[科普中国]-连续搅拌釜式反应器

连续搅拌釜式反应器

连续搅拌釜式反应器（ContinuousStirredTankReactor，CSTR）是化工生产中进行各种物理变化和化学反应广泛使用的设备，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的数量约占合成生产反应器总量的90%以上。此外，在制药、油漆、燃料、农药等行业中，也大量使用。由于在实际生产过程中的广泛应用和重要性，CSTR的自动控制一直受到控制领域专业技术人员的关注。

在CSTR系统中最重要的参数是反应温度，CSTR温度控制的品质直接影响产品质量和产量。例如在聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）生产过程中，由于相邻两个型号PVC树脂的聚合温度相差仅2～3℃，这对聚合温度的控制要求相当高。如果聚合温度超出一定的偏差，就会影响产品的质量，严重的导致PVC树脂转型。而釜温波动过大则会使聚合度分布不均，PVC树脂质量下降。如果反应釜移热不及时可能导致爆聚，引发生产事故；移热过多又可能导致僵釜，所以聚合过程对反应温度的要求相当严格。另外由于化学反应过程中转化率等过程参数的测量方法非常复杂，控制反应温度成为一种间接控制产品质量的有效方法。

由于CSTR中化学反应机理较为复杂，反应物（或催化剂）浓度及流量、反应釜压力、加热（或冷却）装置类型、热剂（或冷剂）温度及其流量等对温度控制的影响较大，使系统本身具有较大的时变性、非线性和时滞性。目前自动控制领域专业技术人员提出了多种可行的控制方案，满足了生产过程的基本要求，但有些温度控制方案并没有充分发挥CSTR控制装置和控制系统的潜力，在控制性能方面存在很大的改善空间。而过程装备、控制装置与控制系统的快速发展，为CSTR先进控制方案的研究与应用提供了可能1。

连续搅拌釜结构搅拌釜的釜壁由传热速率高的铝制材料制成，釜体为不锈钢材料，釜体内部为衬铝结构，顶部装有马达可带动釜内搅拌器旋转。一般是通过焊接形成的密闭空间的钢结构。利用温度介质通入此空间来进行釜体内部物料的加热或冷却。釜体内部搅拌器的形状和大小对生产过程中物料反应产生影响。在釜体内部搅拌器的搅拌中，反应釜内的反应物料的浓度会均匀混合。反应釜内会安装温度传感器来在线实时测量温度变化。

连续搅拌釜反应过程连续搅拌釜进行反应前，先通过进料口将反应物料与催化剂按配比投入釜内，反应温度由反应釜夹套内的通入的高压蒸汽提供。当釜内温度达到生产设定值时，需要保持釜内温度恒定在一个稳定值。可以说恒温阶段对于产品质至关重要。有时在恒温后还需要二次升温和恒温。在反应过程中反应物料会产生放热反应，且反应的放热速率与反应温度之间是成正比的。在构建搅拌釜模型时可从控制指标、物料平衡和能量平衡、约束条件三个方面设计控制目标和控制手段。控制指标的选择是搅拌釜控制方案中的一个关键，控制指标可选择直接指标量，如产品产量，或者间接指标量，如温度、压力。反应釜中的指标大多都是综合性指标。为了保证反应的质量，就需要稳定相关控制参数值。经常用的控制方案有物料流量自动控制，流量比值自动控制，反应釜入口温度控制以及冷却剂流量控制。物料和能量平衡方面，为了保持能量平衡，防止在化学反应过程中热量的聚集产生“聚爆”，需要按时清理搅拌釜中的惰性物料，来保证反应有序的进行。在反应釜操作的安全性方面，反应釜采取一系列的约束条件来保证反应釜设备的可靠性2。