基于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制系统及方法，系统包括温度控制器，温度控制器的输入端接有温度测量装置，温度控制器的输出端接有蛇管流量调节阀和蛇管流量控制器，蛇管流量控制器的输出端接有夹套流量调节阀；方法包括以下步骤：CSTR温度信号实时检测及传输；CSTR温度信号实时采集及分析处理；通过温度控制器和蛇管流量调节阀对蛇管换热器载热介质流量进行控制；通过蛇管流量控制器和夹套流量调节阀对夹套换热器载热介质流量进行控制，进而实现对蛇管换热器载热介质流量进行相应调整的目的。本发明设计新颖合理，控制速度快，控制精度高，换热效率高，载热介质消耗量小，有利于节能降耗，实现方便。

说明书

技术领域

本发明涉及连续搅拌反应釜的温度控制技术领域，尤其是涉及一种基 于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制系统及方法。

背景技术

连续搅拌反应釜(Continuous Stirred-Tank Reactor，简称CSTR)是 化工生产中实现各种物理变化和化学反应的过程设备，在反应装置中 占有重要地位。在塑料、化纤、合成橡胶三大合成材料生产中，CSTR 的数量约占反应器总量的90%以上。此外，在制药、油漆、染料、农药 等行业中也大量使用CSTR。CSTR反应温度是连续搅拌反应釜生产过程 最重要的参数，反应温度控制品质与生产效率和经济效益密切相关。 由于在生产过程中的重要地位，CSTR温度的自动控制一直受到控制领 域专业技术人员的关注，并提出了多种可行的控制方法。但现有针对 配有蛇管与夹套双换热器CSTR温度的控制方法，并没有充分发挥蛇管 换热器和夹套换热器本身的潜力。

对于配有蛇管与夹套双换热器的CSTR，在生产过程中的温度控制可采 用夹套换热器单独实现，也可采用蛇管换热器单独实现。

①夹套换热系统的特点是换热效率高（夹套容积大，载热介质在夹套 中停留时间长，热交换充分），但响应速度慢（时间常数大）。采用 夹套换热器进行日常生产反应温度控制，其优点是能耗低，缺点是动 态性能不好，控制精度低，动态偏差大，容易出现温度失控而不得不 强制停车的事故。

②蛇管热交换系统的特点是响应速度快（蛇管容积小，时间常数小） ，但换热效率低（蛇管容积小，载热介质在蛇管中停留时间短，换热 不充分）。采用蛇管换热器行日常生产反应温度控制，优点是反应器 温度动态性能 好，控制精度高，但载热介质一次换热量小、载热介质循环能耗高， 经济性差。

显然，这两种控制方案都没有完全发挥蛇管换热器和夹套换热器本身 在温度控制方面的潜力，不能兼顾控制品质高和节能降耗两个方面。

而且，从节能降耗、提高经济效益考虑，实际工业生产中基本采用夹 套换热器进行CSTR温度控制的单回路控制方案；出现紧急情况时，通 过手动操作蛇管换热器流量实现温度快速控制，保证人身和设备安全 。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种设计新颖合理，实现方便，使用操作便捷的基于蛇管与夹套双换热 器的CSTR温度控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于蛇管与夹 套双换热器的CSTR温度控制系统，其特征在于：包括温度控制器，所 述温度控制器的输入端接有用于对CSTR的实际反应温度进行实时检测 的温度测量装置，所述温度控制器的输出端接有用于对流入蛇管换热 器中的载热介质流量进行调节的蛇管流量调节阀和用于对流入蛇管换 热器中的载热介质流量进行控制的蛇管流量控制器，所述蛇管流量控 制器的输出端接有用于对流入夹套换热器中的载热介质流量进行调节 的夹套流量调节阀，所述蛇管换热器的载热介质入口处连接有蛇管载 热介质输入管，所述夹套换热器的载热介质入口处连接有夹套载热介 质输入管，所述蛇管流量调节阀安装在蛇管载热介质输入管上，所述 夹套流量调节阀安装在夹套载热介质输入管上。

本发明还提供了一种换热效率高，控制精度高，载热介质消耗量小， 有利于节能降耗，提高CSTR反应生产经济效益的基于蛇管与夹套双换 热器的STR温度控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、CSTR温度信号实时检测及传输：通过温度测量装置对CSTR 的实际反应温度进行实时检测，并将所检测到的CSTR实际反应温度信 号T_P(t)实时传输给温度控制器；

步骤二、CSTR温度信号实时采集及分析处理：温度控制器对CSTR实际 反应温度信号T_P(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应 温度信号T_P(t)与CSTR温度设定信号T_S进行差值比较得出温度偏差信号 e(t)；然后，温度控制器对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对 对流入蛇管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号u_T(t)；

步骤三、通过温度控制器和蛇管流量调节阀对流入蛇管换热器中的载 热介质流量进行控制：所述温度控制器向蛇管流量调节阀发送步骤二 中得出的控制信号u_T(t)，对蛇管流量调节阀进行控制，且通过对蛇管 流量调节阀进行控制实现对流入蛇管换热器中的载热介质流量的控制 ，由蛇管换热器对CSTR温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅 速减小并趋于0；同时，在对CSTR的温度进行控制的过程中，采用温度 测量装置对CSTR的实际反应温度进行实时检测；

步骤四、通过蛇管流量控制器和夹套流量调节阀对流入夹套换热器中 的载热介质流量进行控制，进而实现对流入蛇管换热器中的载热介质 流量进行相应调整的目的，具体过程如下：

步骤401、通过蛇管流量控制器获得对流入蛇管换热器中的载热介质流 量进行控制的控制信号u_CQ(t)：所述温度控制器向蛇管流量控制器发送 步骤二中得出的控制信号u_T(t)，蛇管流量控制器接收控制信号u_T(t) 并通过差值比较器对控制信号u_T(t)与蛇管换热器载热介质流量设定值 Q_CS进行差值比较得出蛇管换热器载热介质流量偏差信号e_CQ(t)；然后， 蛇管流量控制器对蛇管换热器载热介质流量偏差信号e_CQ(t)进行分析处 理，得出对流入蛇管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号u_CQ(t)；

步骤402、所述蛇管流量控制器向夹套流量调节阀发送步骤401中得出 的控制信号u_CQ(t)，对夹套流量调节阀进行控制，且通过对夹套流量调 节阀进行控制实现对流入夹套换热器中的载热介质流量的控制，由夹 套换 热器逐渐替代蛇管换热器的换热负荷变化，使得蛇管换热器载热介质 流量偏差信号e_CQ(t)逐渐趋于0，即使得对流入蛇管换热器中的载热介 质流量进行控制的控制信号u_T(t)逐渐等于蛇管换热器载热介质流量设 定值Q_CS，进而实现对流入蛇管换热器中的载热介质流量进行相应调整 的目的；

步骤401和步骤402中，蛇管换热器载热介质流量设定值Q_CS不大于蛇管 流量调节阀全开时蛇管换热器载热介质流量的15%。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明主要针对现有技术中的CSTR温度控制系统及方法没有充分发 挥蛇管换热器和夹套换热器本身的潜力，不能兼顾控制品质高和节能 降耗两个方面等缺陷和不足而提出，设计新颖合理，实现方便。

2、本发明启动后，能够自动进行蛇管和夹套载热介质流量的协调控制 ，完成CSTR温度的调节，无需进行人工操作，使用操作便捷。

3、本发明在CSTR温度动态控制过程，利用蛇管换热器快速响应的特点 ，能够使CSTR的实际反应温度及时跟踪设定值，并迅速抑制、消除扰 动所引起的温度偏差，确保CSTR反应温度具有良好的动态控制特性。

4、本发明在CSTR平稳生产过程中，利用夹套换热器换热效率高的特点 ，由价套换热器逐步替代蛇管换热器的换热负荷变化，最终由夹套换 热器7承担大部分换热负荷，换热效率高，载热介质消耗量小，有利于 节能降耗，提高CSTR反应生产的经济效益。

5、本发明能够充分发挥蛇管换热器动态性能好和夹套换热器热交换效 率高的不同优势，保证了反应生产过程中CSTR温度控制精度，同时实 现了节能降耗，提高了CSTR反应生产的经济效益目标，使CSTR温度在 动态性能与静态性能两方面都达到了理想水平。

6、本发明的实用性强，推广应用价值高。

综上所述，本发明设计新颖合理，控制精度高，换热效率高，载热介 质消耗量小，有利于节能降耗，提高了CSTR反应生产的经济效益，实 现方便，实用性强，推广应用价值高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明控制系统的原理框图。

图2为本发明控制方法的方法流程图。

图3为本发明控制系统的使用状态示意图。

图4a为采用蛇管换热器单独冷却的单回路CSTR温度控制系统和采用夹 套换热器单独冷却的单回路CSTR温度控制系统的温度动态响应曲线图 。

图4b为采用蛇管换热器单独冷却的单回路CSTR温度控制系统和采用夹 套换热器单独冷却的单回路CSTR温度控制系统的载热介质流量曲线图 。

图5a为本发明CSTR温度控制系统的温度动态响应曲线图。

图5b为本发明CSTR温度控制系统的蛇管和夹套载热介质流量曲线。

附图标记说明:

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制系 统，包括温度控制器1，所述温度控制器1的输入端接有用于对CSTR9的 实际反应温度进行实时检测的温度测量装置2，所述温度控制器1的输 出端接有用于对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控制的蛇管流 量调节阀3和用于对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控制的蛇 管流量控制器4，所述蛇管流量控制器4的输出端接有用于对流入夹套 换热器 7中的载热介质流量进行控制的夹套流量调节阀5，所述蛇管换热器6的 载热介质入口处连接有蛇管载热介质输入管11，所述夹套换热器7的载 热介质入口处连接有夹套载热介质输入管10，所述蛇管流量调节阀3安 装在蛇管载热介质输入管11上，所述夹套流量调节阀5安装在夹套载热 介质输入管10上。

结合图2，本发明所述的基于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制方法 ，包括以下步骤：

步骤一、CSTR温度信号实时检测及传输：通过温度测量装置2对CSTR9 的实际反应温度进行实时检测，并将所检测到的CSTR实际反应温度信 号T_P(t)实时传输给温度控制器1；

步骤二、CSTR温度信号实时采集及分析处理：温度控制器1对CSTR实际 反应温度信号T_P(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应 温度信号T_P(t)与CSTR温度设定信号T_S进行差值比较得出温度偏差信号 e(t)；然后，温度控制器1对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对 对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号u_T(t)；

步骤三、通过温度控制器1和蛇管流量调节阀3对流入蛇管换热器6中的 载热介质流量进行控制：所述温度控制器1向蛇管流量调节阀3发送步 骤二中得出的控制信号u_T(t)，对蛇管流量调节阀3进行控制，且通过 对蛇管流量调节阀3进行控制实现对流入蛇管换热器6中的载热介质流 量的控制，由蛇管换热器6对CSTR温度进行快速控制，使得温度偏差信 号e(t)迅速减小并趋于0；同时，在对CSTR9的温度进行控制的过程中 ，采用温度测量装置2对CSTR9的实际反应温度进行实时检测；

步骤四、通过蛇管流量控制器4和夹套流量调节阀5对流入夹套换热器 7中的载热介质流量进行控制，进而实现对流入蛇管换热器6中的载热 介质流量进行相应调整的目的，具体过程如下：

步骤401、通过蛇管流量控制器4获得对流入蛇管换热器6中的载热介质 流量进行控制的控制信号u_CQ(t)：所述温度控制器1向蛇管流量控制 器4发送步骤二中得出的控制信号u_T(t)，蛇管流量控制器4接收控制信 号u_T(t)并通过差值比较器对控制信号u_T(t)与蛇管换热器6载热介质流 量设定值Q_CS进行差值比较得出蛇管换热器6载热介质流量偏差信号e_CQ( t)；然后，蛇管流量控制器4对蛇管换热器6载热介质流量偏差信号e_CQ(t)进行分析处理，得出对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控 制的控制信号u_CQ(t)；

步骤402、所述蛇管流量控制器4向夹套流量调节阀5发送步骤401中得 出的控制信号u_CQ(t)，对夹套流量调节阀5进行控制，且通过对夹套流 量调节阀5进行控制实现对流入夹套换热器7中的载热介质流量的控制 ，由夹套换热器7逐渐替代蛇管换热器6的换热负荷变化，使得蛇管换 热器6载热介质流量偏差信号e_CQ(t)逐渐趋于0，即使得对流入蛇管换热 器6中的载热介质流量进行控制的控制信号u_T(t)逐渐等于蛇管换热器 6载热介质流量设定值Q_CS，进而实现对流入蛇管换热器6中的载热介质 流量进行相应调整的目的；

步骤401和步骤402中，蛇管换热器6载热介质流量设定值QCS不大于蛇 管流量调节阀3全开时蛇管换热器6载热介质流量的15%。具体实施时， 为了保证温度控制系统具有良好的控制特性，同时节能降耗，蛇管换 热器6载热介质流量设定值QCS应在保证控制性能的前提下，尽可能小 ，进而实现稳态时反应器的主要换热负荷由高效率的夹套换热器承担 的目的。

例如，某有机材料生产中，采用配有蛇管与夹套双换热器的CSTR9进行 有机材料的聚合生产。生产过程中，在反应温度为72±1.0℃的条件下 ，参加反应的物料A与物料B在催化剂C作用下发生聚合反应，生成反应 产物聚合材料D。反应过程要释放大量的反应热，为了防止CSTR9内热 量聚集，确保反应过程平稳进行和安全生产，通过蛇管换热器6或/和 夹套换热器7内的载热介质与反应物料进行热交换，带走反应热，使C STR9内物料温度保持在设定值。具体地，载热介质为冷却水。

聚合反应过程放热量大，属于非自衡的危险反应过程，当反应温度升 高时，导致反应速度加快，反应放热量进一步增大，如果反应热量不 能及时移走，则反应温度会进一步升高，反应速度进一步加快。这种 “正反馈”作用将导致反应器温度急剧上升，反应器压力也迅速上升 。如果反应器内压力超过反应器所能耐受的极限，将可能发生爆炸并 引发火灾事故。

CSTR9的搅拌器对反应物料进行强烈搅拌，起到了很好的分散与稀释作 用，使反应器中的物料流动状态满足全混流假定。因此，可假设CSTR 9内各点的物料成分和温度都是均匀的，CSTR9出口浆液的成分、温度 与CSTR9内相等。

依照本发明的控制系统，设计出具体如图3所示的CSTR温度控制系统。 其中，蛇管换热器6设置在CSTR9内部，夹套换热器7设置在CSTR9外部 ，蛇管流量调节阀3安装在蛇管载热介质输入管11上且用于在温度控制 器1的控制下对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控制，夹套流 量调节阀5安装在夹套载热介质输入管10上且用于在蛇管流量控制器4 的控制下对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行控制，蛇管载热介 质输入管11和夹套载热介质输入管10连接到同一根载热介质总输入管 8上，蛇管载热介质输出管16和夹套载热介质输出管15连接到同一根载 热介质总输出管12上，CSTR进料管13安装在CSTR9上部，CSTR出料管1 4安装在CSTR9下部，温度测量装置2安装在CSTR9内部且用于对CSTR9的 实际反应温度进行实时检测。

依照本发明的控制方法对CSTR温度进行控制的过程如下：

步骤一、CSTR温度信号实时检测及传输：通过温度测量装置2对CSTR9 的实际反应温度进行实时检测，并将所检测到的CSTR实际反应温度信 号T_P(t)实时传输给温度控制器1；

步骤二、CSTR温度信号实时采集及分析处理：温度控制器1对CSTR实际 反应温度信号T_P(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应 温度信号T_P(t)与CSTR温度设定信号T_S进行差值比较得出温度偏差信号 e(t)，即e(t)=T_P(t)-T_S；然后，温度控制器1对温度偏差信号e(t)进 行分析处理，得出对对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控制的 控制信号u_T(t)；

本实施例中，CSTR温度设定信号T_S=72℃。

步骤三、通过温度控制器1和蛇管流量调节阀3对流入蛇管换热器6中的 载热介质流量进行控制：所述温度控制器1向蛇管流量调节阀3发送步 骤二中得出的控制信号u_T(t)，对蛇管流量调节阀3进行控制，且通过 对蛇管流量调节阀3进行控制实现对流入蛇管换热器6中的载热介质流 量的控制，由蛇管换热器6对CSTR温度进行快速控制，使得温度偏差信 号e(t)迅速减小并趋于0；即迅速使CSTR实际反应温度信号T_P(t)恢复 到CSTR温度设定信号T_S，使|e(t)|=|T_P(t)-T_S|≈0；同时，在对CSTR 9的温度进行控制的过程中，采用温度测量装置2对CSTR9的实际反应温 度进行实时检测；由于蛇管换热器6具有响应速度快的优势，因此，在 CSTR温度动态控制过程，利用蛇管换热器快速响应的特点，能够使CS TR的实际反应温度及时跟踪设定值，并迅速抑制、消除扰动所引起的 温度偏差，确保CSTR反应温度具有良好的动态控制特性；

步骤四、通过蛇管流量控制器4和夹套流量调节阀5对流入夹套换热器 7中的载热介质流量进行控制，进而实现对流入蛇管换热器6中的载热 介质流量进行相应调整的目的，具体过程如下：

步骤401、通过蛇管流量控制器4获得对流入蛇管换热器6中的载热介质 流量进行控制的控制信号u_CQ(t)：所述温度控制器1向蛇管流量控制器 4发送步骤二中得出的控制信号u_T(t)，蛇管流量控制器4接收控制信号 u_T(t)并通过差值比较器对控制信号u_T(t)与蛇管换热器6载热介质流量 设定值Q_CS进行差值比较得出蛇管换热器6载热介质流量偏差信号e_CQ(t) ，即e_CQ(t)=u_T(t)-Q_CS；然后，蛇管流量控制器4对蛇管换热器6载热介 质流量偏差信号e_CQ(t)进行分析处理，得出对流入蛇管换热器6中的载 热介质流量进行控制的控制信号u_CQ(t)；

步骤402、所述蛇管流量控制器4向夹套流量调节阀5发送步骤401中得 出的控制信号u_CQ(t)，对夹套流量调节阀5进行控制，且通过对夹套流 量调节阀5进行控制实现对流入夹套换热器7中的载热介质流量的控制 ，由夹套换热器7逐渐替代蛇管换热器6的换热负荷变化，使得蛇管换 热器6载热介质流量偏差信号e_CQ(t)逐渐趋于0，即|e_CQ(t)|=|u_T(t)-Q_CS|→0，即使得对流入蛇管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信 号u_T(t)逐渐等于蛇管换热器6载热介质流量设定值Q_CS，进而实现对流 入蛇管换热器6中的载热介质流量进行相应调整的目的；

本实施例中，蛇管换热器6载热介质流量设定值Q_CS等于蛇管流量调节阀 3全开时蛇管换热器6载热介质流量的12%。由于夹套换热器7具有换热 效率高与节能降耗的优势，因此，在CSTR平稳生产过程中，使流入蛇 管换热器6中的载热介质流量保持在设定值Q_CS，由夹套换热器7承担大 部分换热负荷，冷却效率高，耗水量小，以利于节能降耗，提高CSTR 9反应生产的经济效益。

为了验证本发明所述控制系统和控制方法的控制效果，通过实验得到 采用蛇管换热器6单独冷却的单回路CSTR温度控制系统和采用夹套换热 器7单独冷却的单回路CSTR温度控制系统的温度动态响应曲线图如图4 a所示，采用蛇管换热器6单独冷却的单回路CSTR温度控制系统和采用 夹套换热器7单独冷却的单回路CSTR温度控制系统的载热介质流量曲线 图如图4b所示，采用本发明所述控制系统和控制方法的CSTR温度控制 系统的温度动态响应曲线图如图5a所示，采用本发明所述控制系统和 控制方法的CSTR温度控制系统的载热介质流量曲线图如图5b所示。

图4a中，T_P(t)为CSTR实际反应温度信号，单位为℃；t为时间，单位 为s；实线SGT为采用蛇管换热器6单独冷却的单回路CSTR温度控制系统 的温度动态响应曲线，虚线JTT为采用夹套换热器7单独冷却的单回路 CSTR温度控制系统的温度动态响应曲线；图4b中，Q(t)为载热介质流 量，单位为m³/h；t为时间，单位为s；实线SGQ为采用蛇管换热器6单 独冷 却的单回路CSTR温度控制系统的载热介质流量曲线，虚线JTQ为采用夹 套换热器7单独冷却的单回路CSTR温度控制系统的载热介质流量曲线； 从图4a和图4b可以看出，采用蛇管换热器6单独冷却的单回路CSTR温度 控制系统，动态特性好、控制精度高，但载热介质消耗量大，不利节 能降耗；采用夹套换热器7单独冷却的单回路CSTR温度控制系统，载热 介质消耗量小，换热效率高，有利节能降耗，但动态特性差、控制精 度低。显然，采用传统的单回路控制方案，控制精度和节能降耗，二 者不能兼顾。

采用本发明所述控制系统和控制方法，对其加入与图4a和图4b完全相 同的给定值扰动和负荷扰动，可得到如图5a所示的温度动态响应曲线 图和如图5b所示的载热介质流量曲线图。图5a中，T_P(t)为CSTR实际反 应温度信号，单位为℃；t为时间，单位为s；实线SGJTT为基于蛇管与 夹套双换热器的CSTR温度控制系统的温度动态响应曲线；图5b中，Q( t)为载热介质流量，单位为m³/h；t为时间，单位为s；实线SGJTSGQ为 基于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制系统中蛇管换热器6的载热介 质流量曲线，虚线SGJTJTQ为基于蛇管与夹套双换热器的CSTR温度控制 系统中夹套换热器7的载热介质流量曲线；将图5a所示的温度动态响应 曲线与图4a所示的温度动态响应曲线相比较，将图5b所示的载热介质 流量曲线与图4b所示的载热介质流量曲线相比较，可以明显看出，采 用本发明所述控制系统和控制方法，在CSTR温度出现偏差时，首先由 动态性能好的蛇管换热器6进行温度控制，能迅速消除温度偏差；在过 程进入稳态后，由换热效率高的夹套换热器7逐渐取代动态性能好的蛇 管换热器6所承担的换热负荷变化，使载热介质消耗量大大降低。在平 稳生产过程中，反应温度保持在72℃，此时流入蛇管换热器6中的载热 介质流量很少，CSTR9绝大部分换热负荷由夹套换热器7承担，换热效 率高，载热介质消耗量小，有利于节能降耗。相对于CSTR温度单回路 控制系统，该控制系统和控制方法能够自动协调与调整蛇管换热器6和 夹套换热器7的流量，发挥两个换热器各自的优势，使CSTR温度在动态 性能与静态性能两方面都达到理想水平。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及 等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。