李海霞，杜青青

(蘭州石化職業(yè)技術學院，甘肅蘭州730060)

化學反應器是化工裝置的重要設備之一，以工業(yè)反應器中進行的反應過程為研究對象，研究反應器傳遞過程對化學反應的影響以及反應器動態(tài)特性和反應器參數(shù)的敏感性，以實現(xiàn)工業(yè)反應器的可靠設計和操作控制。反應器的反應狀態(tài)將直接影響到后序的工藝操作，并很大程度上決定了產(chǎn)品的質量。因此，反應器的控制優(yōu)化具有重要的實際意義[1-2]。另外，多種物料在進入反應器前，需要先在混合罐中充分混合，反應器出料需進入閃蒸罐進行閃蒸處理，并且回收一部分物料。為此，本文以反應器為主，結合混合罐、閃蒸罐的工藝要求，通過分析對象特性，依據(jù)連續(xù)過程控制的實施過程[3-4]，設計了1套多容器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用PCS7[5]進行控制方案的實施，控制效果滿足了工藝要求。

1 工藝流程分析

正常工況下的工藝過程： 原料A與B分別進入混合罐V101內，混合物料經(jīng)預熱器E101升溫后，進入放熱反應器R101進行反應，反應所需的催化劑從反應器頂部加入。在反應過程中，反應放熱強烈，因此反應器R101采用夾套式水冷卻。反應轉化率與反應溫度、停留時間、反應物料質量分數(shù)及混合配比有關。在反應器頂部設1路抑制劑，當反應壓力過高危及安全時，通入抑制劑F，使催化劑迅速中毒失活，從而中止反應。冷卻水吸收反應器的放熱量形成熱水，熱水通往E101預熱器，對進料進行預熱的同時，回收一部分熱量，多余的熱水通往公用工程。為了回收原料A，在反應器下游設置了閃蒸罐V102，將混合生成物中過量的原料A分離、提純，以備循環(huán)使用。閃蒸罐V102底部的混合生成物經(jīng)輸送泵加壓，送到下游分離工序，進行提純、精制，以分離出產(chǎn)品。工藝過程如圖1所示。

圖1 放熱反應的工藝過程示意

2 控制方案

該反應釜中反應為放熱反應，反應的溫度平穩(wěn)控制至關重要，在滿足安全、穩(wěn)定、綠色生產(chǎn)的基礎上，須充分滿足能耗、經(jīng)濟效益等質量指標的要求。

2.1 混合罐進料比值控制

混合罐需克服進料流量的擾動，同時控制qm(A)，qm(B)，qm(催化劑)約符合9∶3∶1的比值要求，以保證反應產(chǎn)物的質量。為了維持混合罐液位的穩(wěn)定，使混合罐的出口流量和進料流量保持一定的平衡關系，以混合罐的出口流量乘以比值系數(shù)K1和K2分別作為A和B物料的進料流量的給定值。混合罐進料qm(A)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖2所示；進料qm(B)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與A類似，比值為K2。

2.2 反應器進料比值控制

混合罐內達到一定的液位時，混合物料進入反應器，同時打開催化劑管線閥門，催化劑與混合原料按一定配比由反應器頂部加入，此時原料A和B在反應器里進行化學反應。由此設計qm(A，B混合物料量)-qm(催化劑)比值控制系統(tǒng)，反應器進料比值控制系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖2 qm(A)單閉環(huán)比值控制系數(shù)示意

圖3 反應器進料比值控制系統(tǒng)示意

2.3 反應器溫度-冷卻水流量串級控制

反應加入了催化劑，會出現(xiàn)強放熱，使反應器內溫度上升。通入冷水控制加熱速率，但加熱速率過慢會使反應停留在低溫區(qū)，此時副反應加強，影響了主產(chǎn)物的產(chǎn)率；但加熱速率過快會使反應器溫度迅速升高，因此通過調節(jié)循環(huán)冷卻水控制反應溫度。串級控制系統(tǒng)副回路能減少對象時間常數(shù)，使系統(tǒng)響應速度加快，與單回路控制相比串級控制抗干擾能力更強，故采用溫度-流量串級控制系統(tǒng)。反應器溫度-冷卻水流量串級控制如圖4所示。

圖4 反應器溫度-冷卻水流量串級控制示意

2.4 反應器液位單回路控制

反應器液位單回路控制如圖5所示，當反應器達到一定液位時，反應生成液進入閃蒸罐進行閃蒸，因此要對反應器液位進行控制。

圖5 反應器液位單回路控制示意

控制過程中還要注意反應器的液位不能超過上限或低于下限，否則會損壞反應器。以混合罐出口流量作為操縱變量，構成液位單回路控制系統(tǒng)。

2.5 閃蒸罐壓力-進料流量串級控制

壓力過高或過低，對金屬導管和負荷設備都不利。壓力過高，可能導致管路、設備的損壞或爆裂；壓力過低，不可能達到所需的反應轉化率。用重復利用的物料A的質量流量去控制閃蒸罐的壓力，操縱變量是閃蒸罐物料A出口調節(jié)閥的質量流量。為避免罐內壓力干擾導致的突變，引入了串級控制。閃蒸罐進料流量波動會影響罐內溫度，進而影響壓力。因此，選擇進料流量為副變量，形成壓力-流量串級控制。閃蒸罐壓力-進料流量串級控制如圖6所示。

圖6 閃蒸罐壓力-進料流量串級控制示意

2.6 出口產(chǎn)品D流量單回路控制

閃蒸罐出口產(chǎn)品D的質量在一定程度上影響著閃蒸罐壓力的穩(wěn)定，因此需要控制其出口質量流量穩(wěn)定。以閃蒸罐出口產(chǎn)品qm(D)作為操縱變量，構成閃蒸罐出口產(chǎn)品qm(D)單回路控制系統(tǒng)，出口產(chǎn)品qm(D)單回路控制如圖7所示。

圖7 出口產(chǎn)品qm(D)單回路控制示意

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 過程控制實訓系統(tǒng)

過程控制實訓系統(tǒng)SMPT-1000將實際生產(chǎn)中的各種被控對象用動態(tài)仿真技術呈現(xiàn)在實驗設備上，該系統(tǒng)由設備操作臺、過程模型軟件和數(shù)字化儀表構成，通過數(shù)字通信實現(xiàn)了半實物模擬實驗。連續(xù)生產(chǎn)過程中，使用混合罐、反應器、閃蒸罐和檢測變送裝置，可對流量、溫度、液位、壓力等進行測量。

3.2 控制系統(tǒng)硬件配置

控制器選擇SIMATIC S7-400系列PLC，CPU型號為412-5，內置Profibus接口，用于連接分布式I/O[6-7]。電源選擇PS407直流10 A，通信網(wǎng)口選擇CP443-1。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到S7-400的CP443-1模塊，CPU通過Profibus DP連接到SMPT-1000的PM125通信模塊上。由上位機，S7-400，SMPT-1000組成的控制系統(tǒng)結構如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件結構示意

3.3 控制系統(tǒng)組態(tài)

控制方案所使用的軟件是PCS7 V8.0 SP1版本，組態(tài)采用單工作站系統(tǒng)，即工程師站ES和操作員站OS在同一臺上位機上。在完成AS和OS編譯和下載后，打開NetPro視圖，建立OS站和AS站的連接。在工廠視圖中進行連續(xù)功能圖CFC的設計、順序功能圖SFC的編寫與調試。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

3.4 控制系統(tǒng)實施效果

采用多容器控制系統(tǒng)后，使qm(D)達到了78%。反應器R101溫度控制在95 ℃±1 ℃，超調量小，動態(tài)性能優(yōu)良；反應器R101液位控制在50%±2%，調節(jié)時間短。閃蒸罐V102壓力控制在 50 kPa±2 kPa，調節(jié)時間小于300 s。混合生成物質量流量控制在7.5 kg/s±0.1 kg/s，調節(jié)時間小于100 s，流量波動在±0.5 kg/s。

4 結束語

以SMPT-1000多容器為研究對象，在充分分析工藝特性的基礎上，進行基礎過程控制系統(tǒng)的設計。利用PCS7，完成了系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了產(chǎn)物D的質量分數(shù)控制，各項指標均達到技術要求。實施結果表明： 該方案設計合理，控制效果較好。