配备不同类型控制器CSTR反应器的动态模拟

７２　王奄孪　｛｝　２０１４年第３期（总第１３７期）　配备不同类型控制器ＣＳＴＲ　反应器的动态模拟　＊　刘宏超，侯言超，刘世超，朱建华　（中国石油大学（北京）化工学院，北京１０２２４９）　［摘要］为了提高ＣＳＴＲ反应器操作的安全稳定性，本文以水合法制丙二醇为例，分析了当ＣＳＴＲ反应器　进料温度受到扰动后，配备比例控制器（Ｐ）、积分控制器（Ｉ）和微分控制器（Ｄ），以及它们的组合对ＣＳＴＲ　操作状态的影响。动态模拟结果表明：Ｐ型、Ｉ型、Ｄ型、ＰＩ型和ＰＩＤ型控制器均能有效避免ＣＳＴＲ由高　稳态跌落至低稳态的现象，而ＰＩＤ型控制器是提高ＣＳＴＲ反应器安全稳定性的最佳选择。　［关键词］控制器；动态模拟；ＣＳＴＲ；安全稳定性　Ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ＣＳＴＲ　ｗｉｔｈ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｌｉｕ　Ｈｏｎｇｃｈａｏ，Ｈｏｕ　Ｙａｎｃｈａｏ，Ｌｉｕ　Ｓｈｉｃｈａｏ，Ｚｈｕ　Ｊｉａｎｈｕａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＣＳＴＲ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｇｌｙｃｏｌ　ｂｙ　ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｗｉｔｈ　ｗａｔｅｒ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆ—　ｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｓｕｃｈ　ａｓ　Ｐ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｉ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｄ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ．　Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　Ｐ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｉ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｄ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＩ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ＰＩＤ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ａｌｌ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａ—　ｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｄｒｏｐｐｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ＰＯ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ＰＯ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，　ｔｈｅ　ＰＩＤ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｈｏｉｃｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＣＳＴＲ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣＳＴＲ；Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　作为一种重要的化工原料，１，２一丙二醇　（ＰＧ）主要用于生产不饱和聚酯树脂、Ⅲ代替乙二　醇作防冻剂等。工业上生产１，２一丙二醇主要采　用环氧丙烷（ＰＯ）催化水合的方法。根据化学反　应体系多定态的知识可知，该反应体系可能存在　有多定态现象。［。］　化工生产过程中，安全、稳定、长周期生产是　对化工装置连续生产的基本要求。但在涉及反应　体系的稳定操作过程中，受环境影响及上游生产　条件的变化，操作条件不可避免地会出现一些轻　［作者简介］刘宏超（１９８９一），男，硕士研究生；朱建华（１９６３一），男，教授。　＊基金项目：中国石油大学（北京）研究生教学质量与教学改革项目一一《化学反应工程Ⅱ》课程体系建设。　配备不同类型控制器ＣＳＴＲ反应器的动态模拟　７３　微的波动，如进料温度、进料组成、进料量的变化　等，这些参数的变化有可能引起反应物转化率的　生作用使其消除或减少扰动带来的不利影响。控　制系统将测量被控制的出口变量ｙ（如温度、浓度　１　０　０　０　０降低或停车，也可能引起反应器飞温，甚至引发反　应器爆炸等恶性事故。¨３　Ｈ．Ｓｃｏｔｔ　Ｆｏｇｌｅｒ发现了操作参数的扰动可能　会引起ＣＳＴＲ反应器转化率降低的现象，Ｉ４　而将　Ｐ型控制器和ＰＩ型控制器配备到ＣＳＴＲ反应器　上，通过模拟分析可成功地解决这一问题。众所　周知，常用的控制器类型有Ｐ型、Ｉ型、Ｄ型控制　器，以及这些基本类型控制器的不同组合形式。　Ｈ．Ｓｃｏｔｔ　Ｆｏｇｌｅｒ仅尝试了其中的两种，而其他类　型控制器的控制效果如何，尚无从得知。因此，本　文以Ｈ．Ｓｃｏｔｔ　Ｆｏｇｌｅｒ的工作为基础，首次将不同　类型的控制器应用到提高ＣＳＴＲ反应器的操作　安全稳定性中，在相同的控制参数基础上进行对　比分析，筛选出可提高ＣＳＴＲ反应器安全稳定性　的最佳控制器类型。　一、前期研究结果　以中海油壳牌年产６万吨１，２一丙二醇（Ｃ）　的ＣＳＴＲ反应器为例，本课题组前期对ＰＯ水合　法制丙二醇ＣＳＴＲ反应器的开车及稳定性分析　进行了模拟研究。前期的研究结果表明：进料温　度升高时不会导致反应器的状态由高ＰＯ转化率　跌落至低ＰＯ转化率。而当进料温度降低４．００　Ｋ时，反应器的各种参数将出现持续１个小时左　右的振荡变化，ＰＯ转化率由原有的８６．９Ｏ　降至　１１．７Ｏ　，反应器基本处于停车状态，已不能达到　工业化生产的要求，ＰＯ转化率随时间变化的动　态模拟结果如图１所示。　０　０　５　１　０　１　５　２．０　２．５　３．０　ｔ／ｈ　图１　ＰＯ转化率一时间曲线　二、配备不同类型控制器ＣＳＴＲ反应器的动　态模拟　当反应器操作参数发生扰动时，控制器将产　等），并与设定值ｙｓＰ进行比较。实际值ｙ与设定　值ｙｓＰ的差异被定义为误差信号ｅ，其表达式为：　ｅ—Ｙ～ＹｓＰ　（１）　通用反应过程的控制示意图如图２所示。　扰动　图２　通用反应过程的控制示意图　图２中的Ｚ。被称为控制器偏移，它是当打开　控制器时被控输入变量的初始值；Ｚ为被控输入　变量值，对于一个指定的反应体系，有多种工艺参　数可被选作被控输入变量，如冷却水流量、冷却水　入口温度、反应器进料量等；冷却水流量通常是通　过阀门的开度进行控制的，操控简单。因此，我们　选取冷却水流量作为被控输入变量。同样，对于　一个指定的反应体系，也有多种操作参数可被选　作误差信号，如反应器温度、ＰＯ转化率或ＰＯ浓　度等，由于ＰＯ转化率的绝对值较小，ＰＯ浓度通　常不能被在线测量，而反应器温度易被检测，且灵　敏度高，故本文选取反应器温度与设定值的偏差　作为误差信号，即：　ｅ＝＝＝Ｔ—ＴＳＰ　（２）　式中：Ｔ　为Ｔ。一２９７．１５　Ｋ时，反应器开车成功　并达到稳态时反应器温度，由文献可知：Ｔ　＝　３５１．４９　Ｋ。　（一）配备Ｐ型控制器的ＣＳＴＲ反应器动态　模拟　由Ｐ型控制器的控制原理可知，被控输入变　量Ｚ的调节量与误差ｅ成正比，因此对配备Ｐ型　控制器的ＣＳＴＲ反应器进行动态模拟时，需在原　有的动态模拟程序中，加入式：　一ｍ∞＋ｋ　ｃｅ　（３）　式中：ｋ　为控制器放大系数。　动态模拟时尼　值取为８．５×１０　，此时的控制　效果较为显著。原则上ｋ　值的选取是任意的。　但选取的ｋ　值不同，将对其控制效果有所影响，　７４　配备不同类型控制器ＣＳＴＲ反应器的动态模拟　Ｕ　ｏ，　ｌ　ｏ　ｌ　５　２　ｏ　２　）　３　Ｕ　３，４　Ｕ　４．，　椭　图４配备Ｐ型控制器时反应器温度一时问曲线　图３和图４显示，当配备Ｐ型控制器后，Ｔ。　减低４．００Ｋ降至２９３．１５Ｋ时，ＰＯ转化率始终维　持在８Ｏ．Ｏ０％以上，反应器温度始终控制在　３４５．００Ｋ以上，有效避免了进料温度略有降低时　ｃＳＴＲ反应器由高ＰＯ转化率稳态跌落至低ＰＯ　转化率稳态的现象，极大地提高了ＣＳＴＲ反应器　的操作稳定性；但ＰＯ转化率及反应器温度均出　现了减幅振荡，且振荡幅度较大，经３．０ｈ的振荡　变化后ＰＯ转化率基本稳定在８３．５０　，反应器温　度稳定在３４７．８３Ｋ。与进料温度降低前相比，存　在～３．６６Ｋ的反应器温度余差及一３．４１个百分　点的ＰＯ转化率余差。　（二）配备Ｉ型控制器的ＣＳＴＲ反应器动态　模拟　由Ｉ型控制器的控制原理可知，被控输入变　量Ｚ的调节量与误差ｅ的积分成正比，因此对配　备Ｉ型控制器的ＣＳＴＲ反应器进行动态模拟时，　需在原有的动态模拟程序中，加入下式：　Ｕ　Ｕ，　ｌ　Ｕ　ｌ，　Ｕ　５　ｊ　Ｕ　柏　图６配备Ｉ型控制器时反应器温度～时间曲线　图５和图６显示：当进料温度由原来的　２９７．１５Ｋ突然降至２９３．１５Ｋ时，由于Ｉ型控制器的　作用，反应器温度及ＰＯ转化率均出现了约２．０小　时的振荡，最后趋于稳定，但ＰＯ的转化率始终保　持在７６．ＯＯ　以上，反应器的温度始终保持在　３４２．００Ｋ以上，可有效避免ＣＳＴＲ反应器由高ＰＯ　转化率状态跌落到低ＰＯ转化率状态现象的出现。　与配备Ｐ型控制器的ＣＳＴＲ反应器控制效果相比，　Ｉ型控制器控制的ＣＳＴＲ反应器的ＰＯ转化率及反　应器温度振幅较大，这不利于ＣＳＴＲ反应器的稳定　操作；但应用Ｉ型控制器并当ＣＳＴＲ反应器重新达　到新的稳态时，则基本可恢复到进料温度降低前的　ＰＯ转化率及反应器温度水平，可消除控制余差，且　缩短了ＣＳＴＲ反应器重新达到新稳态所需的时间，　这是较为有利的一面。　７６　配备不同类型控制器ＣＳＴＲ反应器的动态模拟　控制作用的特点，其输出等于比例、积分和微分三　部分输出之和。由ＰＩＤ型控制器的控制原理可　应器的控制效果相比，ＰＩＤ型控制器对ＣＳＴＲ反　应器的控制效果更为理想。　三、结论　知，对配备ＰＩＤ型控制器的ＣＳＴＲ反应器进行动　态模拟时，需在原有动态模拟程序中，加入下式：　一　１．对于ＣＳＴＲ反应器，当反应器进料温度受　到扰动降温幅度大于或等于４．００Ｋ时，有必要为　＋　１×Ｊ　ｅｄ￡＋志　Ｊ（７）　其配备适宜的控制器，以提高ＣＳＴＲ反应器的操　与ＰＩ型控制器的控制参数选取原则相同，　ＰＩＤ型控制器控制参数的选取也与三种基本类型　控制器单独使用时的控制参数一致，即：志　一　８．５×１０　，是，一０．３，忌　一０．０５。　配备ＰＩＤ型控制器后，当　由２９７．１５Ｋ降　至２９３．１５Ｋ时，由动态模拟结果可得反应器温度　及ＰＯ转化率随时间的变化曲线，分别如图１Ｏ和　图１１所示。　图】１配备ＰＩＤ型控制器时ＰＯ转化率～时间曲线　与Ｐ型控制器或Ｉ型控制器单独控制反应器　的控制效果对比，虽然ＰＩ型控制器具有较大的优　越性，但由图８和图９可知，配备ＰＩ型控制器的　ＣＳＴＲ反应器重新达到稳定状态的时间约为　２．３４ｈ，存在较大的控制滞后性。当配备ＰＩＤ型　控制器后，由图１０和图１１可以看出：在ＰＩＤ型控　制器的控制下，ＣＳＴＲ反应器重新达到稳态的时　间为１．６６ｈ，比使用ＰＩ型控制器时缩短了０．６８ｈ；　同时，在ＰＩＤ型控制器的作用下，反应器温度的　振荡幅度较小。因此，与ＰＩ型控制器对ＣＳＴＲ反　作稳定性。　２．当ＣＳＴＲ反应器的进料温度降温幅度大　于或等于４．００Ｋ时，Ｐ型控制器、Ｉ型控制器和Ｄ　型控制器均能有效避免ＣＳＴＲ反应器由高ＰＯ转　化率状态跌落至低ＰＯ转化率状态现象的出现。　应用Ｐ型控制器时，ＰＯ的转化率和反应器的温　度均出现了较大幅度的振荡，与原有的稳定状态　相比，重新达到的新稳定状态的Ｐ（）转化率及反　应器温度均存在控制余差；应用Ｉ型控制器时，控　制前期的振荡幅度较大，但消除了ＰＯ转化率及　反应器温度的控制余差；应用Ｄ型控制器时，反　应器温度出现了振幅约为８．００Ｋ的持续振荡，且　不能消除，因此Ｄ型控制器并不适于单独用于　ＣＳＴＲ反应器的控制。　３．ＰＩ型控制器可有效解决Ｐ型控制器存在　的控制余差及Ｉ型控制器控制前期振荡幅度较大　的问题，较适于ＣＳＴＲ反应器的控制；而使用ＰＩＤ　型控制器时，与ＰＩ型控制器对ＣＳＴＲ反应器的控　制效果相比，可缩短反应器重新达到稳态所需时　间，并减小了ＰＯ转化率及反应器温度振荡的幅　度。因此，ＰＩＤ型控制器是避免ＣＳＴＲ反应器在　受到进料温度降低扰动时反应器由高ＰＯ转化率　操作状态跌落至低ＰＯ转化率操作状态现象的最　佳选择。　（文字编辑：吴文水）　参考文献：　［１］刘丹，张建丽．环氧丙烷水解制１，２一丙二醇［Ｊ］．四　川化工与腐蚀控制，２００１，４（１）：２８　２９．　Ｅ２］朱建华，李绍芬．化学反应体系的多定态特性ＥＪ］．现　代化工，１９９３，（１０）：１１－１６．　Ｅ３］Ａ．Ｍｏｌｎａｒ，Ｍ．Ｋｒａｊｃｉｏｖａ，Ｊ．Ｍａｒｋｏｓ，ｅｔ　ａ１．Ｕｓｅ　ｏｆ　ｂｉ—　ｆｕｒｃａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｓａｆｅ　ＣＳＴＲ　ｏｐｅｒａ—　ｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｏｓｓ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｉｎ—　ｄｕｓｔｒｉｅｓ，２００４，６（１７）：４８９—４９８．　Ｅ４］Ｈ．Ｓｃｏｔｔ　Ｆｏｇｌｅｒ．Ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｒｅａｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅ　Ｍ］．３　ｒｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ　ＰＴＲ，　１９９９：５６１—５６６．