优化控制

醚化反应釜温度控制方案的优化

武平丽1高国光2

(1．

黄河水利职业技术学院自动化工程系

，

河南开封

475004;2．

北京和利时系统工程股份有限公司

，

北京

100096)

摘要分析了醚化反应釜的温度控制现状以及醚化釜装置整体自动化水平较低的原因

。

以山东

HD

公司的纤维素醚项目为背景

，

以人工操作经验数据为依据

，

对醚化反应釜温度控制方案进行了优化

，

提

高了醚化釜装置的自动化水平

，

更好地满足了控制要求

。

关键词醚化釜温度控制专家控制系统控制方案的优化

中图分类号

TQ056．8

文献标识码

B

文章编号

1000-3932(2013)09-1075-05

间歇式反应釜在精细化工生产中的应用比较

普遍

，

醚化釜是典型的间歇式化学反应釜

，

其操作

过程中影响产品质量的关键是反应釜内温度的控

制精度［1］。

由于间歇式化学反应釜本身具有较大

的时变性

、

非线性和时滞性

，

且内部化学反应机理

复杂，使用传统的PID控制或APC控制都难以满

足产品质量对温度指标的要求

。

为此以山东

HD

公司的纤维素醚项目为背景

，

进行了该项目醚化

釜温度控制的优化

，

实现了反应釜温度的精确控

制

，

达到了预期控制效果

。

1

醚化釜的温度控制现状①

目前国内所有醚化釜装置生产厂家都已采用

DCS

系统对生产实行监控

，

国内

DCS

系统占主

流

，

国外

DCS

系统也有几家

，

但都未实现对整个

流程的自动控制

，

基本仍处于手动控制状态［2］。

原因大致有以下几点

:

a．

生产厂家装置规模较小

，

自控投资较少

;

随着人力成本的上升

、

对产品质量稳定性的

提高

，

企业对由

DCS

系统实现全自动生产控制的

需求也越来越高

。

山东

HD

公司纤维素醚项目的

醚化釜温度控制中

，

采用了和利时自动化有限公

司开发的专家控制系统

，

此系统包括自动精密加

料

、

自动升温及恒温控制等

，

在现场投运的效果在

国内已处于领先水平

。

2

醚化釜的工艺流程简介

涉及到醚化釜的醚化反应过程即醚化Ⅰ

～

Ⅲ

过程

。

不同型号的产品工艺过程有所不同

，

主要

体现在加料量

、

升温时间

、

恒温温度和恒温时间

上

。

以某一型号的纤维素醚为例

，

醚化釜的工艺

流程如图

1

所示

。

生产工艺过程大致如下:

化碱

。

在化碱釜

(

图

1

中未画出

)

中将片

a．

碱升温融化

。

碱化

。

将化碱釜中液碱打入醚化釜

，

加入

b．

溶剂

，

加粉碎棉

，

喷淋

。

b．

整体工艺装置设计时自控设计不完善

，

没

醚化Ⅰ

。

抽真空

－0．04MPa，

加入环氧丙c．

能按照全自动要求的水平来设计

，

很多影响控制

的重要参数没有引入到

DCS

中

;

c．

生产工艺为间歇加料逐级反应

，

反应过程

干扰因素较多

，

当多个釜同时运行时反应釜之间

耦合严重

;

烷，冷搅拌40min，温度控制在24℃;升温至T

1

℃，

时间t

1

min;恒温控制T

1

℃，计时t

2

h。

醚化Ⅱ。加入氯甲烷，升温至T

2

℃，时间d．

t

3

min;恒温控制T

2

℃，计时t

4

h。

e．醚化Ⅲ。升温至T

3

℃，时间t

5

min;控制

d．

熟练的

、

有责任心的操作工在整个反应过

在T

3

℃，计时t

6

h。

程中凭经验很容易完成操作

;

仪表自控维护人员较少

，

自控阀门及仪表

e．

等设备维护跟不上

。

①收稿日期

:2013-05-06(

修改稿

)

1076

化工自动化及仪表第

40

卷

图

1

醚化釜的工艺流程

应都会产生不良影响

，

造成化学反应不充分或过

反应

，

影响到产品质量

。

升温过程主要控制两个

目标

:

升温时间和升温温度

。

恒温阶段要求将釜温控制在设定值±1℃内。

釜内温度通过热水(90℃左右)、循环水(30～

40℃)

和冷水

(7℃

左右

)

交替循环控制来实现

。

热水用于升温

，

循环水用于正常降温

，

冷水用于紧

急降温

。

执行器为热水进出口电磁阀

，

循环水进

出口电磁阀

，

冷水进出口电磁阀

，

总管道主路

、

旁

路调节阀

。

图

2

所示为醚化釜的温度曲线

。

图

2

醚化釜的温度曲线

3醚化釜温度控制的特点

由醚化釜的工艺流程可知

，

醚化釜的温度控

制分为升温阶段控制和恒温阶段控制。

升温阶段要求在规定的时间范围内将釜温升

到所要求的温度

。

升温时间过短或过长对醚化反

在整个醚化过程中釜温控制的难点是醚化

Ⅱ阶段

，

原因是醚化Ⅱ阶段加入氯甲烷

，

化学

反应比较激烈

，

不好控制

。

醚化Ⅱ阶段详细过

程如图

3

所示

。

图

3

醚化Ⅱ过程

第

9

期武平丽等

．

醚化反应釜温度控制方案的优化

1077

醚化Ⅱ升温过程分两个阶段

，

前一阶段为吸

热阶段

，

后一阶段为放热阶段

。

恒温阶段也分为

两段

，

前一阶段为反应剧烈阶段

，

后一阶段为反应

平缓阶段

。

对象特性在升温过程和恒温阶段均会

发生较大改变

。

升温过程的吸热阶段直接通热水快速升温

，

到放热阶段由于釜内化学反应开始变得激烈

，

会

释放大量的热

，

此时停止加热

，

靠夹套内热水温度

及自身化学反应放热升温

。

有时化学反应可能剧

烈一些

，

温度和压力上升比较快

，

这时将用循环水

来降温

，

必要时用

7℃

水进行紧急降温

。

升温阶

段控制的好坏关键是停止通入热水时间控制得是

否合适

，

停止通入热水要选择在醚化釜由吸热变

为放热这个时间段

。

恒温阶段前期化学反应较剧烈，大约持续

25min，

该阶段比较难控

，

利用循环水降温比较频繁

，

后期化学反应已基本完毕

，

温度趋于平稳

。

如果温

度上升过快

，

将采用

7℃

水紧急降温

。

如果降温过

度

，

将通入热水将温度升上来

。

正常操作应该是通

过循环水即可实现釜温在允许的范围内

，

出现冷水

紧急降温和热水升温说明操作不合理

。

醚化釜控制是一个比较典型的批处理控制

，

一个产品生产周期大约

13h。

醚化釜每次生产的

产品型号根据生产计划而定［3］。

醚化釜温度控制方案的优化

温度控制优化

分成产品选择、恒温控制、升温控制优化，以

4

4．1

及升温预测和提前干预

，

满足升温时间要求［4］。

针对升温过程及恒温过程利用先进控制中的模糊

技术

，

读取历史数据进行了分析

，

同时对操作人员

的控制思路进行了模拟分析

，

总结出一套自整定

模糊预测控制策略

，

根据相关产品的工艺边界条

件进行相应的操作温度控制

。

引入温度变化率和

压力变化率

，

限制和干预升温时间

。

该模糊控制

并不是严格意义上的模糊控制

，

缺少数学推导过

程

，

是从工程解决问题角度上设计的

。

产品选择

:

以前的操作

，

需要根据不同型号产

品设置很多相关参数

。

优化后

，

只需要选择产品

型号

，

相关所有参数就会自动显示在画面上

，

并可

人工修改保存

，

下次再选择该型号产品时即这次

修改后的数据

。

这样既避免了输入错误

，

又减轻

了操作人员的劳动量

。

参数设置如图

4

所示

。

图

4

显示参数设置的画面

醚化前恒温控制

:24℃

恒温

，

当循环水温度大

于

25℃

时

(

夏季

)，

用冷水作为减温水

，

其他季节

用循环水作为减温水

。

升温控制

:

用热水作为加热水

，

循环水作为减

温水

。

目标比较

，

实时调整循环水

，

让升温时间等于目标

升温时间

;

实时计算

T

1

(

升温总时间

)=T

2

(

剩余

时间

)+T

3

(

升温用时

);K(

升温率

)×T

2

(

剩余时

间

)+T

3

(

升温用时

)

与

T

1

(

升温总时间

)

实时比

较

。

a．

开热水

，

当温度升到离目标值

8℃(

注季

d．

醚化恒温控制

:

时间到加上温度离目标值

节会造成循环水温度偏差

，

循环水温度为

30℃

时，该值为9℃;循环水温度为40℃时，该值为

10℃)时，首次开3min，停5min观察。

b．

如果升温率大于

0．3，

说明温度升高太

快

，

需要开

10s

冷水

，

停

3min

观察

。

为

1℃

时

，

进入恒温阶段

。

根据恒温目标值

，

偏差

1℃

和温度变化率

，

实时计算

K(

升温率

)×T

2

(10min

时间

)

与温度目标值比较

，

超

1℃

开

10s

循

环水

，

停

3min;

低

1℃，

开

10s

热水

。

恒温保护

:

温

度超过目标值

+0．8℃

时

，

变化率大于

0．05，

开循

环水

，

起到温度变化率或压力变化率反向时才关

，

c．

优化算法会自动计算升温时间并与升温

1078

化工自动化及仪表第

40

卷

停

3min;

变化率低

，

温度低于目标值

－0．8℃

时

，

开

10s

热水

，

停

3min。

温度超过目标值

+1．1℃

时

，

开循环水

，

到温度变化率小于

0．005

时才关

。

醚化Ⅱ过程中第一步需要控制住温升速率［5］。

其

余与普通温控无二样

。

4．2循环水温度检测优化

因循环水温度在整个调节过程中是关键因

素

，

其温度会影响调节效果

，

必须测量循环水进水

温度

。

夏天温度太高

，

部分调节不起作用

;

冬天温

度低

，

调节方式不同

。

所以必须稳定循环水温度

或检测稳定循环水温度

，

优化方案如下

:

a．

用冷水控制循环水温度在

24～30℃

之

间

;

表

1

控制方案的测试结果

阶段实验次数合格次数

醚化Ⅰ

醚化Ⅱ

(

小

，

最难部分

)

醚化Ⅱ

(

大

)

醚化Ⅲ

总计

3

3

3

3

12

3

2

3

3

11

制要求

，

其中最难的醚化Ⅱ

(

小

)

第一次由于对对

象了解还是有所偏差导致失败

，

经过分析对象特

性之后调整了相关参数

，

后两次都很成功

，

经过

10

多次的测试

，

验证了该控制方案思路正确

，

控

制效果良好

。

5

结束语

该醚化釜温度优化控制方案，从工程问题角

如上述稳定循环水温度不可行

，

就用软件

b．

测量来实现

，

用循环水阀打开

4min

后的釜进水温

度来代替。

4．3投料控制优化

原来的投料控制是用

PID

的逻辑实现

，

逻辑

复杂

，

不能满足不同料

、

不同季节的实用性

，

现作

如下优化

:

度上进行设计

，

针对醚化釜温度变化的特点与控

制难点

，

将醚化釜温度偏差和温度变化速率划分

为若干个区域

，

对多个参数进行调节

，

实现了醚化

釜温度的精密控制

。

和利时公司通过对醚化类产

品定制控制功能块

，

并对其调试后可知

，

该功能块

使用简单

、

调试方便

，

并且能够达到预期控制目

标

，

可以在类似的间歇式反应釜温度控制中进行

推广

，

希望能对间歇式反应釜温度控制系统的改

进提供借鉴

。

参考文献

改为优化函数

，

进行无差调节

。

偏差小于

a．

30kg

开始关调节阀

，

小于

20kg

调节阀关到

70%，

小于10kg调节阀关到50%，小于5kg调节阀关到

20%，

小于

1kg

调节阀关到

5%，

小于

0．5kg

调节

阀关到

1%，

小于

1%，

关总阀

;

但因阀的特性

，24

个阀每个的情况都不同

，

要分别整定和调试

。

为

了克服其变化

，

用

PID

修正其非线性

。

［1］谢森林

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王钦若

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度控制中的运用［J］．自动化仪表，2008，29(8):30

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黎冰

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工业生产过程控制

［M］．

北

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化学工业出版社

，2010:243～256．

孙洪程，翁维勤，魏杰．过程控制系统及工程［M］．

北京:化学工业出版社，2010:236～244．

b．

无论手动控制

、

自动控制都能看到加料前

［2］

的重量

、

加料目标值

、

加入料

、

剩余量和实时重量

，

避免运行人员手工记录和计算这些量。

c．

进料总阀在自动时根据进料分阀开度来

开关

，

无需干预

;

选手动控制时

，

可进行手动控制

。

［3］

4．4

控制方案的测试结果

本醚化釜温度优化控制方案在山东HD公司

［4］

纤维素醚项目的测试结果见表

1。

其余各项均在第一次测试中就100%达到控

［5］

OptimizingTemperatureControlSchemeforEtherificationＲeactors

WUPing-li1，GAOGuo-guang2

(1．DepartmentofAutomationEngineering，YellowＲiverConrvancyTechnicalInstitute，Kaifeng475004，China;

2．BeijingHollysysCo．，Ltd．，Beijing100096，China)

(ContinuedonPage1121)

第

9

期黄玉娇等

．

高速单向通信设备的设计与实现

1121

存储介质

U

盘从一台计算机将数据读出经由单

向通信设备传输

，

可以从另一台计算机恢复出相

同的数据内容

，

满足高速

、

可靠

、

安全的设计要求

。

便

、

携带简便及成本低廉等优点

，

对信息保密研究

有着重要的意义，具有广阔的应用前景。

参考文献

［1］王同洋

，

余鹏飞

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无俊君

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，

樊晓桠

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基于

FPGA

异步

FIFO

的研究与实

现

［J］．

微电子学与计算机

，2007，24(3):210～

213．

［2］

［3］

图

9

单向通信设备工作界面

4结束语

系统介绍了高速单向通信设备的设计与实

现

。

经测试

，

设备具有高速

、

可靠的传输速率

，

实

现了普通计算机和信息敏感计算机的绝对物理单

向隔离

，

从而有效杜绝因受摆渡攻击而造成的泄

密事件

，

保护敏感信息的安全

。

同时具有使用方

DesignandImplementationof

［4］

［5］

High-speedandUnidirectional

CommunicationDevice

HUANGYu-jiao1，2，ZHANGMing-chao1，

CHENXue1，LIPei-yue1，SUIYong-xin1，SUNWen-tao1

(1．CASChangchunInstituteofOpticsandFineMechanicsandPhysics，Changchun130033，China;

2．GraduateUniversityofChineAcademyofSciences，Beijing100039，China)

AbstractAhigh-speedandunidirectionalcommunicationdevicewasdesignedtohavethedataincommonly-

udcomputerstransmittedtotheonesnsitivetomessagesviatheremovablestoragemedia．Thedesigned

communicationdeviceconsistsofAＲM，FPGA，rializer，derializerandunidirectionaltransformationsys-

tembetweenelectricalsignalsandopticalsignals，ofwhich，theAＲManswersforbothdataexchangebetween

computersandremovablestoragemediaandthecontroloftransmissionsignals，andtheFPGAisinchargeof

dataregister，8b/10bencodeordecodeandinterruptcontroletc．，andtheunidirectionaltransformationsystem

betweenelectricalsignalsandopticalsignalscanguaranteetheunidirectionalpropertiesofdata

transmission．Theperformancetestshowsthatthedevice’shighestspeedcanreach58Mbpstogetherwith

trustworthyhigh-speedunidirectionalcommunicationandabroadapplication．

Keywordsunidirectionalcommunication，FPGA，AＲM，asynchronousFIFO



(ContinuedfromPage1078)

AbstractThetemperaturecontrolofetherificationreactorwasanalyzed，includingthereasonforlowlevelof

automationoftheetherificationreactor．TakingacelluloetherprojectinHDCo．asthebackgroundandba-

singontheempiricaldatafrommanualoperation，thetemperaturecontrolschemefortheetherificationreactor

wasoptimizedtoimprovethelevelofautomationandtomeetthecontrolrequirements．

Keywordtherificationreactor，temperaturecontrol，expertcontrolsystem，optimizationofcontrolscheme