过控工程在反应釜中的应用及其能源利用

2019-02-11秦夏伟门嘉铖张诗行

时代农机 2019年9期

秦夏伟，门嘉铖，张诗行

（西安石油大学，陕西西安710000）

随着我国工业化进程的加深，我国化工技术不断提高，反应釜作为化工技术中一种十分重要的反应器，在化工生产中占据十分重要的作用。而对反应釜中温度的控制是十分关键的，它不仅涉及到化学反应的效率，还涉及到产品的质量，同时装置的稳定运行对人生安全和污染气体的排放具有重要的意义。

1 反应釜的结构组成以及工艺原理

1.1 反应釜的结构组成和工作环境

反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型设备之一，从组成结构上看，反应釜主要是由釜盖、夹套、釜底以及搅拌器等部分组成，通常而言，搅拌装置如果是在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，能使更多的物料搅拌均匀。反应釜主要是利用蒸汽、热油以及其他的介质通过热交换进行反应釜中温度的提升。在反应釜中，主要的温度控制是通过热电阻和热电偶等进入反应釜导电介质管线上的可调节阀门进行回路的控制，从而进行温度的控制和调节。在壁外，通常设有夹套装置，或者在容器内部设置热交换面，然后通过外循环进行热能量的交换。

在反应釜内部，其内部通常需要较大的操作压力，反应釜中的内部压力通常是由于反应中高温形成的。在反应釜中，有时候压力波动较大，或者工作人员的操作使得工作环境不稳定，此时会造成反应釜中的温度突然升高比较快，因此反应釜中需要采用密封手段。如果是较为低压的环境，则采用填料进行填充，其使用的压力一般比较下，在中等压力条件下，会使用中等压力或者采用机械方式进行填充，其负压一般为4kg。如果是在高压的情况下，则进行磁力密封。一般这样的密封手段能达到14kg的压力。在使用磁力密封中，一般使用冷水降温的形式进行降温。而对于其他形式的密封方式，如果反应釜中的温度超过120℃以上，则使用冷水增加冷水套的形式进行降温。由于反应釜中的密封性较高和操作压力比较大，因此，需要较高的材质进行制作。反应釜中的材质一般为碳锰钢、不锈钢、锆等金属或者合金，或者是不锈钢的材料。

1.2 反应釜中的反应原理

在反应釜装置中，反应釜的内部通常可使用溶煤作搅拌反应，在夹层中通常使用冷冻液或者热油进行冷却或者循环加热。也可注入其他物料对反应进行恒温加热或者制冷。这样有助于反应的顺利进行。同时物料也需要在适当的压力条件下进行反应，通常为负压或者常压下进行搅拌反应。反应物料在反应釜中进行，通过控制反应溶液的蒸发和回流控制反应的进行，物料通常可以通过反应釜的釜底出料口放出。

1.3 反应釜中物料的生产方式和发展趋势

在化工生产[1]中，反应釜的生产物料需要满足大批量的生产要求，因此在生产环节需要反应釜的大容积化。大容积化不仅增加生产的产量，还能减少大批量生产中的生产误差，降低产品的生产成本，这是一种降低成本的重要方式和手段。对于染料生产，其一般需要6000L 以下，而其他行业则达到30m3，国外甚至更高。

对于反应釜[2]的搅拌器而言，已由之前的单一方式的搅拌器发展到双拌式搅拌器。同时还能通过外加强泵进行循环。对于反应器的发展，除了装有搅拌器之外，还有釜底旋转式。使得釜底进行旋转，进而提高反应的速率。在反应中，通常通过生产的自动化形式来加强生产的自动化性，这样保证了产品生产上人工出现的误差，同时也能提高产品的生产质量，增加产品的收益，提高产品的性能。同时还可以消除对环境的污染。在反应釜中，会产生较多的热能，如果不加以合理地利用，会增加生产投入。因此需要选择较为合理的工艺操作条件和手段。同时需要加强保温措施，防止热能的散失。使得热量损耗降至最低。对于生产过程中产生的余热，也可以进行合理的利用，因此，管道的热能能量的回收和利用，也是一种重要的趋势。

2 过程装备与控制工程在反应釜中的应用

由于反应釜中容积的大小限制了产品生产质量和产品的成本，因此由于我国生产技术的限制和反应釜容积的限制，使得我国的化工生产的质量和生产的成本以及产品的销量都远不如国外。另外，在国外由于生产技术的自动化水平较高，基本实现了人工智能控制技术，而我国在生产环节，时常需要人工的参与，因此这样不仅影响的产品的质量，还对人体产生一定健康方面的威胁。在反应釜中，较为重要的有搪玻璃反应釜和不锈钢反应釜。

2.1 搪玻璃反应釜

搪玻璃反应釜[3]是一种十分重要的反应釜，首先是将胎具将钢板压制成负荷要求的折流板，然后再按照相关的尺寸和设计工艺，根据反应釜的体积大小，将折流板制作成一层或者多层，然后焊接在釜体的内壁上，在焊接的细缝处通过搪烧，组装成产品。这样制作的反应釜能有效地改善反应物料的流动状态，在一定程度上提高了反应的效率。在国内外，制作反应釜的钢板采用高质量的钢板，焊条、瓷釉，钢板焊条含碳、硫、磷杂质低，钢板内晶格结构紧密并有微量元素以抑制制造过程中吸氢，瓷釉选用耐腐蚀性能好、耐温差急变性能优异、熔点低的瓷釉。在工艺上，一般采用“低温长烧”和“搪烧后缓冷”的工艺手段，通常在搪烧3 次之后就没了气孔，在三次以上的搪烧中仅仅是为了增加瓷层的加厚。这样的制作工艺能保证瓷层具有较好的耐腐蚀性和摩擦性，同时也不会在碰撞过程中影响瓷层的厚度以及其性能。

2.2 不锈钢反应釜

不锈钢反应釜较多的是作为一种综合反应容器进行使用。其内层主要是通过搅拌的手段发生化学反应，且根据化学反应的条件以及对反应釜的结构进行配置，从反应的开始的进料到反应结束后的出料，都是根据不同工艺设计要求通过设置不同的反应条件进行搅拌反应。通过蒸馏和回流等手段，在反应结束之后，釜底的出料口进行物料的放出。在反应过程中，通过对设备进行浓度、压力、温度、搅拌条件等重要参数的设置，向反应釜中添加不同的冷却液或者热油等介质，实现反应的循环加热以及冷却。根据密封方式的不同，可分为机械式密封和磁力密封。在反应釜中，配置有电量传感器，在搅拌形式上有推进上式、浆式、开启涡轮式、布鲁马金式等。其加热方式主要有热水加热、电加热和红外线加热等方式。冷却方式主要有釜内盘管冷却和夹套冷却。

2.3 反应釜中的控制技术

在反应釜中，对反应釜的控制是十分重要的环节。由于国外的控制技术比国内先进，因此，通过引进智能控制技术和微电子技术能有效的实现反应釜的温度控制。在化工生产过程中，常常出现生产滞后和惯性等问题，通过构建强大的温度控制系统能有效地实现温度的控制。而温度控制系统主要是依据系统的数学模型和模拟实际生产过程中的温度控制要求来进行的。主要包括模糊控制、智能控制技术等高效利用。在智能控制算法的有效利用下，优化反应釜的温度控制系统能有效地进行温度控制服务功能。在控制技术中，针对反应温度的控制要求，通过自适应参数的温度控制过程，实现了反应釜中温度的控制。在应用反应釜温度控制时，需要充分考虑被控制对象的特性。同时在参数的自动调整功能上，增加参数的自调整功能，实现控制系统对温度的自学习效果。控制技术主要有双模控制和PID 控制等控制过程中需要设定一定的反应温度，通过反应釜内的加热与冷却工作机制，确保整个反应釜内温度变化均匀性。

3 反应釜中能源利用与节能减排

在化工生产中，反应釜中的热能和冷却能量都可用来进行回收。在温度调节过程中，反应釜的冷却水以及蒸汽都是直接排到大气中，这样造成大量热能的浪费，同时，反应釜蒸汽的喷嘴排放物造成了大量的污染，还威胁着工人的身体健康。反应釜中能量回收主要是对热能量的回收，可通过增加节汽装置的方式实现能量的回收，另外还可以通过对疏水阀以及其与控制截门的合理组装来实现减排的作用。