反應釜自動溫度控制模塊組成及控制原理

反應釜自動溫度控制模塊組成及控制原理

反應釜作為制藥生產中實現化學反應的主要設備，在實際的化學合成反應過程中，溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。反應釜的溫度控制占有著極為重要的地位。從傳統的手動控溫逐漸轉變為自動控溫，隨著制藥行業水平的不斷提高，對生產所需的各種設備、儀器儀表的要求也在不斷的提高。自動溫度控制模塊（以下稱溫控單元）是指通過外界提供的冷源和熱源對各種設備如反應釜、干燥箱等實現溫度的自動控制。廣州黑燈科技有限公司是專業從事于化工行業各種類型的自動化控制系統開發和自動化工程項目承接，技術團隊已在化工領域的自動化控制方面積累了豐富的技術和經驗，是一家專注于化工自動化控制系統開發、化工自動化工程項目承接和技術服務的技術型企業。業務咨詢：關生020-85650049。http://www.xm-fcx.com/

【關鍵詞】反應釜；溫控單元；串級控制；控制閥；膨脹罐

1.化工行業在我國國民經濟發展中占有重要地位，其中反應釜作為化學合成中實現化學反應的主要設備。尤其重要的是可以最大限度的降低由于溫度控制不準影響產品質量的風險。

2.國內外自動溫度控模塊現狀

此類設備的國內生產廠家和使用廠家幾乎空白。只有一些外資企業在使用這樣的設備，因為該設備一次性投入成本較大，國內一般企業不愿意或者承擔不起這樣的投入。

3.反應釜基本結構

反應釜看起來更像是一個密閉的罐子，罐子分為兩半，上半部為罐蓋，下半部分為罐身，中間有墊片，最后用特制的卡子將兩者合為一體。反應釜的罐蓋設置有進料口、測溫口、視鏡口和攪拌器孔等。進料口的作用其實就是將所需反應的物料投入罐身內進行化學反應；測溫口則是安裝一個圓柱式測溫管，管內安裝測溫元件用于測量罐身內物料溫度；視鏡口可以提供操作員觀察罐身內物料的反應情況；攪拌器孔則安裝攪拌桿，攪拌桿是由上端的機架固定，通過聯軸器連接至減速機和電機，電機運轉從而驅動攪拌桿轉動，使釜內物料充分混合均勻；為了在反應過程中物料不向外泄漏，還要在攪拌孔和攪拌桿之間安裝軸封裝置（即機械

密封），使罐身內形成密閉的空間。罐身則由夾套（包括夾套冷熱源進／出口）和放料口組成，圖中陰影部分為夾套，相當于兩個罐身重疊錯開焊接成一個內筒體，中間的區域可以通入冷源或熱源，通過夾套內壁傳遞能量至罐體內，完成各種物料升溫和降溫。底部的放料口是用于物料反應結束后方便取走物料而設置的。

4.溫控單元組成

溫控單元主要由控制閥、螺旋板式（冷）交換器、螺旋板式（熱）交換器、循環泵、膨脹罐、換熱媒介、各類管道閥門及電氣控制系統組成。溫控單元所采用的控制閥是一個氣動三通調節閥和一個二通調節閥。通過PLC控制自動切換控制閥完成反應釜釜內物料的升溫和降溫的操作。

4.1溫控單元工藝流程描述

溫控單元對夾套式反應釜進行控溫，對反應釜夾套介質控溫后，再通過熱傳遞對釜內物料進行控溫。當反應釜內物料需要加熱時（溫度實際值比目標值低），溫控單元內的乙二醇介質

通過磁力泵循環，即溫控單元處于加熱流程，系統會自動關閉冷凍水供應的開關閥，而逐漸打開蒸汽供應的調節閥，并使三通調節閥逐漸打開到螺旋板式換熱器的（熱側），溫控單元內的乙二醇溶液被蒸汽加熱并流動到反應釜夾套里，加熱釜內物料；加熱過程中冷凍開關閥關，三通調節閥熱側開度值為100，蒸汽角座閥開，蒸汽調節閥開度根據目標值和實際值溫度偏差進行調節。當反應釜內物料需要降溫時（溫度實際值比目標值高），即溫控單元處于冷卻流程，系統會自動逐漸地關閉蒸汽調節閥，而打開冷凍水開關閥，并使三通調節閥逐漸打開到螺旋板式換熱器側（冷側），溫控單元內的乙二醇溶液被冷凍水冷卻并流到反應釜夾套里，冷卻釜內物料；降溫過程中冷凍開關閥開，三通調節閥制冷側根據目標值和實際值溫度偏差進行調節，蒸汽角座閥關，蒸汽調節閥開度值為0。

4.2膨脹罐的作用

溫控單元的最高點裝有膨脹罐，用于緩沖溫控單元內的物料（乙二醇）由于熱脹冷縮效應而產生的應力。當進行冷卻流程，溫控單元內溫度較低時，物料密度較大，其體積較小膨脹罐

內的液位較低；當進行加熱流程，溫控單元內溫度較高，物料密度較小，而其質量是恒定不變的，其體積會變大，膨脹罐緩解系統的熱應力而提高罐內液位。膨脹罐上裝有安全閥，用于防止由于物料膨脹及蒸發所帶來的高壓工況；預留了一個手動排空口，在觀察到罐內液位過低時，也可作乙二醇溶液的臨時加料口。為了控制乙二醇溶液的沸點，使其在高溫下不至于大量蒸發，膨脹罐會不斷充氮氣，至少維持0.1Mpa左右的壓力。

4.3溫控單元控制原理

溫控單元采用夾套式反應釜溫度串級控制原理，將釜內溫度作為主調節器，夾套溫度作為副調節器，把一次擾動即加入物料和物料化學反應的放熱對釜內溫度的擾動放在主被控過程

上，把二次擾動即蒸汽和冷凍水對夾套溫度的擾動放在副被控過程上。這樣一來可以及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節器具有“粗調”的作用，主調節器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。在串級控制系統中，主、副調節器的作用是不同的，主調節器是定值控制，副調節器是隨動控制。系統對兩個回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調節器的控制規律應選取PI或PID控制規律；副回路要求控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規律而不引入I或D控制。如果引入I控制，控制精度可以得到提高，但會延長控制過程。我們采用P和PI控制相結合，先采用P控制，使夾套溫度迅速接近設定值，再采用PI控制，精確控溫。手動輸入夾套設定值，單獨對夾套控制。副調節器作用方式的確定：按照負反饋控制系統的原則來確定。

控制系統中的被控對象、變送器、控制器、執行器四個環節的作用方向的乘積應為“－”。所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出變化的方向：當輸入增加時，輸出也增加，則稱為正作用方向，反之，當輸入增加時，輸出減少的稱為反作用方向，可用＋、－號來表示。

被控對象的作用方向，設備加熱時，蒸汽調節閥打開，溫度升高，為正作用方向；設備制冷時，三通調節閥打開，溫度降低，為反作用方向。變送器的作用方向：溫度增加，輸出信號也增大，為正作用方式。執行器的作用方向：出于生產工藝安全考慮，冷凍水開關閥設定為氣關式（反作用），蒸汽調節閥設定氣開式（正作用），三通調節閥對于熱測設定氣開式（正作用），當由于故障，氣源信號中斷時，溫控單元會持續給反應釜供冷，以預防反應釜熱量積累帶來過壓等危險。

副調節器對蒸汽調節閥和三通調節閥采用分程控制原理（簡單控制系統是一個控制器的輸出帶動一個控制閥動作，而分程控制系統的特點是一個控制器的輸出同時控制幾個工作范圍不同的控制閥。

加熱時蒸汽調節閥開，三通調節閥全開走加熱側；制冷時蒸汽調節閥關，三通調節閥走制冷側。不論是加熱和制冷過程，蒸汽調節閥和三通調節閥均由副調節器來控制。用副調節器輸出線性化成0-100的輸出范圍，當輸出為0-48范圍內，設備為制冷過程，對應三通調節閥制冷側開度為100到0；48到52范圍內，設備既不加熱也不制冷，蒸汽調節閥關閉，三通調節閥關閉；52到100范圍內，為加熱過程，對應蒸汽調節閥開度為0到100，三通調節閥全開。釜式加熱制冷方式有一定的節能降耗、減少污染排放的優勢。隨著國內企業能源成本和環保意識的不斷提高，相信此類設備的應用會越來越廣泛。