優化控制

醚化反應釜溫度控制方案的優化

武平麗1高國光2

(1．

黃河水利職業技術學院自動化工程系

，

河南開封

475004;2．

北京和利時系統工程股份有限公司

，

北京

100096)

摘要分析了醚化反應釜的溫度控制現狀以及醚化釜裝置整體自動化水平較低的原因

。

以山東

HD

公司的纖維素醚項目為背景

，

以人工操作經驗數據為依據

，

對醚化反應釜溫度控制方案進行了優化

，

提

高了醚化釜裝置的自動化水平

，

更好地滿足了控制要求

。

關鍵詞醚化釜溫度控制專家控制系統控制方案的優化

中圖分類號

TQ056．8

文獻標識碼

B

文章編號

1000-3932(2013)09-1075-05

間歇式反應釜在精細化工生產中的應用比較

普遍

，

醚化釜是典型的間歇式化學反應釜

，

其操作

過程中影響產品質量的關鍵是反應釜內溫度的控

制精度［1］。

由于間歇式化學反應釜本身具有較大

的時變性

、

非線性和時滯性

，

且內部化學反應機理

復雜，使用傳統的PID控制或APC控制都難以滿

足產品質量對溫度指標的要求

。

為此以山東

HD

公司的纖維素醚項目為背景

，

進行了該項目醚化

釜溫度控制的優化

，

實現了反應釜溫度的精確控

制

，

達到了預期控制效果

。

1

醚化釜的溫度控制現狀①

目前國內所有醚化釜裝置生產廠家都已采用

DCS

系統對生產實行監控

，

國內

DCS

系統占主

流

，

國外

DCS

系統也有幾家

，

但都未實現對整個

流程的自動控制

，

基本仍處于手動控制狀態［2］。

原因大致有以下幾點

:

a．

生產廠家裝置規模較小

，

自控投資較少

;

隨著人力成本的上升

、

對產品質量穩定性的

提高

，

企業對由

DCS

系統實現全自動生產控制的

需求也越來越高

。

山東

HD

公司纖維素醚項目的

醚化釜溫度控制中

，

采用了和利時自動化有限公

司開發的專家控制系統

，

此系統包括自動精密加

料

、

自動升溫及恒溫控制等

，

在現場投運的效果在

國內已處于領先水平

。

2

醚化釜的工藝流程簡介

涉及到醚化釜的醚化反應過程即醚化Ⅰ

～

Ⅲ

過程

。

不同型號的產品工藝過程有所不同

，

主要

體現在加料量

、

升溫時間

、

恒溫溫度和恒溫時間

上

。

以某一型號的纖維素醚為例

，

醚化釜的工藝

流程如圖

1

所示

。

生產工藝過程大致如下:

化堿

。

在化堿釜

(

圖

1

中未畫出

)

中將片

a．

堿升溫融化

。

堿化

。

將化堿釜中液堿打入醚化釜

，

加入

b．

溶劑

，

加粉碎棉

，

噴淋

。

b．

整體工藝裝置設計時自控設計不完善

，

沒

醚化Ⅰ

。

抽真空

－0．04MPa，

加入環氧丙c．

能按照全自動要求的水平來設計

，

很多影響控制

的重要參數沒有引入到

DCS

中

;

c．

生產工藝為間歇加料逐級反應

，

反應過程

干擾因素較多

，

當多個釜同時運行時反應釜之間

耦合嚴重

;

烷，冷攪拌40min，溫度控制在24℃;升溫至T

1

℃，

時間t

1

min;恒溫控制T

1

℃，計時t

2

h。

醚化Ⅱ。加入氯甲烷，升溫至T

2

℃，時間d．

t

3

min;恒溫控制T

2

℃，計時t

4

h。

e．醚化Ⅲ。升溫至T

3

℃，時間t

5

min;控制

d．

熟練的

、

有責任心的操作工在整個反應過

在T

3

℃，計時t

6

h。

程中憑經驗很容易完成操作

;

儀表自控維護人員較少

，

自控閥門及儀表

e．

等設備維護跟不上

。

①收稿日期

:2013-05-06(

修改稿

)

1076

化工自動化及儀表第

40

卷

圖

1

醚化釜的工藝流程

應都會產生不良影響

，

造成化學反應不充分或過

反應

，

影響到產品質量

。

升溫過程主要控制兩個

目標

:

升溫時間和升溫溫度

。

恒溫階段要求將釜溫控制在設定值±1℃內。

釜內溫度通過熱水(90℃左右)、循環水(30～

40℃)

和冷水

(7℃

左右

)

交替循環控制來實現

。

熱水用于升溫

，

循環水用于正常降溫

，

冷水用于緊

急降溫

。

執行器為熱水進出口電磁閥

，

循環水進

出口電磁閥

，

冷水進出口電磁閥

，

總管道主路

、

旁

路調節閥

。

圖

2

所示為醚化釜的溫度曲線

。

圖

2

醚化釜的溫度曲線

3醚化釜溫度控制的特點

由醚化釜的工藝流程可知

，

醚化釜的溫度控

制分為升溫階段控制和恒溫階段控制。

升溫階段要求在規定的時間范圍內將釜溫升

到所要求的溫度

。

升溫時間過短或過長對醚化反

在整個醚化過程中釜溫控制的難點是醚化

Ⅱ階段

，

原因是醚化Ⅱ階段加入氯甲烷

，

化學

反應比較激烈

，

不好控制

。

醚化Ⅱ階段詳細過

程如圖

3

所示

。

圖

3

醚化Ⅱ過程

第

9

期武平麗等

．

醚化反應釜溫度控制方案的優化

1077

醚化Ⅱ升溫過程分兩個階段

，

前一階段為吸

熱階段

，

后一階段為放熱階段

。

恒溫階段也分為

兩段

，

前一階段為反應劇烈階段

，

后一階段為反應

平緩階段

。

對象特性在升溫過程和恒溫階段均會

發生較大改變

。

升溫過程的吸熱階段直接通熱水快速升溫

，

到放熱階段由于釜內化學反應開始變得激烈

，

會

釋放大量的熱

，

此時停止加熱

，

靠夾套內熱水溫度

及自身化學反應放熱升溫

。

有時化學反應可能劇

烈一些

，

溫度和壓力上升比較快

，

這時將用循環水

來降溫

，

必要時用

7℃

水進行緊急降溫

。

升溫階

段控制的好壞關鍵是停止通入熱水時間控制得是

否合適

，

停止通入熱水要選擇在醚化釜由吸熱變

為放熱這個時間段

。

恒溫階段前期化學反應較劇烈，大約持續

25min，

該階段比較難控

，

利用循環水降溫比較頻繁

，

后期化學反應已基本完畢

，

溫度趨于平穩

。

如果溫

度上升過快

，

將采用

7℃

水緊急降溫

。

如果降溫過

度

，

將通入熱水將溫度升上來

。

正常操作應該是通

過循環水即可實現釜溫在允許的范圍內

，

出現冷水

緊急降溫和熱水升溫說明操作不合理

。

醚化釜控制是一個比較典型的批處理控制

，

一個產品生產周期大約

13h。

醚化釜每次生產的

產品型號根據生產計劃而定［3］。

醚化釜溫度控制方案的優化

溫度控制優化

分成產品選擇、恒溫控制、升溫控制優化，以

4

4．1

及升溫預測和提前干預

，

滿足升溫時間要求［4］。

針對升溫過程及恒溫過程利用先進控制中的模糊

技術

，

讀取歷史數據進行了分析

，

同時對操作人員

的控制思路進行了模擬分析

，

總結出一套自整定

模糊預測控制策略

，

根據相關產品的工藝邊界條

件進行相應的操作溫度控制

。

引入溫度變化率和

壓力變化率

，

限制和干預升溫時間

。

該模糊控制

并不是嚴格意義上的模糊控制

，

缺少數學推導過

程

，

是從工程解決問題角度上設計的

。

產品選擇

:

以前的操作

，

需要根據不同型號產

品設置很多相關參數

。

優化后

，

只需要選擇產品

型號

，

相關所有參數就會自動顯示在畫面上

，

并可

人工修改保存

，

下次再選擇該型號產品時即這次

修改后的數據

。

這樣既避免了輸入錯誤

，

又減輕

了操作人員的勞動量

。

參數設置如圖

4

所示

。

圖

4

顯示參數設置的畫面

醚化前恒溫控制

:24℃

恒溫

，

當循環水溫度大

于

25℃

時

(

夏季

)，

用冷水作為減溫水

，

其他季節

用循環水作為減溫水

。

升溫控制

:

用熱水作為加熱水

，

循環水作為減

溫水

。

目標比較

，

實時調整循環水

，

讓升溫時間等于目標

升溫時間

;

實時計算

T

1

(

升溫總時間

)=T

2

(

剩余

時間

)+T

3

(

升溫用時

);K(

升溫率

)×T

2

(

剩余時

間

)+T

3

(

升溫用時

)

與

T

1

(

升溫總時間

)

實時比

較

。

a．

開熱水

，

當溫度升到離目標值

8℃(

注季

d．

醚化恒溫控制

:

時間到加上溫度離目標值

節會造成循環水溫度偏差

，

循環水溫度為

30℃

時，該值為9℃;循環水溫度為40℃時，該值為

10℃)時，首次開3min，停5min觀察。

b．

如果升溫率大于

0．3，

說明溫度升高太

快

，

需要開

10s

冷水

，

停

3min

觀察

。

為

1℃

時

，

進入恒溫階段

。

根據恒溫目標值

，

偏差

1℃

和溫度變化率

，

實時計算

K(

升溫率

)×T

2

(10min

時間

)

與溫度目標值比較

，

超

1℃

開

10s

循

環水

，

停

3min;

低

1℃，

開

10s

熱水

。

恒溫保護

:

溫

度超過目標值

+0．8℃

時

，

變化率大于

0．05，

開循

環水

，

起到溫度變化率或壓力變化率反向時才關

，

c．

優化算法會自動計算升溫時間并與升溫

1078

化工自動化及儀表第

40

卷

停

3min;

變化率低

，

溫度低于目標值

－0．8℃

時

，

開

10s

熱水

，

停

3min。

溫度超過目標值

+1．1℃

時

，

開循環水

，

到溫度變化率小于

0．005

時才關

。

醚化Ⅱ過程中第一步需要控制住溫升速率［5］。

其

余與普通溫控無二樣

。

4．2循環水溫度檢測優化

因循環水溫度在整個調節過程中是關鍵因

素

，

其溫度會影響調節效果

，

必須測量循環水進水

溫度

。

夏天溫度太高

，

部分調節不起作用

;

冬天溫

度低

，

調節方式不同

。

所以必須穩定循環水溫度

或檢測穩定循環水溫度

，

優化方案如下

:

a．

用冷水控制循環水溫度在

24～30℃

之

間

;

表

1

控制方案的測試結果

階段實驗次數合格次數

醚化Ⅰ

醚化Ⅱ

(

小

，

最難部分

)

醚化Ⅱ

(

大

)

醚化Ⅲ

總計

3

3

3

3

12

3

2

3

3

11

制要求

，

其中最難的醚化Ⅱ

(

小

)

第一次由于對對

象了解還是有所偏差導致失敗

，

經過分析對象特

性之后調整了相關參數

，

后兩次都很成功

，

經過

10

多次的測試

，

驗證了該控制方案思路正確

，

控

制效果良好

。

5

結束語

該醚化釜溫度優化控制方案，從工程問題角

如上述穩定循環水溫度不可行

，

就用軟件

b．

測量來實現

，

用循環水閥打開

4min

后的釜進水溫

度來代替。

4．3投料控制優化

原來的投料控制是用

PID

的邏輯實現

，

邏輯

復雜

，

不能滿足不同料

、

不同季節的實用性

，

現作

如下優化

:

度上進行設計

，

針對醚化釜溫度變化的特點與控

制難點

，

將醚化釜溫度偏差和溫度變化速率劃分

為若干個區域

，

對多個參數進行調節

，

實現了醚化

釜溫度的精密控制

。

和利時公司通過對醚化類產

品定制控制功能塊

，

并對其調試后可知

，

該功能塊

使用簡單

、

調試方便

，

并且能夠達到預期控制目

標

，

可以在類似的間歇式反應釜溫度控制中進行

推廣

，

希望能對間歇式反應釜溫度控制系統的改

進提供借鑒

。

參考文獻

改為優化函數

，

進行無差調節

。

偏差小于

a．

30kg

開始關調節閥

，

小于

20kg

調節閥關到

70%，

小于10kg調節閥關到50%，小于5kg調節閥關到

20%，

小于

1kg

調節閥關到

5%，

小于

0．5kg

調節

閥關到

1%，

小于

1%，

關總閥

;

但因閥的特性

，24

個閥每個的情況都不同

，

要分別整定和調試

。

為

了克服其變化

，

用

PID

修正其非線性

。

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北

京

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，2010:243～256．

孫洪程，翁維勤，魏杰．過程控制系統及工程［M］．

北京:化學工業出版社，2010:236～244．

b．

無論手動控制

、

自動控制都能看到加料前

［2］

的重量

、

加料目標值

、

加入料

、

剩余量和實時重量

，

避免運行人員手工記錄和計算這些量。

c．

進料總閥在自動時根據進料分閥開度來

開關

，

無需干預

;

選手動控制時

，

可進行手動控制

。

［3］

4．4

控制方案的測試結果

本醚化釜溫度優化控制方案在山東HD公司

［4］

纖維素醚項目的測試結果見表

1。

其余各項均在第一次測試中就100%達到控

［5］

OptimizingTemperatureControlSchemeforEtherificationＲeactors

WUPing-li1，GAOGuo-guang2

(1．DepartmentofAutomationEngineering，YellowＲiverConrvancyTechnicalInstitute，Kaifeng475004，China;

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

(ContinuedonPage1121)

第

9

期黃玉嬌等

．

高速單向通信設備的設計與實現

1121

存儲介質

U

盤從一臺計算機將數據讀出經由單

向通信設備傳輸

，

可以從另一臺計算機恢復出相

同的數據內容

，

滿足高速

、

可靠

、

安全的設計要求

。

便

、

攜帶簡便及成本低廉等優點

，

對信息保密研究

有著重要的意義，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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，

余鵬飛

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異步

FIFO

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現

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，2007，24(3):210～

213．

［2］

［3］

圖

9

單向通信設備工作界面

4結束語

系統介紹了高速單向通信設備的設計與實

現

。

經測試

，

設備具有高速

、

可靠的傳輸速率

，

實

現了普通計算機和信息敏感計算機的絕對物理單

向隔離

，

從而有效杜絕因受擺渡攻擊而造成的泄

密事件

，

保護敏感信息的安全

。

同時具有使用方

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