

乙酸乙酯反应动力学方程为：

r乙酸乙酯＝8.65x10^-6c乙酸c乙醇-3.21x10^-6c乙酸乙酯c水 (9)

其中，r乙酸乙酯为乙酸乙酯反应速率，c乙酸为反应器内乙酸摩尔浓度，c乙醇为反应器内乙醇摩尔浓度，c乙酸乙酯为反应器内乙酸摩尔浓度，c水为反应器内乙醇摩尔浓度。

在反应器运行平稳时，反应器温度控制器设定值为60℃，反应器内乙酸摩尔浓度为1000mol/m3，反应器内乙醇摩尔浓度为2000mol/m3,反应器内乙酸乙酯摩尔浓度为500mol/m3,反应器内水摩尔浓度为400mol/m3。若某时刻反应器乙酸进料由700mol/h变化为900mol/h。

则1min前反应器热量累积速率计算模块根据方程(6)进行计算：

Qi5＝700*60/1000*1.1*(40-60)+700*46/1000*0.8*(40-60)+

(8.65*10^-6*1000*2000-3.21*10^-6*500*400)

*(-72)＝-924-515.2-1199.4＝-2638.6kJ/h

1min后反应器热量累积速率计算模块根据方程(6)进行计算：

Qi6＝900*60/1000*1.1*(40-60)+700*46/1000*0.8*(40-60)+

(8.65*10^-6*1000*2000-3.21*10^-6*500*400)

*(-72)＝-1188-515.2-1199.4＝-2902.6kJ/h

则，根据方程(3’)，1min内反应器热量累积速率变化率为：

得出反应器热量累计速率变化率计算值为264kJ/(h*min)，该反应为吸热反应，且要求控制器作用较弱，即反应器温度允许波动范围大于60*10％＝6℃，反应器热量累计速率变化值乘以系数-0.001后作为反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值，即前馈值为-0.264％。则加热蒸汽阀门在反应器温度控制器设定值和实际值均未发生变化时关小0.264％。该调节发生于反应器温度控制器响应之前，具有克服温度控制过程滞后的作用。

1min后，反应器内温度变化为60.1℃，反应器内乙酸摩尔浓度为980mol/m3，反应器内乙醇摩尔浓度为2005mol/m3，反应器内乙酸乙酯摩尔浓度为520mol/m3,反应器内水摩尔浓度为410mol/m3。

则1min前反应器热量累积速率计算模块根据方程(6)进行计算：

Qi7＝900*60/1000*1.1*(40-60)+700*46/1000*0.8*(40-60)+

(8.65*10^-6*1000*2000-3.21*10^-6*500*400)

*(-72)＝-1188-515.2-1199.4＝-2902.6kJ/h

1min后反应器热量累积速率计算模块根据方程(6)进行计算：

Qi8＝900*60/1000*1.1*(40-60.1)+700*46/1000*0.8*(40-60.1)+(8.65*10^-6*980*2005-3.21*10^-6*520*410)

*(-72)＝-1194-517.8-1174.5＝-2886.3kJ/h

则，根据方程(3’)，1min内反应器热量累积速率变化率为：

得出反应器热量累计速率变化值为-16.3kJ/h,该反应为吸热反应，且要求控制器作用较弱，即反应器温度允许波动范围大于60*10％＝6℃，反应器热量累计速率变化值乘以系数-0.001后作为反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值，即前馈值为0.0163％。此时，反应器温度控制器设定值与反应器温度的实际值之间的偏差为60-60.1＝-0.1℃，经过方程(8)计算(KP＝5，TI＝3，TD＝0.1，δ＝0.5，t＝1)：

得出反应器温度控制器应使加热蒸汽阀门关小0.71％，与反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值进行加和，则反应器加热蒸汽调节阀门调节值为-0.71+0.0163＝-0.6937％。

反应器温度控制器对反应器加热蒸汽调节阀门调节的前馈值随反应器和反应物进料参数的变化而变化，弥补了反应器温度控制过程的非线性，比传统PID控制器具有更好的适应性，使反应器温度控制更加稳定、精准。