课程名称 过程控制工程 讲新课 课 (化学反应器的类型、 型 化学反应器的控制要 求) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 教学内容 18.11化学反应器的类型 18.1.2化学反应器的控制的控制要求 教学目的 通过本节课的学习，使学生了解化学反应器的类型和控制要求 教学重点 化学反应控制器的要求 难点：化学反应控制控制器的要求 教学难点 策略： 及相应的 通过举例来说明控制要求中的四个方面 教学策略 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 教学方法 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合 -1
- 1 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （化学反应器的类型、 化学反应器的控制要 求） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 18 化学反应器的控制 18.1 概述 18.1.1 化学反应器的类型 18.1.2 化学反应器的控制的控制要求 教学目的 通过本节课的学习，使学生了解化学反应器的类型和控制要求 教学重点 化学反应控制器的要求 教学难点 及相应的 教学策略 难点：化学反应控制控制器的要求 策略： 通过举例来说明控制要求中的四个方面 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 教学过程 教学方法、 分配 手段 18化学反应器的控制 述 18.1概述 化学反应在化学反应器中进行，化学反应器在石油、化工生产中占有重要地 位。它的重要性体现在两个方面，首先它是整个石油、化工生产中的龙头，提高 在密。少后处的从而降低生产成太。这一化学后应哭起若关作田 钟 其次，化学反应器经常处在高温、高压、易燃、易爆条件下进行反应 且许多化 学反应伴有强烈的热效应，因此整个石油、化工生产的安全与化学反应器密切相 关。 18.11化学反应器的类型 化学反应器种类繁多，为了能正确进行化学反应器控制系统的设计，必需对 反应器的几种基本形式有一个大致的了解， (1)按反应器进出物料状况：连续式、间歇式 间歇式反应器：将反应物料分次或一次加入反应器中，适用于小批量、反 应时间长或对全过程的反应温度有严格程序要求的场合 连续反成器，物制连建加入，反应连续不断地讲行，产品不惭地取出，品 工业生产中最常用的一种。 一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形 化学 式。 探究式 (2)按物料流程：单程、循环图181 讲授法 单程：物料在反应器后不再进行循环。如图18-1()当反应的转化率和 产率都较高时，可采用单程的排列。 循环：在产品进行分离之后，把没有反应的物料循环与信箱物料混合后 的类型 再送入反应器进行反应， 如图18. (b) 注意：在进料中若含有惰性物质，则在多次循环后，惰性物将在系统中大 量积聚，影响进一步的反应，为此需把循环物料部分放空。 (3)按设备结构：釜式、管式、塔式、周定床、流动床反应器等图18-2。() 为连续聚合釜，釜式反应器也有间歇操作的：(b)为管式结构反应器，实际上就 根管道：(c)为塔式反应器，从机理上分析，塔式反应器与管式反应器十分 相似：()固定床反应器是一种比较古老的反应器：为了增加反应物之间的接触 钟 强化反应，可以将因相催化剂悬浮于流体之中，成为流化床反应器。 (4)按传热情况：绝热式、非绝热式 绝热式反应器：与外界不进行热量交换 非绝热式反应器：与外界进行交换热量。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 2
- 2 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 概 述 5 分 钟 化 学 反 应 器 的 类 型 15 分 钟 18 化学反应器的控制 18.1 概述 化学反应在化学反应器中进行，化学反应器在石油、化工生产中占有重要地 位。它的重要性体现在两个方面，首先它是整个石油、化工生产中的龙头，提高 产率，减少后处理的负荷，从而降低生产成本，这一切化学反应器起着关键作用； 其次，化学反应器经常处在高温、高压、易燃、易爆条件下进行反应，且许多化 学反应伴有强烈的热效应，因此整个石油、化工生产的安全与化学反应器密切相 关。 18.1.1 化学反应器的类型 化学反应器种类繁多，为了能正确进行化学反应器控制系统的设计，必需对 反应器的几种基本形式有一个大致的了解。 （1）按反应器进出物料状况：连续式、间歇式 间歇式反应器：将反应物料分次或一次加入反应器中，适用于小批量、反 应时间长或对全过程的反应温度有严格程序要求的场合 连续反应器：物料连续加入，反应连续不断地进行，产品不断地取出，是 工业生产中最常用的一种。一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形 式。 （2）按物料流程：单程、循环 图 18-1 单程：物料在反应器后不再进行循环。如图 18-1（a）当反应的转化率和 产率都较高时，可采用单程的排列。 循环：在产品进行分离之后，把没有反应的物料循环与信箱物料混合后， 再送入反应器进行反应，如图 18-1（b） 注意：在进料中若含有惰性物质，则在多次循环后，惰性物将在系统中大 量积聚，影响进一步的反应，为此需把循环物料部分放空。 （3）按设备结构：釜式、管式、塔式、固定床、流动床反应器等图 18-2。(a) 为连续聚合釜，釜式反应器也有间歇操作的；（b）为管式结构反应器，实际上就 是一根管道；（c）为塔式反应器，从机理上分析，塔式反应器与管式反应器十分 相似；（d）固定床反应器是一种比较古老的反应器；为了增加反应物之间的接触， 强化反应，可以将因相催化剂悬浮于流体之中，成为流化床反应器。 （4）按传热情况：绝热式、非绝热式 绝热式反应器：与外界不进行热量交换 非绝热式反应器：与外界进行交换热量。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 探究式 讲授法
181.2化学反应馨的控制的控制婴求 对于一个化学反应器，需要从四个方面加以控制。 (1)物料平衡控制 探究式 稳定角度出发，流入量应等于流出量，如属可能常常对主要物料进行流量 讲授法 化 控制。另外，有一个部分物料在系统内循环，应定时排放或放空系统的惰性物 料 (2)能量平衡控制 名媒依 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 演示法 器 能量平衡决定了反应器的安全声场，也间接保证化学反应器的产品质量边 的 到工艺的要求 (3)约束条件控生制 板书、 要防止工艺参数进入危险区域或不正常工况，为此应配置一些报警、联锁 互动法 和选择性控制系统，进行安全界限的保护性控制 (4)质量控制 般的质量指标：转化率，要选择间接指标控制 使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分。 质量指标的选取，即被控变量的选择可分为，取出料的成分或反应的转化 等指标作为被控变量：取反应过程的工艺状态参数（间接质量指标）作为被控 变 以丙烯聚合反应釜为例，说明这些控制系统的设置情况。 从图18-3中可以上述4个方面的控制。 (1)物料平衡控制。镇定输入物料量：聚合反应的主要原料丙烯及乙烯、乙 炔分别设置流量定值控制。另外聚合反应物浆液采出有液位控制。 (2) 能量平衡控制。反应釜的釜温控制冷却水量，使进、出釜及反应生成热 达到平衡。 (3)质量控制。在图中画出以气相出料中H2含量为质量指标，组成H2含 28 量与加入H,流量的串级控制系统，通过调整H,的加入量，保持反映 聚合反应进行好坏的气相中H,含量为某给定值。此外，尚可设置熔融 指数1的质量控制系统。 (4)约束条件控制。本工艺流程无爆炸危险，故控制较为简单，设有浆液液 位报警系统，在釜内浆液液位过高、过低时发出报警信号。 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2布置课后练习及下节课预习任务。 探究式 课后练习： 讲授法 预习： 3
- 3 - 化 学 反 应 器 的 控 制 的 控 制 要 求 28 分 钟 18.1.2 化学反应器的控制的控制要求 对于一个化学反应器，需要从四个方面加以控制。 （1）物料平衡控制 稳定角度出发，流入量应等于流出量，如属可能常常对主要物料进行流量 控制。另外，有一个部分物料在系统内循环，应定时排放或放空系统的惰性物 料 （2）能量平衡控制 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。 能量平衡决定了反应器的安全声场，也间接保证化学反应器的产品质量达 到工艺的要求 （3）约束条件控制 要防止工艺参数进入危险区域或不正常工况，为此应配置一些报警、联锁 和选择性控制系统，进行安全界限的保护性控制 （4）质量控制 一般的质量指标：转化率，要选择间接指标控制 使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分。 质量指标的选取，即被控变量的选择可分为，取出料的成分或反应的转化 率等指标作为被控变量；取反应过程的工艺状态参数（间接质量指标）作为被控 变量 以丙烯聚合反应釜为例，说明这些控制系统的设置情况。 从图 18-3 中可以上述 4 个方面的控制。 （1） 物料平衡控制。镇定输入物料量：聚合反应的主要原料丙烯及乙烯、乙 炔分别设置流量定值控制。另外聚合反应物浆液采出有液位控制。 （2） 能量平衡控制。反应釜的釜温控制冷却水量，使进、出釜及反应生成热 达到平衡。 （3） 质量控制。在图中画出以气相出料中 H2 含量为质量指标，组成 H2 含 量与加入 H2 流量的串级控制系统，通过调整 H2 的加入量，保持反映 聚合反应进行好坏的气相中 H2 含量为某给定值。此外，尚可设置熔融 指数 M1 的质量控制系统。 （4） 约束条件控制。本工艺流程无爆炸危险，故控制较为简单，设有浆液液 位报警系统，在釜内浆液液位过高、过低时发出报警信号。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法
讲新课 课程名称 过程控制工程 型 (反应器的特性、反应 器静态工作点的热稳定 性) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 182反应器的特性 教学内容 183反应器的热稳定性分析 183.1反应器静态工作点的热稳定性 通讨木节误的学习，使同学们了解反成器的一些特性，会分析反应器 教学目的 静态工作点的热稳定性 反应器的特性： 教学重点 反应器静态工作点的热稳定性。 难点：反应署静态工作点的热稳定性 教学难点 策略 及相应的 通过教师分析讲解反应器静态工作点的热稳定性 教学策略 探究式讲授法、百动法（提问）、演示法（多媒体） 教学方法 果堂讨论法（教师启发、引导学生发言、 教师评价并总结包括自问自答 教学手段 板书及多媒体有机结合
- 4 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （反应器的特性、反应 器静态工作点的热稳定 性） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 18.2 反应器的特性 18.3 反应器的热稳定性分析 18.3.1 反应器静态工作点的热稳定性 教学目的 通过本节课的学习，使同学们了解反应器的一些特性，会分析反应器 静态工作点的热稳定性。 教学重点 反应器的特性； 反应器静态工作点的热稳定性。 教学难点 及相应的 教学策略 难点：反应器静态工作点的热稳定性 策略： 通过教师分析讲解反应器静态工作点的热稳定性 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 182反应器的特性 化学反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，推导机理模型较为困 难，但有较明确的物理意义及对控制方案的指导。对一非绝热反应器的动态模型 作简要介绍，目的在于了解过程模型的建立方法，并由此引申出反应器的热稳定 性间顺的分析。 图184为一个非绝热连续反应器，反应器内进行的是防热反应。为了控能 反应的温度，必须通过载热体由夹套移去部分热量。 热量平衡关系： dQ1t(热量变化)=Q1(吸热/反应放热)-Q2(被移走的热量) 反应器内化学反应所产生的热量（单位时间）： 探究式 e-G 讲授法 式中G 一反应物的质量流量： 0 反应物的密度： 0一后成物的浓度。 器的 每摩尔的反应热 转化率 在不考虑反应器热损失的前提下，由反应物和载热体冷却所带走热量的总和 性 为： Q2=Gc,(0-0,)+KF(0-0.) 式中 5 8.一冷却剂入口温度： 分 日，日一分别表示反应器的进料温度和出料温度（即反应器内的温度）： C。一反应物的比热容（假定随着反应进行，组分变化，而C,为常数 K—载热体与反应器内物料总传热系数： 多媒体 F—传热面积： 演示法 反应器内蓄热量的变化为： 式中，V为反应器的容积 由以上几式，即得反应器的动态方程式为： y-KF(0-0)-Gc,(0-0) P 进行增量化，△9，=0，得： -5-
- 5 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 反 应 器 的 特 性 15 分 钟 18.2 反应器的特性 化学反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，推导机理模型较为困 难，但有较明确的物理意义及对控制方案的指导。对一非绝热反应器的动态模型 作简要介绍，目的在于了解过程模型的建立方法，并由此引申出反应器的热稳定 性问题的分析。 图 18-4 为一个非绝热连续反应器，反应器内进行的是防热反应。为了控制 反应的温度，必须通过载热体由夹套移去部分热量。 热量平衡关系： dQ/dt （热量变化）= Q1（吸热/反应放热）– Q2（被移走的热量） 反应器内化学反应所产生的热量（单位时间）； x yH G Q1 0 ρ = 式中 G——反应物的质量流量； ρ ——反应物的密度； x0——反应物的浓度； H——每摩尔的反应热； y——转化率 在不考虑反应器热损失的前提下，由反应物和载热体冷却所带走热量的总和 为： ( ) ( ) Q2 = Gc p θ −θ f + KF θ −θ c 式中 θ c ——冷却剂入口温度； θ f ,θ ——分别表示反应器的进料温度和出料温度（即反应器内的温度）； p c ——反应物的比热容（假定随着反应进行，组分变化，而 p c 为常数） K——载热体与反应器内物料总传热系数； F——传热面积； 反应器内蓄热量的变化为： dt d V c dt dQ p θ = ρ 式中，V 为反应器的容积 由以上几式，即得反应器的动态方程式为： ( ) ( ) 0 p KF c Gc p f y Gx H dt d V c θ θ θ θ ρ θ ρ = − − − − 进行增量化， Δϑ f = 0 ，得： 探究式 讲授法 多媒体 演示法
,盟--kKFa0-AQ)-c,0 消去中间变量△y,并进行线性化处理。 y=(0,x) 10 对本系统，假定x变化很小，即=，则=（岛A0,由于在小园 钟 国内（号为常蛋区，则Ey与0的线性关系线性化近以后文： 板书、 互动法 △y≈K,A9 可得 e,2r+c,-60=ka p 经拉氏变换得： e(s) Θ.s)Ts+1 式中K。= KF KF+GCr-Gx,HK T。= Vp Gx.H K, 这个非绝热反应器的动态特性，可以用一个一阶微分方程来描述，其传递 函数是一个 一阶滞后环节。在推导过程中忽略了反应器夹套间壁热容器，且假定 反应 釜内温度的分布是均匀的，因此简化为一个集中参数的对象。 18.3反应器的热稳定性分析 给大部分的被控工业对象都且有稳定性，是一个开环稳定的对象。饮而，反 定 应器的情况不 样，化学反应过程常伴有强烈的热效应，有的是吸热，也有的是 析 放热。吸热效应的过程，对于温度的变化，对象本身具有负反馈性质，其开环特 性是稳定的，与通常具有自衡的对象有相似的特性：但对于放热效应的过程，情 况完全相反。对于具有正反馈兴致的放热反应器，在外扰作用下，温度的变化将 5 向两个极端方向发展。一种温度一直上升，最终使反应急速终了：另一种如果外 钟 扰先引起反应器温度下降，则温度不断下降，直到反应停止 对于这样的防热反 应过程，如果没有适当的换热措施，将是一个开环不稳定的对象 18.3.1反应器静态工作点的热稳定性 为了进一步分析反应器热稳定性问题，现以图184所示的非绝热反应器为 例，加以说明。 如图18-5中虚线所示。曲线的下半部分是由平变陡，这是由于反应速度是 随者温度的升高而加大，而且是越来越大：而曲线的上半分，是由陡变平，这
- 6 - 10 分 钟 反应 器的 热稳 定性 分析 5 分 钟 θ θ θ ρ θ ρ p = Δy − KF Δ − Δ c − Gc pΔ Gx H dt d V c ( ) 0 消去中间变量 Δy ，并进行线性化处理. y = (θ, x) 对本系统，假定 x 变化很小，即 0 x = x ，则 θ θ Δ ∂ ∂ Δ = 0 ( ) x y y 。由于在小范 围内 0 ( ) x y ∂θ ∂ 为常数 Ky ，则把 y 与θ 的非线性关系线性化近似后变为： Δy ≈ KyΔθ 可得 p p y KF C k Gx H KF Gc dt d V c θ θ ρ θ ρ + + − Δ = Δ Δ ( ) 0 经拉氏变换得： ( ) 1 ( ) + = Θ Θ T s K s s p p c 式中 P y p K Gx H KF Gc KF K ρ 0 + − = p y p K Gx H KF Gc V c T ρ ρ ρ 0 + − = 这个非绝热反应器的动态特性，可以用一个一阶微分方程来描述，其传递 函数是一个一阶滞后环节。在推导过程中忽略了反应器夹套间壁热容器，且假定 釜内温度的分布是均匀的，因此简化为一个集中参数的对象。 18.3 反应器的热稳定性分析 绝大部分的被控工业对象都具有稳定性，是一个开环稳定的对象。然而，反 应器的情况不一样，化学反应过程常伴有强烈的热效应，有的是吸热，也有的是 放热。吸热效应的过程，对于温度的变化，对象本身具有负反馈性质，其开环特 性是稳定的，与通常具有自衡的对象有相似的特性；但对于放热效应的过程，情 况完全相反。对于具有正反馈兴致的放热反应器，在外扰作用下，温度的变化将 向两个极端方向发展。一种温度一直上升，最终使反应急速终了；另一种如果外 扰先引起反应器温度下降，则温度不断下降，直到反应停止。对于这样的防热反 应过程，如果没有适当的换热措施，将是一个开环不稳定的对象。 18.3.1 反应器静态工作点的热稳定性 为了进一步分析反应器热稳定性问题，现以图 18-4 所示的非绝热反应器为 例，加以说明。 如图 18-5 中虚线所示。曲线的下半部分是由平变陡，这是由于反应速度是 随着温度的升高而加大，而且是越来越大；而曲线的上半部分，是由陡变平，这 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法
是由于反应以接近完成，再增高温度将不起多大作用。 暂且假定反应器处于绝热状态，则由反应器流出的反应产物所带走的热量： 探究式 g=Gc,(0-日，) 讲授沙 方程在Q-0平面上为一直线方程，其斜率为Gc。,0轴的起始点为0，如图 185所示。此时可有以下几种情况. (1) 反应 直线1的情况，反应器的操作是稳定的。C是系统的静态工作点，当外 器静 扰作用使系统偏离工作点时，除热大于放热，则日将会回落到静态工作 态工 点C。同理，扰动使0下降时，O也会回升到静态工作点C。所以这种 作点 情况下，建立的静态工作点C是稳定的。 的热 (2)直线2的情况，它与放热曲线有3个交点C、D和E点。对于C,当外 多媒体 稳 演示法 性 抚使0升高时，此时放热将大于除热，所以0将继续上升。而当0下降 时， 则因此 时除热大于放热，将使日不断下降， 的静态工作点，而D、E两个工作点，其情况与直线1时的C点一样， 为稳定的静态工作点。所以在直线2的情况，一旦工作点C受到扰动， 它将移动到新的稳定的静态工作点E或D。 (3) 直线3的情况，它与放执曲线只贝有一个交占C,面这个静态工作占与直 自问自 线2时的C点情祝是相同的， 为不稳定的静态工作点，当反应器C点 答形式 到外扰后，不是温度不断上升，直至反应全部完成，就是温度持续下降 直到反应完全终止。 钟 (4)直线4的情况，两线不相交，不存在静态工作点。 如果改为非绝热状态，则可得到移去的热量为： g2=Gcn(0-0)+KF(0-0.) 这样Q2-0直线的斜率变得陡些，从而能使Q2-0直线和Q,-0曲线之间的相 互关系，从上述的(4)变成(3)或(2)的情况，直至(1)的情况，提高了稳 定性。 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 探究式 课后练习： 讲授法 预习： 1
- 7 - 反应 器静 态工 作点 的热 稳定 性 18 分 钟 是由于反应以接近完成，再增高温度将不起多大作用。 暂且假定反应器处于绝热状态，则由反应器流出的反应产物所带走的热量： ( ) ' Q2 = Gc p θ −θ f 方程在Q1 −θ 平面上为一直线方程，其斜率为Gc p ，θ 轴的起始点为θ f ，如图 18-5 所示。此时可有以下几种情况。 （1） 直线 1 的情况，反应器的操作是稳定的。C 是系统的静态工作点，当外 扰作用使系统偏离工作点时，除热大于放热，则θ 将会回落到静态工作 点 C。同理，扰动使θ 下降时，θ 也会回升到静态工作点 C。所以这种 情况下，建立的静态工作点 C 是稳定的。 （2） 直线 2 的情况，它与放热曲线有 3 个交点 C、D 和 E 点。对于 C，当外 扰使θ 升高时，此时放热将大于除热，所以θ 将继续上升。而当θ 下降 时，则因此时除热大于放热，将使θ 不断下降，所以工作点 C 是不稳定 的静态工作点，而 D、E 两个工作点，其情况与直线 1 时的 C 点一样， 为稳定的静态工作点。所以在直线 2 的情况，一旦工作点 C 受到扰动， 它将移动到新的稳定的静态工作点 E 或 D。 （3） 直线 3 的情况，它与放热曲线只有一个交点 C，而这个静态工作点与直 线 2 时的 C 点情况是相同的，为不稳定的静态工作点，当反应器 C 点受 到外扰后，不是温度不断上升，直至反应全部完成，就是温度持续下降， 直到反应完全终止。 （4） 直线 4 的情况，两线不相交，不存在静态工作点。 如果改为非绝热状态，则可得到移去的热量为： ( ) ( ) Q2 = Gc p θ −θ f + KF θ −θ c 这样Q2 −θ 直线的斜率变得陡些，从而能使Q2 −θ 直线和Q1 −θ 曲线之间的相 互关系，从上述的（4）变成（3）或（2）的情况，直至（1）的情况，提高了稳 定性。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 自问自 答形式 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法
讲新课 课程名称 过程控制工程 课 型 (开环不稳定闭环稳定 的条件、绝热和非绝热 反应器的控制) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 18.32开环不稳定、闭环稳定的条件 18.4反应器的基本控制方案 教学内容 18.41绝热反应器的控制 1842非绝热反应器的控制 通过本节课的学习，使同学们了解开环不稳定、闭环稳定的条件，了 教学目的 解绝热、非绝热反应器的控制方案。 开环不稳定、闭环稳定的条件 始热反应器的控制： 教学重点 非绝热反应器的控制 难点：绝热、非绝热反应器的控制方案 教学难点 策略： 及相应的 通过举例分析讲解绝热、非绝热反应器控制方案的实施 教学策略 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
- 8 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （开环不稳定闭环稳定 的条件、绝热和非绝热 反应器的控制） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 18.3.2 开环不稳定、闭环稳定的条件 18.4 反应器的基本控制方案 18.4.1 绝热反应器的控制 18.4.2 非绝热反应器的控制 教学目的 通过本节课的学习，使同学们了解开环不稳定、闭环稳定的条件，了 解绝热、非绝热反应器的控制方案。 教学重点 开环不稳定、闭环稳定的条件； 绝热反应器的控制； 非绝热反应器的控制。 教学难点 及相应的 教学策略 难点：绝热、非绝热反应器的控制方案 策略： 通过举例分析讲解绝热、非绝热反应器控制方案的实施 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 183.2开环不稳定、闭环稳定的条件 18.2中的描述了一个非绝热式反应器的动态特性，其0。-0通道的特性为： O(s)K。 ⊙.(s)Ts+1 式中K。= KF KF+Gep-Gx,HK 探究式 讲授法 T。 KF+GC-G H K 专 闭环 当KF+GC,0 上式即为闭环系统的稳定条件。从闭环控制系统的稳定，可以导出对控制器K。 的要求为： -9
- 9 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 开 环 不 稳 定 闭 环 稳 定 的 条 件 15 分 钟 18.3.2 开环不稳定、闭环稳定的条件 18.2 中的描述了一个非绝热式反应器的动态特性，其θ c −θ 通道的特性为： ( ) 1 ( ) + = Θ Θ T s K s s p p c 式中 P y p K Gx H KF Gc KF K ρ 0 + − = p y p K Gx H KF Gc V c T ρ ρ ρ 0 + − = 当 p Ky Gx H KF Gc ρ 0 + 0 上式即为闭环系统的稳定条件。从闭环控制系统的稳定，可以导出对控制器 KC 的要求为： 探究式 讲授法 多媒体 演示法
K>1k, 开环不稳定时闭环稳定的条件，也就是说控制器K。值有它的稳定下限， 探究式 讲授法 过小的K值反而会导致系统不稳定。这个结论与通常开环稳定的系统是正好相 反的，这就是反应器控制中需注意到的例外情况 分 当处于稳定与不稳定的边界状态时，此时对应的K稳定下限为： (K.)mm=1k, 板书、 在实际过程中，系统往往高于一阶，所以此时要使不稳定的开环对象组成 互动法 稳定的闭环控制系统，K。除了有稳定下限外，还将有一个稳定的上限。即闭 系统的稳定条件为： (Ke)min <Kc<(Kc)mm 控制器不仅有它稳定上限的边界，而且还有它的稳定下限。 放大倍数只能处于 一定范围内才能稳定的系统，有时也称为“条件性”移 定系统。由上面讨论可以看出，反应器与其他典型单元操作具有不同的开环特性， 因此，在设计反应器控制系统时，尤其是放热反应器的反应过程，必须考虑到热 稳定性问题，采取有效的控制手段，确保系统的安全运行。 反应 18.4反应器的基本控制方案 器的 反应速度快的反应器控制难度较大 基本 化学反应器的控制要求，除了保证物料、热量平衡之外，还需进行质量指 控制 标的控制，以及设置必要的约束条件控制。关于反应器的质量指标控制，与精馏 方案 塔的质量指标选取类似。一种是直接的质量指标，常用出料的成分或反应的转化 率等作为质量控制的被控变量：另一种以反应过程的工艺状态参数作为被控变 量，其中温度是最常用的间接质量指标。 反应器的基本控制方案是从热稳定性出发，主要是为了建立一个稳定的 作点，使反应器的热量平衡。同时，让反应过程工作在一个适宜的温度上，以此 钟 温度间接反映质量指标的要求，并满足约束条件。 18.4.1绝热反应器的控制 口浓度x。、进料温度0，和负荷量G。 (1)进口浓度x。的控制 以进口浓度。作为操纵变量来控制反应温度，它的机理可从绝热反应器的热 平衡式中得出： Gc,(0-9,)=GyH p -10-
- 10 - 5 分 钟 反应 器的 基本 控制 方案 5 分 钟 Kc K p > 1/ 开环不稳定时闭环稳定的条件，也就是说控制器 KC 值有它的稳定下限， 过小的 KC 值反而会导致系统不稳定。这个结论与通常开环稳定的系统是正好相 反的，这就是反应器控制中需注意到的例外情况。 当处于稳定与不稳定的边界状态时，此时对应的 KC 稳定下限为： Kc K p ( ) 1/ min = 在实际过程中，系统往往高于一阶，所以此时要使不稳定的开环对象组成 稳定的闭环控制系统， KC 除了有稳定下限外，还将有一个稳定的上限。即闭环 系统的稳定条件为： min max ( ) ( ) Kc < Kc < Kc 控制器不仅有它稳定上限的边界，而且还有它的稳定下限。 放大倍数只能处于一定范围内才能稳定的系统，有时也称为“条件性”稳 定系统。由上面讨论可以看出，反应器与其他典型单元操作具有不同的开环特性， 因此，在设计反应器控制系统时，尤其是放热反应器的反应过程，必须考虑到热 稳定性问题，采取有效的控制手段，确保系统的安全运行。 18.4 反应器的基本控制方案 反应速度快的反应器控制难度较大 化学反应器的控制要求，除了保证物料、热量平衡之外，还需进行质量指 标的控制，以及设置必要的约束条件控制。关于反应器的质量指标控制，与精馏 塔的质量指标选取类似。一种是直接的质量指标，常用出料的成分或反应的转化 率等作为质量控制的被控变量；另一种以反应过程的工艺状态参数作为被控变 量，其中温度是最常用的间接质量指标。 反应器的基本控制方案是从热稳定性出发，主要是为了建立一个稳定的工 作点，使反应器的热量平衡。同时，让反应过程工作在一个适宜的温度上，以此 温度间接反映质量指标的要求，并满足约束条件。 18.4.1 绝热反应器的控制 绝热反应器由于与外界没有热量的交换，因此，要对反应器的温度进行控制，只 要通过控制物料的进口状态来实现。所谓物料进口状态的控制，即控制物料的进 口浓度 0 x 、进料温度θ f 和负荷量 G。 （1） 进口浓度 0 x 的控制 以进口浓度 0 x 作为操纵变量来控制反应温度，它的机理可从绝热反应器的热量 平衡式中得出： H Gx y Gc p f ρ θ θ 0 ( − ) = 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法