反应釜自动温度控制模块组成及控制原理

反应釜自动温度控制模块组成及控制原理

反应釜作为制药生产中实现化学反应的主要设备，在实际的化学合成反应过程中，温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。反应釜的温度控制占有着极为重要的地位。从传统的手动控温逐渐转变为自动控温，随着制药行业水平的不断提高，对生产所需的各种设备、仪器仪表的要求也在不断的提高。自动温度控制模块（以下称温控单元）是指通过外界提供的冷源和热源对各种设备如反应釜、干燥箱等实现温度的自动控制。广州黑灯科技有限公司是专业从事于化工行业各种类型的自动化控制系统开发和自动化工程项目承接，技术团队已在化工领域的自动化控制方面积累了丰富的技术和经验，是一家专注于化工自动化控制系统开发、化工自动化工程项目承接和技术服务的技术型企业。业务咨询：关生020-85650049。http://www.gzheideng.com/

【关键词】反应釜；温控单元；串级控制；控制阀；膨胀罐

1.化工行业在我国国民经济发展中占有重要地位，其中反应釜作为化学合成中实现化学反应的主要设备。尤其重要的是可以最大限度的降低由于温度控制不准影响产品质量的风险。

2.国内外自动温度控模块现状

此类设备的国内生产厂家和使用厂家几乎空白。只有一些外资企业在使用这样的设备，因为该设备一次性投入成本较大，国内一般企业不愿意或者承担不起这样的投入。

3.反应釜基本结构

反应釜看起来更像是一个密闭的罐子，罐子分为两半，上半部为罐盖，下半部分为罐身，中间有垫片，最后用特制的卡子将两者合为一体。反应釜的罐盖设置有进料口、测温口、视镜口和搅拌器孔等。进料口的作用其实就是将所需反应的物料投入罐身内进行化学反应；测温口则是安装一个圆柱式测温管，管内安装测温元件用于测量罐身内物料温度；视镜口可以提供操作员观察罐身内物料的反应情况；搅拌器孔则安装搅拌杆，搅拌杆是由上端的机架固定，通过联轴器连接至减速机和电机，电机运转从而驱动搅拌杆转动，使釜内物料充分混合均匀；为了在反应过程中物料不向外泄漏，还要在搅拌孔和搅拌杆之间安装轴封装置（即机械

密封），使罐身内形成密闭的空间。罐身则由夹套（包括夹套冷热源进／出口）和放料口组成，图中阴影部分为夹套，相当于两个罐身重叠错开焊接成一个内筒体，中间的区域可以通入冷源或热源，通过夹套内壁传递能量至罐体内，完成各种物料升温和降温。底部的放料口是用于物料反应结束后方便取走物料而设置的。

4.温控单元组成

温控单元主要由控制阀、螺旋板式（冷）交换器、螺旋板式（热）交换器、循环泵、膨胀罐、换热媒介、各类管道阀门及电气控制系统组成。温控单元所采用的控制阀是一个气动三通调节阀和一个二通调节阀。通过PLC控制自动切换控制阀完成反应釜釜内物料的升温和降温的操作。

4.1温控单元工艺流程描述

温控单元对夹套式反应釜进行控温，对反应釜夹套介质控温后，再通过热传递对釜内物料进行控温。当反应釜内物料需要加热时（温度实际值比目标值低），温控单元内的乙二醇介质

通过磁力泵循环，即温控单元处于加热流程，系统会自动关闭冷冻水供应的开关阀，而逐渐打开蒸汽供应的调节阀，并使三通调节阀逐渐打开到螺旋板式换热器的（热侧），温控单元内的乙二醇溶液被蒸汽加热并流动到反应釜夹套里，加热釜内物料；加热过程中冷冻开关阀关，三通调节阀热侧开度值为100，蒸汽角座阀开，蒸汽调节阀开度根据目标值和实际值温度偏差进行调节。当反应釜内物料需要降温时（温度实际值比目标值高），即温控单元处于冷却流程，系统会自动逐渐地关闭蒸汽调节阀，而打开冷冻水开关阀，并使三通调节阀逐渐打开到螺旋板式换热器侧（冷侧），温控单元内的乙二醇溶液被冷冻水冷却并流到反应釜夹套里，冷却釜内物料；降温过程中冷冻开关阀开，三通调节阀制冷侧根据目标值和实际值温度偏差进行调节，蒸汽角座阀关，蒸汽调节阀开度值为0。

4.2膨胀罐的作用

温控单元的最高点装有膨胀罐，用于缓冲温控单元内的物料（乙二醇）由于热胀冷缩效应而产生的应力。当进行冷却流程，温控单元内温度较低时，物料密度较大，其体积较小膨胀罐

内的液位较低；当进行加热流程，温控单元内温度较高，物料密度较小，而其质量是恒定不变的，其体积会变大，膨胀罐缓解系统的热应力而提高罐内液位。膨胀罐上装有安全阀，用于防止由于物料膨胀及蒸发所带来的高压工况；预留了一个手动排空口，在观察到罐内液位过低时，也可作乙二醇溶液的临时加料口。为了控制乙二醇溶液的沸点，使其在高温下不至于大量蒸发，膨胀罐会不断充氮气，至少维持0.1Mpa左右的压力。

4.3温控单元控制原理

温控单元采用夹套式反应釜温度串级控制原理，将釜内温度作为主调节器，夹套温度作为副调节器，把一次扰动即加入物料和物料化学反应的放热对釜内温度的扰动放在主被控过程

上，把二次扰动即蒸汽和冷冻水对夹套温度的扰动放在副被控过程上。这样一来可以及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的，主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对两个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。如果引入I控制，控制精度可以得到提高，但会延长控制过程。我们采用P和PI控制相结合，先采用P控制，使夹套温度迅速接近设定值，再采用PI控制，精确控温。手动输入夹套设定值，单独对夹套控制。副调节器作用方式的确定：按照负反馈控制系统的原则来确定。

控制系统中的被控对象、变送器、控制器、执行器四个环节的作用方向的乘积应为“－”。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出变化的方向：当输入增加时，输出也增加，则称为正作用方向，反之，当输入增加时，输出减少的称为反作用方向，可用＋、－号来表示。

被控对象的作用方向，设备加热时，蒸汽调节阀打开，温度升高，为正作用方向；设备制冷时，三通调节阀打开，温度降低，为反作用方向。变送器的作用方向：温度增加，输出信号也增大，为正作用方式。执行器的作用方向：出于生产工艺安全考虑，冷冻水开关阀设定为气关式（反作用），蒸汽调节阀设定气开式（正作用），三通调节阀对于热测设定气开式（正作用），当由于故障，气源信号中断时，温控单元会持续给反应釜供冷，以预防反应釜热量积累带来过压等危险。

副调节器对蒸汽调节阀和三通调节阀采用分程控制原理（简单控制系统是一个控制器的输出带动一个控制阀动作，而分程控制系统的特点是一个控制器的输出同时控制几个工作范围不同的控制阀。

加热时蒸汽调节阀开，三通调节阀全开走加热侧；制冷时蒸汽调节阀关，三通调节阀走制冷侧。不论是加热和制冷过程，蒸汽调节阀和三通调节阀均由副调节器来控制。用副调节器输出线性化成0-100的输出范围，当输出为0-48范围内，设备为制冷过程，对应三通调节阀制冷侧开度为100到0；48到52范围内，设备既不加热也不制冷，蒸汽调节阀关闭，三通调节阀关闭；52到100范围内，为加热过程，对应蒸汽调节阀开度为0到100，三通调节阀全开。釜式加热制冷方式有一定的节能降耗、减少污染排放的优势。随着国内企业能源成本和环保意识的不断提高，相信此类设备的应用会越来越广泛。