一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，首先，基于化工生产过程中复合化学反应活化能的分析，确定主反应与副反应在不同温度条件下的反应发生程度不同；然后根据生产工艺流程，建立基于SMPT‑1000的化工生产模型和PCS7自动控制系统，并对模型进行仿真实验；最终确定，三个不同温度段的反应物、催化剂的不同进料比。本发明专利技术确定的分段式进料比方法与传统固定进料比方法相比，能够加快化工生产过程反应速率，提高产品反应转化率。

A process control method of piecewise feed ratio based on activation energy analysis

The present invention relates to a process control method based on the activation energy analysis. First, based on the analysis of the activation energy of the chemical reaction in the chemical production process, the degree of reaction between the main reaction and the side reaction is different at different temperature conditions; then, based on the production process, the SMPT 1000 is established. The chemical production model and the PCS7 automatic control system are used to simulate the model. Finally, the different feed ratio of the reactant and the catalyst at three different temperatures is determined. Compared with the traditional fixed feed ratio method, the segmented feed ratio method determined by the invention can accelerate the reaction rate of the chemical production process and increase the reaction conversion rate of the product.

【技术实现步骤摘要】
一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法
本专利技术涉及连续化工生产过程控制领域，具体涉及一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法。
技术介绍
在实际的化工生产过程中，对反应转化率和反应速率都有较高的要求。能够用最短的时间达到要求的浓度并保持平稳的生产，不仅可以提高产品产量、节约生产时间，还能有效地节约生产成本。生产工艺的化学反应往往都是复合反应，存在着主、副两个平行竞争反应，副反应生成的物质为目的产物的杂质，因此合理的控制主、副反应发生情况，对于提高反应转化率与反应速率是非常有效的。传统方法往往是固定进料比例，而化工生产过程中不同反应阶段的参数特性，对反应物浓度比例、催化剂用量有不同的要求。由于主反应、副反应的反应放热量、指前因子、活化能等参数的不同，在同一个升温段，主反应与副反应的发生程度也是不同的。实际生产过程中，反应物进料比、催化剂用量对反应过程的影响是耦合并相互影响的，综合考虑反应过程不同阶段及其反应特性，并配置不同的进料比及相应的催化剂用量，对反应进程的控制更为有利。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，以改进传统进料方法的不足之处。一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，包括以下步骤：1)根据反应器中复合化学反应的指标参数，包括主反应放热、主反应指前因子、主反应活化能、副反应放热、副反应指前因子、副反应活化能、初始温度，结合阿伦尼乌斯关系式分析，当主反应活化能小于副反应活化能，提升温度加快反应速率时，副反应的速率系数增加更大，副反应更容易发生，其中k为反应速率，R为摩尔气体常量，T为温度，k0和Ea是两个经验参量，分别为指前参量和活化能；具体地，根据阿伦尼乌斯关系式：其中，k为反应速率，R为摩尔气体常量，T为温度，k0和Ea是两个经验参量，分别为指前参量和活化能，一般由实验测定，相关参数如表1所示。将式(1)取对数，得：其中，k(T1)和k(T2)分别是在温度T1和T2下的反应速率系数。显然，对于活化能不同的反应，升温段T2-T1相同的情况下，Ea越大，反应速率越快。主反应(反应速率为k1、活化能为Ea1)和副反应(反应速率为k2、活化能为Ea2)为两个平行竞争反应，由式(2)可得：当Ea2＞Ea1(主反应活化能小于副反应活化能)，反应温度T2＞T1，式(3)右边恒为负，则即主反应速率小于副反应速率。根据活化能的不同确定，主反应速率、副反应速率随温度上升的的关系。2)用固定进料比方法仿真实验确定温度分段条件、划分点；反应升温段划分。具体地，反应器半实物模型是SMPT-1000过程控制实验平台的一部分，能够完整实现不同参数下的化工反应过程。实验平台模拟反应物在传统控制方法下，在控制一定的反应温度及投入固定的催化剂用量后，采用单一的进料比控制来加快反应过程。分析传统方案下化工反应过程反应器升温实验数据。得到不同温度情况下，主反应、副反应的反应速率是不一样的，确定分段控制的反应升温段划分点。3)采用双段式进料比或三段式进料比方法；具体地，分段式过程控制方法的提出。将传统方案改进为适应反应温度变化的变进料比控制。提出两种改进方案：方案一，双段式进料比，升温阶段进料比适应副反应发生；反应阶段进料比适应主反应发生。由于实际生产过程中，进料阀门到反应器需要通过管道传输，所以改变进料比并不能迅速影响反应，存在时间上滞后的问题。因此，在方案一的基础上提出加入过渡阶段的方案二，三段式进料比，升温阶段进料比适应副反应发生；过渡阶段进料比副反应向主反应过渡；反应阶段进料比适应主反应发生。4)根据仿真实验确定催化剂用量的分段控制，升温阶段、反应阶段分别配置适应不同阶段的催化剂用量；催化剂在不同反应温度下对反应的影响不同，不同的催化剂用量对同一反应的影响是不同的。不同反应阶段的特性对催化剂用量的要求也是不同的。该化工反应过程中，主反应与副反应对催化剂的用量显然是不同的，催化剂用量要通过仿真平台实验数据进行分段优化。升温阶段、反应阶段分别配置适应不同阶段的催化剂用量。5)建立化工生产模型和自动控制系统，建立基于SMPT-1000的化工生产模型和PCS7自动控制系统，进行实验验证。优选地，所述的复合化学反应为主反应与副反应存在平行竞争关系的平行反应。进一步优选地，所述的复合反应为多两种反应物、一种催化剂配比反应，生成主产物和副产物，其中主产物为目的产物。进一步优选地，所述的步骤1)主反应与副反应的反应指标参数已由实验测得。进一步优选地，所述步骤2)具体方法为：在控制一定的反应温度及投入固定的催化剂用量后，采用单一的进料比控制来加快反应过程，分析传统方案下化工反应过程反应器升温实验数据，得到不同温度情况下，主反应、副反应的反应速率是不一样的，确定分段控制的反应升温段划分点。进一步优选地，所述方法建立的自动控制系统由PCS7编程实现。进一步优选地，所述复合化工反应的工艺流程在SMPT-1000实验平台建模并进行仿真实验验证。优选地，所述步骤3)双段式进料比为升温阶段进料比适应副反应发生，反应阶段进料比适应主反应发生；三段式进料比为升温阶段进料比适应副反应发生，过渡阶段进料比副反应向主反应过渡，反应阶段进料比适应主反应发生。本专利技术有益效果：1、采用适应不同反应阶段的不同进料比方式，反应转化率提高了2.485％，达到设定温度的时间缩短了35s(即反应速率加快)，达到要求浓度值的时间缩短了252s，增加了产物累积量。2、加入过渡阶段，消除了改变进料比例影响反应时间上滞后的问题，又进一步提高了反应速率、增加了产量。3、与传统方案(单一进料比方式)相比，在化工生产的初始阶段减少了原料的无效使用的浪费，能够为该生产过程节约成本。附图说明图1化工反应工艺过程图2分段式控制流程图图3不同方案反应温度TI1103(即反应速率)曲线图图4不同方案产物浓度AI1101(即反应转化率)曲线图具体实施方式下面结合具体实施例，对本专利技术作进一步详细的阐述，但本专利技术的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本专利技术，而非用于限制本专利技术的范围。此外，在阅读本专利技术的内容后，本领域的技术人员可以对专利技术作各种修改，这些等价变化同样落于本专利技术所附权利要求书所限定的范围。实施例1下面结合仿真实际化工生产工艺的流程，对本专利技术基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法做详细描述。如化工生产反应过程：已知放热反应过程在催化剂C作用下，原料A、B反应生成主产物D(所需产品)和副产物E(杂质)，主、副反应均为强放热反应，反应方程式如下：主反应：副反应：上述化工生产中除了控制催化剂C用量、控制反应器特性参数(温度、压强等)来加快反应速率外，甚至还会采用原料A过量的工艺来获得较高的D产品反应转化率(参考工艺配比A:B:C为9:3:1)，因此合理调节原料A、B比例及催化剂C用量非常重要。上述工生产反应器数学模型部分指标参数如表1所示。表1反应器指标参数分析发现：反应过程中主反应与副反应之间存在剧烈竞争问题，可以看出主反应活化能小于副反应活化能(副反应活化能是主反应活化能的2.32倍)，主反应指前因子大于副反应指前因子，主反应放热大于副反应放热。根据活化能相关分析上述化工生产，主反应活化能小于副反应活化能，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据反应器中复合化学反应的指标参数，包括主反应放热、主反应指前因子、主反应活化能、副反应放热、副反应指前因子、副反应活化能、初始温度，结合阿伦尼乌斯关系式

【技术特征摘要】
1.一种基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据反应器中复合化学反应的指标参数，包括主反应放热、主反应指前因子、主反应活化能、副反应放热、副反应指前因子、副反应活化能、初始温度，结合阿伦尼乌斯关系式分析，当主反应活化能小于副反应活化能，提升温度加快反应速率时，副反应的速率系数增加更大，副反应更容易发生，其中k为反应速率，R为摩尔气体常量，T为温度，k0和Ea是两个经验参量，分别为指前参量和活化能，；2)用固定进料比方法仿真实验确定温度分段条件、划分点；3)采用双段式进料比或三段式进料比方法；4)根据仿真实验确定催化剂用量的分段控制，升温阶段、反应阶段分别配置适应不同阶段的催化剂用量；5)建立化工生产模型和自动控制系统，进行实验验证；完成基于活化能分析的分段式进料比过程控制。2.如权利要求1所述的基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，其特征在于，所述的复合化学反应为主反应与副反应存在平行竞争关系的平行反应。3.如权利要求2所述的基于活化能分析的分段式进料比过程控制方法，其特征在于，所述的复合反应为多两种反应物、一种催化剂配比反应，生成主产物和副产物，其中主...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁建华，陈庆，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42