课程名称 过程控制工程 讲新课 课 (化学反应器的类型、 型 化学反应器的控制要 求) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 教学内容 18.11化学反应器的类型 18.1.2化学反应器的控制的控制要求 教学目的 通过本节课的学习，使学生了解化学反应器的类型和控制要求 教学重点 化学反应控制器的要求 难点：化学反应控制控制器的要求 教学难点 策略： 及相应的 通过举例来说明控制要求中的四个方面 教学策略 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 教学方法 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合 -1
- 1 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （化学反应器的类型、 化学反应器的控制要 求） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 18 化学反应器的控制 18.1 概述 18.1.1 化学反应器的类型 18.1.2 化学反应器的控制的控制要求 教学目的 通过本节课的学习，使学生了解化学反应器的类型和控制要求 教学重点 化学反应控制器的要求 教学难点 及相应的 教学策略 难点：化学反应控制控制器的要求 策略： 通过举例来说明控制要求中的四个方面 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 教学过程 教学方法、 分配 手段 18化学反应器的控制 述 18.1概述 化学反应在化学反应器中进行，化学反应器在石油、化工生产中占有重要地 位。它的重要性体现在两个方面，首先它是整个石油、化工生产中的龙头，提高 在密。少后处的从而降低生产成太。这一化学后应哭起若关作田 钟 其次，化学反应器经常处在高温、高压、易燃、易爆条件下进行反应 且许多化 学反应伴有强烈的热效应，因此整个石油、化工生产的安全与化学反应器密切相 关。 18.11化学反应器的类型 化学反应器种类繁多，为了能正确进行化学反应器控制系统的设计，必需对 反应器的几种基本形式有一个大致的了解， (1)按反应器进出物料状况：连续式、间歇式 间歇式反应器：将反应物料分次或一次加入反应器中，适用于小批量、反 应时间长或对全过程的反应温度有严格程序要求的场合 连续反成器，物制连建加入，反应连续不断地讲行，产品不惭地取出，品 工业生产中最常用的一种。 一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形 化学 式。 探究式 (2)按物料流程：单程、循环图181 讲授法 单程：物料在反应器后不再进行循环。如图18-1()当反应的转化率和 产率都较高时，可采用单程的排列。 循环：在产品进行分离之后，把没有反应的物料循环与信箱物料混合后 的类型 再送入反应器进行反应， 如图18. (b) 注意：在进料中若含有惰性物质，则在多次循环后，惰性物将在系统中大 量积聚，影响进一步的反应，为此需把循环物料部分放空。 (3)按设备结构：釜式、管式、塔式、周定床、流动床反应器等图18-2。() 为连续聚合釜，釜式反应器也有间歇操作的：(b)为管式结构反应器，实际上就 根管道：(c)为塔式反应器，从机理上分析，塔式反应器与管式反应器十分 相似：()固定床反应器是一种比较古老的反应器：为了增加反应物之间的接触 钟 强化反应，可以将因相催化剂悬浮于流体之中，成为流化床反应器。 (4)按传热情况：绝热式、非绝热式 绝热式反应器：与外界不进行热量交换 非绝热式反应器：与外界进行交换热量。当反应过程的热效应大时，必须 对反应器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等 2
- 2 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 概 述 5 分 钟 化 学 反 应 器 的 类 型 15 分 钟 18 化学反应器的控制 18.1 概述 化学反应在化学反应器中进行，化学反应器在石油、化工生产中占有重要地 位。它的重要性体现在两个方面，首先它是整个石油、化工生产中的龙头，提高 产率，减少后处理的负荷，从而降低生产成本，这一切化学反应器起着关键作用； 其次，化学反应器经常处在高温、高压、易燃、易爆条件下进行反应，且许多化 学反应伴有强烈的热效应，因此整个石油、化工生产的安全与化学反应器密切相 关。 18.1.1 化学反应器的类型 化学反应器种类繁多，为了能正确进行化学反应器控制系统的设计，必需对 反应器的几种基本形式有一个大致的了解。 （1）按反应器进出物料状况：连续式、间歇式 间歇式反应器：将反应物料分次或一次加入反应器中，适用于小批量、反 应时间长或对全过程的反应温度有严格程序要求的场合 连续反应器：物料连续加入，反应连续不断地进行，产品不断地取出，是 工业生产中最常用的一种。一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形 式。 （2）按物料流程：单程、循环 图 18-1 单程：物料在反应器后不再进行循环。如图 18-1（a）当反应的转化率和 产率都较高时，可采用单程的排列。 循环：在产品进行分离之后，把没有反应的物料循环与信箱物料混合后， 再送入反应器进行反应，如图 18-1（b） 注意：在进料中若含有惰性物质，则在多次循环后，惰性物将在系统中大 量积聚，影响进一步的反应，为此需把循环物料部分放空。 （3）按设备结构：釜式、管式、塔式、固定床、流动床反应器等图 18-2。(a) 为连续聚合釜，釜式反应器也有间歇操作的；（b）为管式结构反应器，实际上就 是一根管道；（c）为塔式反应器，从机理上分析，塔式反应器与管式反应器十分 相似；（d）固定床反应器是一种比较古老的反应器；为了增加反应物之间的接触， 强化反应，可以将因相催化剂悬浮于流体之中，成为流化床反应器。 （4）按传热情况：绝热式、非绝热式 绝热式反应器：与外界不进行热量交换 非绝热式反应器：与外界进行交换热量。当反应过程的热效应大时，必须 对反应器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等 探究式 讲授法
181.2化学反应馨的控制的控制婴求 对于一个化学反应器，需要从四个方面加以控制。 (1)物料平衡控制 探究式 稳定角度出发，流入量应等于流出量，如属可能常常对主要物料进行流量 讲授法 化 控制。另外，有一个部分物料在系统内循环，应定时排放或放空系统的惰性物 料 (2)能量平衡控制 名媒依 应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡 演示法 器 能量平衡决定了反应器的安全声场，也间接保证化学反应器的产品质量边 的 到工艺的要求 (3)约束条件控生制 板书、 要防止工艺参数进入危险区域或不正常工况，为此应配置一些报警、联锁 互动法 和选择性控制系统，进行安全界限的保护性控制 (4)质量控制 般的质量指标：转化率，要选择间接指标控制 使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分。 质量指标的选取，即被控变量的选择可分为，取出料的成分或反应的转化 等指标作为被控变量：取反应过程的工艺状态参数（间接质量指标）作为被控 变 以丙烯聚合反应釜为例，说明这些控制系统的设置情况。 从图18-3中可以上述4个方面的控制。 (1)物料平衡控制。镇定输入物料量：聚合反应的主要原料丙烯及乙烯、乙 炔分别设置流量定值控制。另外聚合反应物浆液采出有液位控制。 (2) 能量平衡控制。反应釜的釜温控制冷却水量，使进、出釜及反应生成热 达到平衡。 (3)质量控制。在图中画出以气相出料中H2含量为质量指标，组成H2含 28 量与加入H,流量的串级控制系统，通过调整H,的加入量，保持反映 聚合反应进行好坏的气相中H,含量为某给定值。此外，尚可设置熔融 指数1的质量控制系统。 (4)约束条件控制。本工艺流程无爆炸危险，故控制较为简单，设有浆液液 位报警系统，在釜内浆液液位过高、过低时发出报警信号。 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2布置课后练习及下节课预习任务。 探究式 课后练习： 讲授法 预习： 3
- 3 - 化 学 反 应 器 的 控 制 的 控 制 要 求 28 分 钟 18.1.2 化学反应器的控制的控制要求 对于一个化学反应器，需要从四个方面加以控制。 （1）物料平衡控制 稳定角度出发，流入量应等于流出量，如属可能常常对主要物料进行流量 控制。另外，有一个部分物料在系统内循环，应定时排放或放空系统的惰性物 料 （2）能量平衡控制 应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。 能量平衡决定了反应器的安全声场，也间接保证化学反应器的产品质量达 到工艺的要求 （3）约束条件控制 要防止工艺参数进入危险区域或不正常工况，为此应配置一些报警、联锁 和选择性控制系统，进行安全界限的保护性控制 （4）质量控制 一般的质量指标：转化率，要选择间接指标控制 使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分。 质量指标的选取，即被控变量的选择可分为，取出料的成分或反应的转化 率等指标作为被控变量；取反应过程的工艺状态参数（间接质量指标）作为被控 变量 以丙烯聚合反应釜为例，说明这些控制系统的设置情况。 从图 18-3 中可以上述 4 个方面的控制。 （1） 物料平衡控制。镇定输入物料量：聚合反应的主要原料丙烯及乙烯、乙 炔分别设置流量定值控制。另外聚合反应物浆液采出有液位控制。 （2） 能量平衡控制。反应釜的釜温控制冷却水量，使进、出釜及反应生成热 达到平衡。 （3） 质量控制。在图中画出以气相出料中 H2 含量为质量指标，组成 H2 含 量与加入 H2 流量的串级控制系统，通过调整 H2 的加入量，保持反映 聚合反应进行好坏的气相中 H2 含量为某给定值。此外，尚可设置熔融 指数 M1 的质量控制系统。 （4） 约束条件控制。本工艺流程无爆炸危险，故控制较为简单，设有浆液液 位报警系统，在釜内浆液液位过高、过低时发出报警信号。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法
讲新课 课程名称 过程控制工程 型 (反应器的特性、反应 器静态工作点的热稳定 性) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 182反应器的特性 教学内容 183反应器的热稳定性分析 183.1反应器静态工作点的热稳定性 通讨木节误的学习，使同学们了解反成器的一些特性，会分析反应器 教学目的 静态工作点的热稳定性 反应器的特性： 教学重点 反应器静态工作点的热稳定性。 难点：反应署静态工作点的热稳定性 教学难点 策略 及相应的 通过教师分析讲解反应器静态工作点的热稳定性 教学策略 探究式讲授法、百动法（提问）、演示法（多媒体） 教学方法 果堂讨论法（教师启发、引导学生发言、 教师评价并总结包括自问自答 教学手段 板书及多媒体有机结合
- 4 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （反应器的特性、反应 器静态工作点的热稳定 性） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 18.2 反应器的特性 18.3 反应器的热稳定性分析 18.3.1 反应器静态工作点的热稳定性 教学目的 通过本节课的学习，使同学们了解反应器的一些特性，会分析反应器 静态工作点的热稳定性。 教学重点 反应器的特性； 反应器静态工作点的热稳定性。 教学难点 及相应的 教学策略 难点：反应器静态工作点的热稳定性 策略： 通过教师分析讲解反应器静态工作点的热稳定性 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 182反应器的特性 化学反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，推导机理模型较为困 难，但有较明确的物理意义及对控制方案的指导。对一非绝热反应器的动态模型 作简要介绍，目的在于了解过程模型的建立方法，并由此引申出反应器的热稳定 性间顺的分析。 图184为一个非绝热连续反应器，反应器内进行的是防热反应。为了控能 反应的温度，必须通过载热体由夹套移去部分热量。 热量平衡关系： dQ1t(热量变化)=Q1(吸热/反应放热)-Q2(被移走的热量) 反应器内化学反应所产生的热量（单位时间）： 探究式 e-G 讲授法 式中G 一反应物的质量流量： 0 反应物的密度： 0一后成物的浓度。 器的 每摩尔的反应热 转化率 在不考虑反应器热损失的前提下，由反应物和载热体冷却所带走热量的总和 性 为： Q2=Gc,(0-0,)+KF(0-0.) 式中 5 8.一冷却剂入口温度： 分 日，日一分别表示反应器的进料温度和出料温度（即反应器内的温度）： C。一反应物的比热容（假定随着反应进行，组分变化，而C,为常数 K—载热体与反应器内物料总传热系数： 多媒体 F—传热面积： 演示法 反应器内蓄热量的变化为： 式中，V为反应器的容积 由以上几式，即得反应器的动态方程式为： y-KF(0-0)-Gc,(0-0) P 进行增量化，△9，=0，得： -5-
- 5 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 反 应 器 的 特 性 15 分 钟 18.2 反应器的特性 化学反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，推导机理模型较为困 难，但有较明确的物理意义及对控制方案的指导。对一非绝热反应器的动态模型 作简要介绍，目的在于了解过程模型的建立方法，并由此引申出反应器的热稳定 性问题的分析。 图 18-4 为一个非绝热连续反应器，反应器内进行的是防热反应。为了控制 反应的温度，必须通过载热体由夹套移去部分热量。 热量平衡关系： dQ/dt （热量变化）= Q1（吸热/反应放热）– Q2（被移走的热量） 反应器内化学反应所产生的热量（单位时间）； x yH G Q1 0 ρ = 式中 G——反应物的质量流量； ρ ——反应物的密度； x0——反应物的浓度； H——每摩尔的反应热； y——转化率 在不考虑反应器热损失的前提下，由反应物和载热体冷却所带走热量的总和 为： ( ) ( ) Q2 = Gc p θ −θ f + KF θ −θ c 式中 θ c ——冷却剂入口温度； θ f ,θ ——分别表示反应器的进料温度和出料温度（即反应器内的温度）； p c ——反应物的比热容（假定随着反应进行，组分变化，而 p c 为常数） K——载热体与反应器内物料总传热系数； F——传热面积； 反应器内蓄热量的变化为： dt d V c dt dQ p θ = ρ 式中，V 为反应器的容积 由以上几式，即得反应器的动态方程式为： ( ) ( ) 0 p KF c Gc p f y Gx H dt d V c θ θ θ θ ρ θ ρ = − − − − 进行增量化， Δϑ f = 0 ，得： 探究式 讲授法 多媒体 演示法