Основные элементы схем автоматического управления реакторами непрерывного действия

Несмотря на большое разнообразие химических процессов, их аппаратурного оформления, системы автоматического управления отдельными реакторами и целыми установками имеют типовые схемы стабилизации и регулирования основных параметров: расход реагента, уровень реакционной массы, давление, температура в реакторе, состав (концентрация) в реакторе.

Среди перечисленных величин центральное место занимает расход, так как только путем изменения расходов материальных потоков можно регулировать, прямо или косвенно, все прочие параметры.

Рис.1. а – полная схема регулирования расхода,

б - упрощенная схема регулирования расхода.

Схема регулирования расхода (рис. 1 а) включает в себя:

- 1 - датчик, измеряющий расход;

- 2 – преобразователь, вырабатывающий сигнал датчика в унифицированный сигнал;

- 3 - регулятор расхода, в соответствии с законом регулирования осуществляет сравнение унифицированного сигнала с заданным значением;

- 4 - исполнительный механизм, который преобразует управляющий сигнал в механическое воздействие;

- 5 - регулирующий орган, непосредственно воздействующий на регулируемый поток.

В дальнейшем эта схема будет изображаться в упрощенной форме (рис.1б).

Каскадные схемы часто применяются при регулировании температуры химических реакторов, так как даже небольшие отклонения температуры могут привести к ухудшению качества выходного продукта, а иногда к срыву реакции.

Весьма разнообразными являются схемы регулирования температурного режима процесса. В реакторах с тепловой рубашкой или встроенным теплообменником заданную температуру поддерживают путем изменения расхода теплоносителя (рис.2а). При наличии выносных регуляционных теплообменников температурный режим можно поддерживать путем изменения расхода циркулирующего потока (рис.2б). На установках с рекуперативным теплообменником преимущественно применяется схема регулирования, предусматривающая управление байпасного потока (рис. 2 в).

При использовании в качестве теплоносителя конденсирующего водяного пара или кипящей жидкости возможно применение трехступенчатой схемы (рис. 2г). По этой схеме выходной сигнал от регулятора температуры (ТRC) управляет работой регулятора давления (РRC). Выходной сигнал с регулятора давления используется для коррекции расхода теплоносителя путем воздействия на регулятор расхода (FRC). Введение дополнительного контура по давлению способствует стабилизации теплового потока, так как давление в зоне конденсации кипения однозначно определяет температуру теплоносителя.

На (рис. 2 д) показана каскадная схема регулирования, в которой изменение температуры в рубашке реактора осуществляется регулированием давления кипящего хладоагента регулирующим органом, установленным на линии отвода кипящего хладоагента.

Уровень конденсата в рубашке стабилизируется регулирующим органом, установленным на линии подачи кипящего хладоагента.

На (рис.2 е) дана каскадная схема регулирования температуры в реакторе при осуществлении в нем экзотермической реакции. Регулятор температуры в реакторе TRC₁ изменяет задание регулятору температуры TRC₂ в рубашке реактора. На вход первичного регулятора поступает разность между заданным и измеренным значениями температуры реактора. Вторичный регулятор изменяет расход охлаждающей жидкости, поддерживая то значение температуры в водяной рубашке реактора, которая задается первичным регулятором. Основная инерция системы определяется аккумулирующей способностью жидкости в рубашке реактора, стенки реактора и жидкости в реакторе.

Рассмотрим реакцию системы на мгновенное увеличение температуры охлаждающей воды. Если предположить, что вода в рубашке хорошо перемешивается, температура в последней мгновенно начинает расти, и в течение нескольких секунд регулирующей клапан открывается, увеличивая расход воды. Колебания температуры в рубашке затухают за несколько циклов, причем период этих колебаний зависит непосредственно от собственной частоты внутреннего контура. Колебания температуры в реакторе будут значительно меньшими, чем в рубашке, благодаря демпфирующему действию стенки и самого реактора.

Если бы вторичный регулятор отсутствовал, изменения температуры воды не обнаружились бы так быстро, потому что сигнал, прежде чем попасть на вход регулятора, должен был бы пройти последовательно через четыре инерционных элемента (клапан, рубашка, стенка, реактор), включая распределенное термическое сопротивление стенки. При этом до начала работы регулятора температура в рубашке стала бы значительно выше, что привело бы к большому отклонению температуры в реакторе.

Как максимальное отклонение, так и период колебаний при этом были бы гораздо большими, чем при каскадном регулировании.

Начальный эффект возмущения (изменения расхода и температуры реагента, поступающего в реактор) обнаруживается почти мгновенно первичным преобразователем и первичным регулятором, но регулирующее воздействие прикладывается с инерцией, определяемой другими элементами системы. Максимальное отклонение оказывается при этом значительно большим, чем при эквивалентных возмущениях по изменению нагрузки, и может быть лишь немногим меньше, чем в одноконтурной схеме. Однако период колебаний в каскадной схеме всегда меньше, так как внутренний контур уменьшает инерционность системы, и, таким образом, в случае использование каскадного регулирования интеграл ошибки при возмущении по изменению расхода или температуры реагента также уменьшается.

Применение каскадного регулирования особенно эффективно тогда, когда внутренний контур обладает значительно большим быстродействием, чем внешний, и когда основные возмущения приложены к элементам внутреннего контура.

Давление в реакторах регулируется, как правило, путем изменения расхода газа или жидкости на выходе из аппарата.

Рис.2. Схемы автоматического регулирования температурного режима химических реакторов.

е) по температуре в рубашке

д) по давлению кипящего хладоагента в рубашке.

3.Устойчивость тепловых режимов реакторов

При оптимизации химических реакторов, в которых протекают экзотермические реакции, и управлении или одним из основных вопросов является определение тепловой устойчивости реакторов.

Понятие устойчивости системы впервые сформулировал А.М. Ляпунов: «Система называется устойчивой, если после наложения какого-либо возмущения она возвращается в прежнее состояние при снятие этого возмущения».

Применительно же к химическим реакторам, в которых проходят экзотермические реакции, различные возмущения (изменение расходов поступающих компонентов, ухудшение теплоотвода, флуктуации состава исходной смеси и т.д.) могут настолько вывести процесс из стационарного состояния, что он уже не вернется к исходному режиму.

Рассмотрим реактор непрерывного действия с мешалкой.

Скорость подачи реагентов, концентрация исходных веществ во входном потоке и время пребывания реагентов в реакторе постоянны. В реакторе осуществляется необратимая экзотермическая реакция первого порядка. Часть тепла реакции отводится с потоком выходящего продукта, а другая часть передается охлаждающей воде в рубашке реактора. Тепло, выделяющееся в результате химической реакции, и тепло, отводимое через рубашку реактора и с выходящим продуктом, можно изобразить графически в зависимости от температуры реакции, как показано на рисунке 15:

Рис. 3 Возможные состояния равновесия для реактора с перемешивающим устройством.

Кривая тепловыделений характеризует количество тепла, выделяющегося при соответствующей установившейся температуре в реакторе.

На начальном участке наклон кривой тепловыделения увеличивается вследствие экспоненциального влияния температуры на скорость реакции.

На конечном участке кривой наклон начинает убывать вследствие уменьшения концентрации реагентов, и кривая тепловыделения асимптотически приближается к количеству тепла, выделяемому при полном превращении реагентов.

Количество отводимого тепла линейно зависит от температуры, если коэффициент теплопередачи, температура рубашки и теплоемкость продукта постоянны.

На рис. 3 показаны три возможные случая работы реактора при различных значениях температуры рубашки и общем коэффициенте теплопередачи.

В первом случае существует только одно пересечение линии теплоотвода с кривой тепловыделения (т. А), которое и определяет температуру реакции. Эта точка соответствует устойчивой работе реактора, т.к. малое увеличение температуры в реакторе вызывает значительно больший рост теплоотвода, чем образование тепла. Это приводит к снижению температуры до ее прежнего состояния.

Во втором случае коэффициент теплопередачи тот же, что и ранее, то температура рубашки реактора выше, и единственное пересечение кривой тепловыделений с линией топлоотвода существует только в точке В – точке устойчивой работы реактора при условиях, близких к почти к полному превращению реагентов.

В третьем случае, когда кривая тепловыделений пересекается в трех точках с прямой теплоотвода, точка Д характеризует неустойчивый режим работы реактора, хотя уравнение теплового баланса в ней все же удовлетворяется. Небольшое увеличение температуры в этом случае увеличивает скорость выделения тепла реакции сильнее, чем скорость теплоотвода, что вызывает быстрое повышение значение температуры, соответствующего состоянию равновесия в точке Е. Уменьшение температуры от значения, соответствующего точке Д, приводит к ее снижению до величины, соответствующей точке С.

Характеристики, приведенные на рис. 3, соответствуют равновесным скоростям выделения и отвода тепла и определяют необходимое, но не достаточное условие устойчивости реактора, которое заключается в том, чтобы наклон линии отвода тепла в точке пересечения характеристик был больше, чем наклон кривой выделения тепла. При анализе устойчивости необходимо учитывать динамику реактора и, в частности, скорость изменения концентрации реагентов с температурой.

Если реактор работает в режиме, соответствующем точке С, где степень превращения составляет» 30 %, и температура реакции резко поднимается на 1⁰С, то возрастание скорости выделения тепла будет больше, чем это следует из равновесной кривой, т.к. концентрация реагентов при новом значении температуры не сразу достигает своего равновесного значения. Максимальное увеличение скорости выделения тепла происходит, если концентрация реагентов постоянна.

Если температура в т. Е допустима по условиям технологии, то работать следует при ней, т.к. в этом случае скорость реакции и степень превращения будут максимальны. Однако в некоторых случаях эта температура является недопустимо высокой: например, потому, что при ней начинают идти побочные процессы.

Работать при температуре, соответствующей т. С нецелесообразно, т.к. скорость реакции слишком мала, а при температуре в т. Д – режим неустойчив. Что делать?

1 – Построить систему автоматического регулирования, стабилизирующую неустойчивый режим.

2 – Сделать теплоотвод столь интенсивным, чтобы линия отвода тепла была всюду круче линии его выделения.

Повышать устойчивость можно, увеличивая либо коэффициент теплопередачи, либо поверхность теплопередачи.

Диаграммы выделения — отвода тепла можно использовать для изучения связи между другими параметрами процесса. На рис. 4 показано изменение режима работы реактора при из­менении времени пребывания вещества (кривые T¹_ср, Т²_ср, Т³_ср) и одинаковых условиях отвода тепла из реактора (пря­мая линия). Время пребывания вещества в реакторе определя­ется его объемом и расходом реагента. Последний может быть использован в качестве управляющего воздействия.

При боль­шом и малом времени пребывания вещества в реакторе (кри­вые T¹_ср и Т³_ср) в нем возможно только одно стационарное со­стояние (точка 5 для T¹_ср и 1 для Т³_ср ). При большом времени пребывания вещества химическая реакция будет проходить поч­ти полностью и поэтому стационарное состояние в реакторе устанавливается при высокой температуре. При малом време­ни пребывания превращение в реакторе мало (вещество «про­скакивает» через реактор) и стационарная температура в нем низкая. В промежуточном случае в реакторе возможно три ста­ционарных состояния (точки 2, 3, 4).

Рис. 4 Влияние времени пребывания вещества на режим работы реактора

Диаграмма выделения - отвода тепла в реакторе позволяет оценить устойчивость его стационарных состояний. На рис. 5 представлен случай, когда в реакторе возможно три стационар­ных состояния (точки b, с, d). Пусть режиму работы реактора соответствует стационарное состояние в точке b. Если по каким-либо причинам температура в реакторе станет выше, чем у_2b, например, , то количество выделяемого тепла будет , а отводимого — , причем .

Поскольку теперь отводится тепла больше, чем выделяется, температура в реакторе будет снижаться и возвращаться к зна­чению y_2b. При снижении температуры по сравнению с у₂ь, т. е. при , количество выделяемого тепла Q₁ ( ) бу­дет больше, чем отводимого Q₁ ( ), и, следовательно, тем­пература в реакторе будет расти до точки b, где Q₁ = Q₂. Таким образом, стационарное состояние реактора в точке b является устойчивым.

Аналогичный анализ для точек d и с показывает, что точ­ка d соответствует устойчивому, а точка с — неустойчивому ста­ционарному состоянию реактора, так как в последнем случае даже при незначительном отклонении от состояния равновесия температура в реакторе будет либо увеличиваться до точки d (при отклонении ), либо уменьшаться до точки b (при отклонении ).

Анализ устойчивости по диаграмме выделения — отвода теп­ла дает необходимое, но не достаточное условие устойчивости. Кроме того, следует иметь в виду, что речь идет об устойчиво­сти «в малом» (т. е. при небольших отклонениях от стационар­ного состояния). Если, например, реактор работал в нижнем стационарном состоянии (точка b), и под действием возмущений температура в реакторе выросла до значения, большего, чем y_2с, то после снятия возмущения режим в реакторе не вернется в точку b, а придет к верхнему стационарному состоянию (точ­ка d). Возникновение неустойчивости в реакторе связано с на­личием внутренней положительной обратной связи при осу­ществлении экзотермических процессов: скорость реакции с ростом температуры в реакторе экспоненциально увеличива­ется, что приводит к увеличению количества выделяемого тепла реакции и, в свою очередь, вызывает рост температуры в аппа­рате, и т. д.

На основании изложенного выше можно получить аналити­ческую запись критерия устойчивости стационарного состояния, вытекающего из анализа диаграммы выделения — отвода теп­ла: для устойчивости стационарного состояния необходимо, что­бы наклон линии тепловыделения в точке стационарного со­стояния был меньше, чем наклон линии теплоотвода, т. е. при изменении температуры скорость тепловыделений была меньше, чем скорость теплоотвода:

4. Проблемы устойчивости

В экзотермических химических реакторах увеличение скорости реакции с температурой можно рассматривать как результат действия положительной обратной связи, которая стремится сделать систему неустойчивой.

Положительная обратная связь имеет место также в автокаталитических системах и может привести к возникновению автоколебаний при постоянной температуре в реакторе.

Внутренняя положительная обратная связь возникает в том случае, когда тепло выходящих продуктов адиабатического реактора используется для подогрева реагентов. Небольшое изменение скорости реакции приводит к увеличению температуры на выходе реактора, после этого более нагретый продукт проходит через теплообменник, еще больше нагревая реагенты, что в свою очередь приводит к дополнительному увеличению скорости реакции.

Возврат части выходящего потока на вход реактора является внешней обратной связью, которая может быть либо положительной, либо отрицательной в зависимости от кинетики реакции. Если реактор изотермический, то возврат непрореагировавшей части реагентов обычно является положительной обратной связью, однако режим работы реактора при этом все же устойчив. Увеличение концентрации поступающего реагента приводит к увеличению концентрации реагента в выходном продукте, но при этом для реакций первого, второго дробного порядков коэффициент увеличения будет меньше единицы.

Поэтому незначительное уменьшение скорости реакции приводит к поспешному увеличению концентрации реагента на входе реактора до тех пор, пока общее количество вещества, прореагировавшего в единицу времени, не станет равным расходу свежего реагента.

В адиабатическом реакторе величина температуры и процент конверсии могут быть очень чувствительны к изменениям в величине расхода или в составе рецикла.

Наибольшую сложность представляет нелинейность статических характеристик и гистерезисные явления в процессе эксплуатации. Статические характеристики химических реакторов могут быть получены из уравнений материального и теплового балансов, описывающих поведение химических реакторов.

Рис. 6. Статические характеристики (Явление гистерезиса)

Х2 – температура на входе в химический реактор;

У2 – значение температуры в объеме реактора.

Согласно этой характеристике, если повысить температуру реагентов, поступающих в химический реактор на входе, то температура в зоне реакции также повысится. Такое однозначное соответствие будет продолжаться до т.В. Дальнейшее повышение температуры реакционной смеси на входе даже на ничтожно малую величину вызовет резкое повышение температуры в объеме реактора и режим работы реактора перейдет из т.В в т.Д (зажигание смеси). Дальнейшее повышение температуры пойдет по линии ДЕ. Если начнем понижать температуру на входе в химический реактор, то режим работы химического реактора будет опускаться по линии ЕДС и в т. С произойдет скачкообразный переход режима работы химического реактора в т.А. В т.В происходит резкий разогрев реакционной смеси в химическом реакторе. И температура в объеме скачком повышается от У2В до У2Д; происходит так называемое зажигание смеси. При охлаждении, т.е. когда температура на входе в химический реактор понижается, в т.С произойдет резкое понижение температуры реакционной смеси от У2С до У2А и реакция прекратится. Перескок режима из т.В в т.Д и с т.С в т.А именуется гистерезисом статической характеристики химического реактора. Тот факт, что в т.В возникает резкий разогрев, а в т.С – резкое охлаждение нужно учитывать при построении системы управления химического реактора и особенно при построении системы пуска реакторов. Кроме температуры реакционной среды на входе в реактор сильнейшее влияние на форму статической характеристики оказывает концентрация реагентов на входе в реактор. При больших концентрациях статическая характеристика опускается вниз. Из этого следует, что для достижения более устойчивой работы химического реактора и исключения множественности стационарных состояний, концентрации реагентов на входе в химический реактор поддерживаются на меньшем значении – устойчивость работы повышается.