過控工程在反應(yīng)釜中的應(yīng)用及其能源利用

秦夏偉，門嘉鋮，張?jiān)娦?/p>

（西安石油大學(xué)，陜西 西安710000）

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加深，我國化工技術(shù)不斷提高，反應(yīng)釜作為化工技術(shù)中一種十分重要的反應(yīng)器，在化工生產(chǎn)中占據(jù)十分重要的作用。而對(duì)反應(yīng)釜中溫度的控制是十分關(guān)鍵的，它不僅涉及到化學(xué)反應(yīng)的效率，還涉及到產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)人生安全和污染氣體的排放具有重要的意義。

1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)組成以及工藝原理

1.1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)組成和工作環(huán)境

反應(yīng)釜是化學(xué)、醫(yī)藥及食品等工業(yè)中常用的典型設(shè)備之一，從組成結(jié)構(gòu)上看，反應(yīng)釜主要是由釜蓋、夾套、釜底以及攪拌器等部分組成，通常而言，攪拌裝置如果是在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉，能使更多的物料攪拌均勻。反應(yīng)釜主要是利用蒸汽、熱油以及其他的介質(zhì)通過熱交換進(jìn)行反應(yīng)釜中溫度的提升。在反應(yīng)釜中，主要的溫度控制是通過熱電阻和熱電偶等進(jìn)入反應(yīng)釜導(dǎo)電介質(zhì)管線上的可調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行回路的控制，從而進(jìn)行溫度的控制和調(diào)節(jié)。在壁外，通常設(shè)有夾套裝置，或者在容器內(nèi)部設(shè)置熱交換面，然后通過外循環(huán)進(jìn)行熱能量的交換。

在反應(yīng)釜內(nèi)部，其內(nèi)部通常需要較大的操作壓力，反應(yīng)釜中的內(nèi)部壓力通常是由于反應(yīng)中高溫形成的。在反應(yīng)釜中，有時(shí)候壓力波動(dòng)較大，或者工作人員的操作使得工作環(huán)境不穩(wěn)定，此時(shí)會(huì)造成反應(yīng)釜中的溫度突然升高比較快，因此反應(yīng)釜中需要采用密封手段。如果是較為低壓的環(huán)境，則采用填料進(jìn)行填充，其使用的壓力一般比較下，在中等壓力條件下，會(huì)使用中等壓力或者采用機(jī)械方式進(jìn)行填充，其負(fù)壓一般為4kg。如果是在高壓的情況下，則進(jìn)行磁力密封。一般這樣的密封手段能達(dá)到14kg的壓力。在使用磁力密封中，一般使用冷水降溫的形式進(jìn)行降溫。而對(duì)于其他形式的密封方式，如果反應(yīng)釜中的溫度超過120℃以上，則使用冷水增加冷水套的形式進(jìn)行降溫。由于反應(yīng)釜中的密封性較高和操作壓力比較大，因此，需要較高的材質(zhì)進(jìn)行制作。反應(yīng)釜中的材質(zhì)一般為碳錳鋼、不銹鋼、鋯等金屬或者合金，或者是不銹鋼的材料。

1.2 反應(yīng)釜中的反應(yīng)原理

在反應(yīng)釜裝置中，反應(yīng)釜的內(nèi)部通?？墒褂萌苊鹤鲾嚢璺磻?yīng)，在夾層中通常使用冷凍液或者熱油進(jìn)行冷卻或者循環(huán)加熱。也可注入其他物料對(duì)反應(yīng)進(jìn)行恒溫加熱或者制冷。這樣有助于反應(yīng)的順利進(jìn)行。同時(shí)物料也需要在適當(dāng)?shù)膲毫l件下進(jìn)行反應(yīng)，通常為負(fù)壓或者常壓下進(jìn)行攪拌反應(yīng)。反應(yīng)物料在反應(yīng)釜中進(jìn)行，通過控制反應(yīng)溶液的蒸發(fā)和回流控制反應(yīng)的進(jìn)行，物料通?？梢酝ㄟ^反應(yīng)釜的釜底出料口放出。

1.3 反應(yīng)釜中物料的生產(chǎn)方式和發(fā)展趨勢(shì)

在化工生產(chǎn)[1]中，反應(yīng)釜的生產(chǎn)物料需要滿足大批量的生產(chǎn)要求，因此在生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要反應(yīng)釜的大容積化。大容積化不僅增加生產(chǎn)的產(chǎn)量，還能減少大批量生產(chǎn)中的生產(chǎn)誤差，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，這是一種降低成本的重要方式和手段。對(duì)于染料生產(chǎn)，其一般需要6000L 以下，而其他行業(yè)則達(dá)到30m3，國外甚至更高。

對(duì)于反應(yīng)釜[2]的攪拌器而言，已由之前的單一方式的攪拌器發(fā)展到雙拌式攪拌器。同時(shí)還能通過外加強(qiáng)泵進(jìn)行循環(huán)。對(duì)于反應(yīng)器的發(fā)展，除了裝有攪拌器之外，還有釜底旋轉(zhuǎn)式。使得釜底進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高反應(yīng)的速率。在反應(yīng)中，通常通過生產(chǎn)的自動(dòng)化形式來加強(qiáng)生產(chǎn)的自動(dòng)化性，這樣保證了產(chǎn)品生產(chǎn)上人工出現(xiàn)的誤差，同時(shí)也能提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，增加產(chǎn)品的收益，提高產(chǎn)品的性能。同時(shí)還可以消除對(duì)環(huán)境的污染。在反應(yīng)釜中，會(huì)產(chǎn)生較多的熱能，如果不加以合理地利用，會(huì)增加生產(chǎn)投入。因此需要選擇較為合理的工藝操作條件和手段。同時(shí)需要加強(qiáng)保溫措施，防止熱能的散失。使得熱量損耗降至最低。對(duì)于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱，也可以進(jìn)行合理的利用，因此，管道的熱能能量的回收和利用，也是一種重要的趨勢(shì)。

2 過程裝備與控制工程在反應(yīng)釜中的應(yīng)用

由于反應(yīng)釜中容積的大小限制了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)品的成本，因此由于我國生產(chǎn)技術(shù)的限制和反應(yīng)釜容積的限制，使得我國的化工生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)的成本以及產(chǎn)品的銷量都遠(yuǎn)不如國外。另外，在國外由于生產(chǎn)技術(shù)的自動(dòng)化水平較高，基本實(shí)現(xiàn)了人工智能控制技術(shù)，而我國在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，時(shí)常需要人工的參與，因此這樣不僅影響的產(chǎn)品的質(zhì)量，還對(duì)人體產(chǎn)生一定健康方面的威脅。在反應(yīng)釜中，較為重要的有搪玻璃反應(yīng)釜和不銹鋼反應(yīng)釜。

2.1 搪玻璃反應(yīng)釜

搪玻璃反應(yīng)釜[3]是一種十分重要的反應(yīng)釜，首先是將胎具將鋼板壓制成負(fù)荷要求的折流板，然后再按照相關(guān)的尺寸和設(shè)計(jì)工藝，根據(jù)反應(yīng)釜的體積大小，將折流板制作成一層或者多層，然后焊接在釜體的內(nèi)壁上，在焊接的細(xì)縫處通過搪燒，組裝成產(chǎn)品。這樣制作的反應(yīng)釜能有效地改善反應(yīng)物料的流動(dòng)狀態(tài)，在一定程度上提高了反應(yīng)的效率。在國內(nèi)外，制作反應(yīng)釜的鋼板采用高質(zhì)量的鋼板，焊條、瓷釉，鋼板焊條含碳、硫、磷雜質(zhì)低，鋼板內(nèi)晶格結(jié)構(gòu)緊密并有微量元素以抑制制造過程中吸氫，瓷釉選用耐腐蝕性能好、耐溫差急變性能優(yōu)異、熔點(diǎn)低的瓷釉。在工藝上，一般采用“低溫長燒”和“搪燒后緩冷”的工藝手段，通常在搪燒3 次之后就沒了氣孔，在三次以上的搪燒中僅僅是為了增加瓷層的加厚。這樣的制作工藝能保證瓷層具有較好的耐腐蝕性和摩擦性，同時(shí)也不會(huì)在碰撞過程中影響瓷層的厚度以及其性能。

2.2 不銹鋼反應(yīng)釜

不銹鋼反應(yīng)釜較多的是作為一種綜合反應(yīng)容器進(jìn)行使用。其內(nèi)層主要是通過攪拌的手段發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的條件以及對(duì)反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，從反應(yīng)的開始的進(jìn)料到反應(yīng)結(jié)束后的出料，都是根據(jù)不同工藝設(shè)計(jì)要求通過設(shè)置不同的反應(yīng)條件進(jìn)行攪拌反應(yīng)。通過蒸餾和回流等手段，在反應(yīng)結(jié)束之后，釜底的出料口進(jìn)行物料的放出。在反應(yīng)過程中，通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行濃度、壓力、溫度、攪拌條件等重要參數(shù)的設(shè)置，向反應(yīng)釜中添加不同的冷卻液或者熱油等介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的循環(huán)加熱以及冷卻。根據(jù)密封方式的不同，可分為機(jī)械式密封和磁力密封。在反應(yīng)釜中，配置有電量傳感器，在攪拌形式上有推進(jìn)上式、漿式、開啟渦輪式、布魯馬金式等。其加熱方式主要有熱水加熱、電加熱和紅外線加熱等方式。冷卻方式主要有釜內(nèi)盤管冷卻和夾套冷卻。

2.3 反應(yīng)釜中的控制技術(shù)

在反應(yīng)釜中，對(duì)反應(yīng)釜的控制是十分重要的環(huán)節(jié)。由于國外的控制技術(shù)比國內(nèi)先進(jìn)，因此，通過引進(jìn)智能控制技術(shù)和微電子技術(shù)能有效的實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的溫度控制。在化工生產(chǎn)過程中，常常出現(xiàn)生產(chǎn)滯后和慣性等問題，通過構(gòu)建強(qiáng)大的溫度控制系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)溫度的控制。而溫度控制系統(tǒng)主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中的溫度控制要求來進(jìn)行的。主要包括模糊控制、智能控制技術(shù)等高效利用。在智能控制算法的有效利用下，優(yōu)化反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)能有效地進(jìn)行溫度控制服務(wù)功能。在控制技術(shù)中，針對(duì)反應(yīng)溫度的控制要求，通過自適應(yīng)參數(shù)的溫度控制過程，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)釜中溫度的控制。在應(yīng)用反應(yīng)釜溫度控制時(shí)，需要充分考慮被控制對(duì)象的特性。同時(shí)在參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整功能上，增加參數(shù)的自調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)溫度的自學(xué)習(xí)效果?？刂萍夹g(shù)主要有雙?？刂坪蚉ID 控制等控制過程中需要設(shè)定一定的反應(yīng)溫度，通過反應(yīng)釜內(nèi)的加熱與冷卻工作機(jī)制，確保整個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)溫度變化均勻性。

3 反應(yīng)釜中能源利用與節(jié)能減排

在化工生產(chǎn)中，反應(yīng)釜中的熱能和冷卻能量都可用來進(jìn)行回收。在溫度調(diào)節(jié)過程中，反應(yīng)釜的冷卻水以及蒸汽都是直接排到大氣中，這樣造成大量熱能的浪費(fèi)，同時(shí)，反應(yīng)釜蒸汽的噴 嘴排放物造成了大量的污染，還威脅著工人的身體健康。反應(yīng)釜中能量回收主要是對(duì)熱能量的回收，可通過增加節(jié)汽裝置的方式實(shí)現(xiàn)能量的回收，另外還可以通過對(duì)疏水閥以及其與控制截門的合理組裝來實(shí)現(xiàn)減排的作用。

4 結(jié) 語

反應(yīng)釜是一種常見的化工生產(chǎn)裝置，本文針對(duì)反應(yīng)釜常見的過程裝備和控制控制技術(shù)等問題，闡述了反應(yīng)釜的常見組成結(jié)構(gòu)和反應(yīng)原理，對(duì)兩種反應(yīng)釜進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)反應(yīng)釜中的控制技術(shù)和其在節(jié)能減排進(jìn)行簡單介紹，通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能控制以及加強(qiáng)反應(yīng)釜中能量的回收和利用，能有效地解決化工生產(chǎn)環(huán)境污染等問題。