课程设计任务书中北大学课程设计说明书学院：机械与动力工程学院专业：过程装备与控制工程题目：夹套式反应器温度串级控制系统设计指导教师：吕海峰职称: 副教授中北大学课程设计说明书目录1、概述 (1)1.1化学反应器基本介绍 (1)1.2夹套式反应器控制要求 (2)2、被控对象特性研究 (3)2.1建立动态数学模型 (3)2.2被控变量与控制变量的选择 (6)2.3夹套式反应器扰动变量 (6)3、控制系统方案确定 (7)3.1主回路的设计 (8)3.2副回路的设计 (8)4、过程检测仪表的选型 (9)4.1测温检测元件及变送器 (9)4.2主、副控制器正、反作用的选择 (12)4.3控制系统方框图 (13)5、系统仿真，分析系统性能 (13)5.1各个环节传函及参数确定 (13)5.2控制系统的仿真及参数整定 (14)5.3 系统性能分析 (17)6、课程设计总结 (18)7、参考文献 (19)1 概述1.1化学反应器的基本介绍反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。

化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。

化学反应器可以按进出物料状况、流程的进行方式、结构形式、传热情况四个方面分类：一、按反应器进出物料状况可分为间歇式和连续式反应器通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。

间歇式反应器是将反应物料分次获一次加入反应器中，经过一定反应时间后取出反应中所有的物料，然后重新加料在进行反应。

间歇式反应器通常适用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品的生产，这类生产反应时间长活对反应过程的反应温度有严格程序要求。

连续反应器则是物料连续加入，化学反应连续不断地进行，产品不断的取出，是工业生产最常用的一种。

一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形式。

二、从物料流程的进行方式可分为单程与循环两类物料在通过反应器后不再进行循环的流程称为单程，当反应的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。

如果反应速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反应器转化不完全，则必须在产品进行分离后，把没有反应的物料与新鲜物料混合后，再送送入反应器进行反应。

这种流程称为循环流程。

三、从反应器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反应器等。

四、从传热情况可分为绝热式反应器和非绝热式反应器[1]。

绝热式反应器与外界不进行热量交换，非绝热式反应器与外界进行热量交换。

一般当反应过程的热效应大时，必须对反应器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等。

如今用的最广泛的是夹套传热方式，且采用最普通的夹套结构居多。

随着化学工业的发展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反应设备的大型化。

也大大促进了夹套反应器的反展。

夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。

化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。

前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。

设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。

1.2 夹套式反应器的控制要求1 质量指标夹套式反应器的质量指标一般是反应转化率或反应生成物的浓度。

转化率是直接质量指标，如果转化率不能直接测量可选取与它相关的变量来计算间接反映出转化率的大小。

如出口温度与转化率的关系为：0()/i i y C x Hγθθ=-式中y 是转化率，0θ、i θ分别是进料温度和出料温度，γ是进料重度，C 是物料的比热容，i x是进料浓度，H 是单位质量进料的反应热。

因为成分分析仪表价格高，维护困难等原因。

通常采用温度作为间接质量指标，有时辅以夹套式反应器的压力和处理量（流量）等控制系统，满足夹套式反应器正常操作的控2 物料平衡和能量平衡为使反应正常操作，反应转化率高，需要保持进入夹套式反应器各种物料量份额或物料的配比符合要求。

为此对进入夹套式反应器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。

此外部分物料循环的反应的过程中为保持原料的浓度和物料平衡需设置辅助控制系统。

由于反应过程有热效应，因此应该设置相应的热量平衡控制系统。

能量平衡控制要保持化学反应器的热量平衡。

应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。

能量平衡控制对化学反应器来说是重要的，它关系到安全生产，也间接的保证了化学反应器的产品质量达到了生产工艺要求。

3 约束条件约束条件防止夹套式反应器的过程变量进入危险工作区或不正常工况。

必须设置相应的参数反应到控制系统中。

假设本设计是在一般条件下的反应器装置，没有爆炸危险，因此只涉及了反应液液位报警系统，在反应器内反应液液位过高或过低时系统将发出报警信号[1]。

2 被控对象特性研究2.1建立动态数学模型绝大部分被控工业对象都是具有稳定性，是一个开环稳定的对象。

通常，化学反应过程伴有强烈的热效应。

有的是吸热，也有的是放热。

然而本反应器的反应设置为放热反应。

对于具有放热效应的对象，因外干扰式反应器温度升高，随着反应速度的加快，释放的热量也迅速增多，最终导致温度不断上升。

因此对于这种具有正负反馈性质的放热器，在外扰作用下，温度的变化将向两个极端方向发展：一种是温度一直上升，最终使反应器急速终了；另一种是若外扰先引起反应器温度下降，则温度不断下降，直到反应停止。

不少高分子聚合过程的情况就是如此，遂于这样的放热反应过程，如果没有适当的换热促使，将是一个开环不稳定的对象。

化学反应过程涉及物料、能量平衡、反应动力学等，利用动态数学模型可以更好的了解这些量的物理意义。

以夹套式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。

其中夹套式液相反应器装置如图1所示：图1 夹套式反应器1 基本动态方程式 （1）基本假设①两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；②径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度相同； ③传热系数U 和比热Ca 、Cb 恒定不变； ④管壁热容忽略不计；⑤外部绝热良好，即不考虑热损失。

（2）系统基本方程式的建立对内管流体A 列写微元d τ的热量衡算式：式中：同理可得外管流体B 的热量衡算式： 式中：（3）偏微分方程的求解：在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸收塔、管式和固定床式反应器等都属于分布参数对象，它们的动态方程为偏微分方程。

偏微分方程的求解方法主要有传递函数法、分段集总化处理方法、正交配置法和数值解法。

对于较简单的（自变量不大于两个，线性定常）偏微分方程，一般可以通过传递函数法求解。

(,)[(,)(,)](,)(,)(,)∂=-+∂∂⎡⎤-+⎢⎥∂⎣⎦A a aB A a a A A a a A T t MC d UAd T t T t C T t t T t C T t d τττττωττωτττ11(,)(,)[(,)(,)]∂∂⇒+=-∂∂A A B A T t T t T a T t T t t τττττ11==a a a aM UAT a C ωω22(,)(,)[(,)(,)]∂∂+=-∂∂B B A B T t T t T a T t T t t τττττ22==bbb bM UAT a C ωω①首先进行由时间域t 到复域S 的拉氏变换，在TA 、TB 取增量形式时，初始条件为0，由式可得：②进行由距离域τ到复域Ｐ的拉氏变换，边界条件如下：令AP=(Φ1-Φ2)2+4a1a2，则式(4.42)右端分母可写为： TA0对TA1 、TB1的传递函数,以及TB0对TA1 、TB1的传递函数可以表示成矩阵的形式：2 模型的简化：有上式整理得被控对象传函为：111()1psP P P K e G s T s τ=+;222()1D D D K G s T s =+1122(,)(,)[(,)(,)](,)(,)[(,)(,)]+=-+=-A A B A B B A B dT S T ST S a T S T S d dT S T ST S a T S T S d ττττττττττ01100110(,)()(,)()(,)()(,)()========A A A A B B B B T S T S T S T S T S T S T S T S ττττττττ111212(,)(,)()[(,)(,)](,)(,)()[(,)(,)]+-=-+-=-A A A B A B B B A B T ST P S PT P S T S a T P S T P S T ST P S PT P S T S a T P S T PS 2121212222221212121212122212()22422442+Φ+Φ+ΦΦ-Φ+ΦΦ+Φ+ΦΦΦ+Φ-ΦΦ+=+⨯+-Φ+Φ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭⎝⎭P P a a a a P PP 12()22110101212()sinh 2sinh ()()()()2()sinh -Φ+Φ⎤+Φ-Φ⎥⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦+Φ-Φ⎣A A B B a T S T S T S T S a2.2 被控变量和控制变量的选择1 被控变量的选择（1）主被控变量的选择根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。

夹套式反应器的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。

因此，若要反映工艺指标，夹套式反应器内反应温度必须是T-T串级控制系统的主被控变量。

（2）副被控变量的选择从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，起到超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，把对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。

同时冷却水温度变化是主要扰动，包括水温变化、水量变化等许多的扰动。

因此采用夹套水温度作为副被控变量。

这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。

2 控制变量的选择控制变量是在系统中加以控制的变量。

除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。

在夹套式反应器中反应温度和夹套水温度构成的T-T串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取冷却水流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。