主题：【原创】化工过程控制的实践 -- 润树

有机化工的碳氢化合物原料，主要来自于石油。从炼油厂的蒸馏，触媒裂解或蒸汽裂解等过程，可以得到有机化工的基本原料，像甲烷，乙烯，丙烯，丁烯，苯，甲苯，和乙苯等。将这些原料进行深加工，可生产出满足人们日常生活需要的不同产品。

所谓有机化工过程，是指利用化学反应和物理分离的方法，对不同链级的碳氢化合物进行处理，从而获得所需产品的工业生产单元。我们这里主要介绍其中反应和分离这两大类过程以及它们的控制方法。

9.1 反应过程及其控制

有机化工生产中的化学反应，按原理分，有裂解，聚合，取代反应等，按反应器类型分有连续搅拌，均匀流动，间歇，半间歇式等。无论采取何种形式的反应，它们都必须遵从物料平衡和能量平衡这两条基本原理。反应过程的控制系统的设计和应用，就是要满足这两个要求。

比如现代大规模生产乙酸（acetic acid）的方法之一，是让甲醇与一氧化碳在高压和触媒的作用下进行碳化反应，其综合反应式是：

CH4O + CO = C2H4O2 + 热量

从物料平衡的角度来说，一个分子的甲醇与一个分子的一氧化碳反应生成一个分子的乙酸，或32公斤的甲醇与28公斤的一氧化碳反应生成60公斤的乙酸。因此，理想的控制方法是，按照这个反应式的物料比例来控制进入反应器的甲醇和一氧化碳的流量。但由于流量的测量精度和其它原因，这样做并不能保证该反应达到物料平衡。两个物料流量的比例控制只是静态前馈控制，必须有一个反馈变量来证实反应确实达到了物料平衡。如何选择这个反馈变量就要从反应器的工作原理入手。甲醇是以液体的方式进入反应器的，常规控制下，操作工按产量要求来设定其流量。比例控制回路据此去控制一氧化碳气体的流量。反应是在气液两相之间进行的。因此，反应器中压力的大小，即可间接指示一氧化碳的过量或不足。多了，未完全反应的一氧化碳就会引起压力升高，少了，则相反。了解了这一点，就可以设计一个反应器压力与一氧化碳流量之间的串级反馈控制系统，来达到物料平衡的控制目的。

同时我们也看到，这是一个放热反应，由反应所产生的热量必须连续不断地去除才能保证反应的正常进行，否则反应器温度会越来越高。该反应器有一个借助于泵而形成的自循环系统（pumparound），在这个回路中，生成物通过数个热交换器被冷凝水冷却而达到去除反应热量的目的。反应器内的温度，是一个能够很好地反映过程是否达到了热量平衡的反馈变量，可以被方便的用来与循环流量形成一个串级控制回路。

从这个例子我们可以看到，压力和温度是用来作为保证过程物料和热量平衡的被控变量。实际上，化工过程中对其它变量的控制，包括流量，液位，成分，重度等，都是为了这个目的。比如我们在“2.3 自编动态仿真一节”，举了一个乙基丙酸酯过程的例子，其中的回收塔的液位控制就是为了使两个反应物达到物料平衡。又如在“5.1 化工过程的数理控制”一节，介绍了用反应塔塔板6的温度作为反映反应物之一的酸的物料平衡。

以上这些都是连续搅拌式合成放热反应过程，现在我们来看一个均匀流动式裂解吸热反应过程。

如图9.1所示，这是一个将乙酸在高温炉中裂解，生成烯酮（ketene）和水的反应过程，其后续反应是烯酮再与乙酸合成，生成双酐（acetic anhydride）。过程原理是，液体乙酸在进入裂解炉之前被汽化，然后在炉体内被预热至约400摄氏度，再与触媒混合进入反应段，在温度升至约700摄氏度的过程中被裂解成烯酮和水。这个过程是在一两秒钟的短时间内完成的。从炉管里出来的生成物必须迅速冷却，使其中的水蒸汽能够以液态析出，否则将产生逆反应，降低乙酸的转换率。气态的烯酮进入吸收反应塔与乙酸进一步反应生成双酐粗成品。这个过程的常规控制并不复杂，有乙酸和触媒的比例控制，预热段和反应段的温度控制，烟道气里的氧气控制等。而先进控制的目标是，通过改变乙酸流量控制的设定值，触媒与乙酸的比值，温度控制的设定值，空气和燃料气的比值等等，来达成高产量，高转换率和热效率等全局性的生产指标。

在有机化工业中类似的裂解炉很多，比如将天然气（主要成分甲烷）裂解生成综合气（氢气和一氧化碳），将乙烷裂解生成乙烯，将石脑油裂解生成乙烯，丙烯等等。虽然这些裂解炉的过程有差异，它们的常规控制系统都是相似的。

有机化工反应过程的控制系统，常常还涉及防燃防爆的安全控制指标。由于这些指标和控制变量具有确定的对应关系，只要能保证测量和计算的准确可靠，控制起来是不难的。