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丙烯腈反應(yīng)器控制技術(shù)研究

文檔作者：王長明竇華中文檔來源：蘭州石化公司自動化院蘭州石化公司合成橡膠廠		更新日期： 2026年04月04日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1003—0492(2010)12—0104—03 中圖分類號：TQ052
丙烯腈反應(yīng)器控制技術(shù)研究
Research on Control Technology of the Acrylonitrile Unit Reactor
互 業(yè)應(yīng)王主男信用要，長息江研、明化究蘇軟總方測海(1體安量向96技架為人4一先術(shù)構(gòu))， 研進(jìn)。工 學(xué)控究與制碩士應(yīng)優(yōu)用，化高、技流級術(shù)程工研業(yè)究師企及，
摘要：本文根據(jù)丙烯腈反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)，提出了反應(yīng)器在DCs系統(tǒng)基礎(chǔ)
之上的專家控制、GPC控制技術(shù)，以及相應(yīng)的控制策略；論述了裝置主要
質(zhì)量參數(shù)反應(yīng)氣中的尾氧、丙烯醛含量軟測量預(yù)測技術(shù)；闡述了專家控
制、GPC控制、軟測量原理。專家控制、GPC、軟測量技術(shù)在丙烯腈反應(yīng)
器結(jié)合應(yīng)用，取得良好效果，解決了丙烯腈裝置生產(chǎn)瓶頸，提高了裝置運(yùn)
行平穩(wěn)率，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，提高了丙烯腈產(chǎn)品收率，收到了
良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
關(guān)鍵詞：反應(yīng)器；GPC；軟儀表；專家控制；模型
Abstract：According to the characteristics of the Acrylonitrile Unit Reactor，
the expert Control technique and GPC technique are applied on DCS，and the
corresponding control strategy is adopted．The soft sensor technique about
oxygenic content and acroleinin content in the tail gas of reactor is discussed，
the expert control theory,the GPC theory and the soft sensor theory are
introduced．These techniques are successfully used in the Unit．Thereafter，the
production bottleneck in the Unit is solved，the process stability is improved，the
operation intensity is reduced，the acrylonitrile product yield is increased，and
the economic benefit and the social benefit are obtained．
Key words：Reactor；GPC；Soft Scnsor；ExpertControl；M ode／
l 概述
某煉化企業(yè)丙烯腈裝置采用丙烯、氨、空氣為原料，在硫化
床反應(yīng)器中通過催化劑制得丙烯腈，裝置分合成、分離、后處理
和乙腈四個單元。采用丙烯氨氧化法制丙烯腈反應(yīng)流程，丙烯、
氨、空氣按1：1．05～1．25：9．5～10．5的比例通過催化劑的作用，在
溫度420C～435℃ ，壓力0．055～O．08MPa條件下進(jìn)行反應(yīng)，主產(chǎn)
物為丙烯腈，副產(chǎn)物為乙腈、氫氰酸等。
流化床反應(yīng)器是該裝置的心臟，其流程簡圖見圖1。反應(yīng)器丙
烯腈的收率高低直接影響整個裝置的經(jīng)濟(jì)效益。丙烯氨氧化法制丙
烯腈的反應(yīng)流程為液態(tài)丙烯和液態(tài)氨經(jīng)氣化、過熱、混合，由丙烯
一氨分布器進(jìn)入流化床反應(yīng)器，壓縮空氣通過位于丙烯一氨分布器下
面的空氣分布板進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在一定的溫度和壓力下，混合
氣體以一定的速度通過處于沸騰狀的微球形催化劑床層，在催化劑
的作用下，反應(yīng)生成丙烯腈、乙腈及氫氰酸等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物進(jìn)入
分離單元進(jìn)行精制，生產(chǎn)出合格的丙烯腈產(chǎn)品。
圖1丙烯腈反應(yīng)器流程簡圖
在常規(guī)控制下，反應(yīng)溫度主要由反應(yīng)器撤熱水流量控制，
由于受到進(jìn)反應(yīng)器換熱的高壓蒸汽壓力、溫度、流量，反應(yīng)器壓
力，以及環(huán)境溫度等因素的影響，反應(yīng)溫度波動大于1．5℃ ，工藝
希望反應(yīng)溫度控制在0．5℃之內(nèi)。針對這個生產(chǎn)瓶頸提出了專家控
制與預(yù)測控制相結(jié)合的控制方案，并通過與反應(yīng)器主要質(zhì)量參數(shù)
軟測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)反應(yīng)器“卡邊”控制。
2 專家控制原理技術(shù)
近年來，智能控制已成為控制界的一大熱點(diǎn)，利用人工智能
的智能控制領(lǐng)域主要包括專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。專家
1 0 4 自動于匕博覽 2010年12月刊
求是很高，必須在每個采樣周期內(nèi)都給出控制信號。
專家控制模型為：U=f(E，K，，)
其中，u為控制器的輸出作用集，E為控制器的輸入集，K為
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)項集，I為具體推理機(jī)構(gòu)的輸出集。
依照產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)形式，是一種智能算子，其基本形式為：
ifE andK then
根據(jù)輸入信息和系統(tǒng)中的知識進(jìn)行推理。
專家控制系統(tǒng)解決控制問題的過程用下圖2流程描述，事實
上是一種控制信息處理過程，是周期性地進(jìn)行認(rèn)識判斷行動的過
程。專家控制系統(tǒng)首先根據(jù)收集的數(shù)據(jù)認(rèn)識控制對象所處的狀
量，NU為預(yù)測長度，九控制量權(quán)重因子。
在GPC控制應(yīng)用過程中，利用(4)式建立數(shù)學(xué)模型，通過
收集裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，確定GPC控制數(shù)學(xué)模型中
的未知系數(shù)。
4 丙烯腈裝置反應(yīng)溫度先進(jìn)控制
4．I控制策略
針對反應(yīng)器控制情況和用戶需求，對反應(yīng)溫度采用專家控制
與GPC控制相結(jié)合的控制策略，實現(xiàn)丙烯腈反應(yīng)器平穩(wěn)運(yùn)行。
4 2 控制方案
況，根據(jù)認(rèn)識的結(jié)果判斷應(yīng)該采取的行動， 由此對控制對象實施
控制作用。 量，
根據(jù)控制策略，在先進(jìn)控制模型中選取反應(yīng)溫度作為被控變
以CV表示；選取丙烯進(jìn)料量設(shè)定值、氨進(jìn)料量設(shè)定值、空
H ^ L 1一l 皂／ I r x 邑’ ／ J -●^ ? ’ I、? 2、? ’ j? ? ^ 一
專家控制秉統(tǒng)
數(shù)據(jù) 應(yīng)器壓力為干擾變量，以DV表示。
一一 ～～ — ★
認(rèn)識 }
1． ．． ．．． ，．．．． ．．．． ．．，．一
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反應(yīng)溫度采用設(shè)定點(diǎn)控制，利用GPC控制模型預(yù)測輸出MV
／ 一、 判斷 l
控制輸出值，輸出值與f控制對象) L? ．． — 下面的專家控制相結(jié)合，得到最后的控制輸
＼、
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掩制 I 行動 【 。
作用
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2010年12月刊自勛，匕博覽 1 o 蘭
1 ■ 圈 麗
5 軟測量技術(shù)
5．1軟測量實施思想
軟測量的基本思想是把自動控制理論與生產(chǎn)工藝過程知識有
機(jī)結(jié)合起來，應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，對于一些難于測量或暫時不能測
量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)
學(xué)關(guān)系來推斷和估計，以軟件來代替硬件(傳感器)功能。這類
方法具有響應(yīng)迅速，連續(xù)給出主導(dǎo)變量信息，且具有投資低、維
護(hù)保養(yǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)丙烯腈反應(yīng)器的特點(diǎn)，以及操作控制需求，選取反應(yīng)氣
中的尾氧和丙烯醛含量進(jìn)行實時預(yù)測，丙烯腈反應(yīng)氣中的尾氧和
丙烯醛含量與反應(yīng)器反應(yīng)溫度、壓力、氨烯比、空烯比等反應(yīng)條
件相關(guān)聯(lián)。反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量進(jìn)行實時預(yù)測，為裝置
正常運(yùn)行提供幫助。
5．2 軟測量模型
(1)反應(yīng)氣尾氧含量軟測量模型
尾氧含量是丙烯腈反應(yīng)氣中一個重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，采用
PLS(Partial Least Squares)建立尾氧含量軟測量數(shù)學(xué)型，實施過程
如圖4所示。
機(jī)理方法
進(jìn)行機(jī)理分析 參數(shù)辯識
圈 丫
圖4 軟測量實施過程結(jié)構(gòu)圖
軟測量模型中的輔助變量選擇是軟測量應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，
準(zhǔn)確的輔助變量選擇使軟儀表建立在準(zhǔn)確的輸入、輸出采集數(shù)據(jù)
基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確預(yù)測 在計算尾氧含量模型中，
開始選擇了10個輔助變量，通過對該塔工藝機(jī)理及主元分析，確
定PLS模型中的輔助變量為反應(yīng)溫度、丙烯進(jìn)料、氨丙比、空丙
比、反應(yīng)器壓力5個輔助變量，分別記為X 、X 、X 、X4及X ，尾氧
含量Y計算公式為：
Y=(0．1546+O．8753 Xl+0．0548 X2
— 0,0762 X3+0．062 X4一O．1287 xO 2．1
式中的X 、x 、x，、X4及X 分男U根據(jù)相應(yīng)參數(shù)的量程范圍進(jìn)行
了歸一化處理。
尾氧含量軟測量模型預(yù)測精度高，如圖5所示。尾氧含量軟
測量預(yù)測值與化驗值變化趨勢一致。尾氧含量反映空烯比的控制
情況，尾氧含量高，反應(yīng)器中的催化劑容易被還原而失去活性。
尾氧含量軟測量預(yù)測值實時指導(dǎo)裝置操作，與反應(yīng)溫度先進(jìn)控制
相結(jié)合，實際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的作用。
圖5 尾氧含量的化驗值和模型計算值對比
(2)反應(yīng)氣丙烯醛含量軟測量模型
丙烯醛含量是丙烯腈反應(yīng)氣中一個十分重要的質(zhì)量控制指
標(biāo)，采用PLS建立丙烯醛含量軟測量模型。
在丙烯醛含量計算模型中的輔助變量為反應(yīng)溫度、反應(yīng)器壓
力、氨丙比、空丙比4個輔助變量，分別記為X。、X：、X，、X4尾丙
烯醛含量Y計算公式。
Y=0．2676 l一0．918 X2—2．9028 3
— 0．3914 x 一105．9589
丙烯醛含量軟測量模型預(yù)測精度高，如圖6所示，圖6為2010
年5月1日一5日丙烯醛含量的化驗值和模型計算值對比圖 丙烯醛
含量軟測量預(yù)測值與化驗值變化趨勢一致。丙烯醛含量反映氨烯
比的控制情況，氨烯比過低，丙烯腈收率降低，丙烯醛生成量增
加，造成精制工段的困難；氨烯比過高，會增加氨耗，同時增加
中和過量氨所用硫酸的用量。尾氧含量軟測量預(yù)測值實時指導(dǎo)裝
置操作，與反應(yīng)溫度先進(jìn)控制相結(jié)合，實際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的
作用。
圖6 丙烯醛含量的化驗值和模型計算值對比
6 結(jié)論
專家控制、預(yù)測控制 軟測量技術(shù)在丙烯腈反應(yīng)器上取得成
功應(yīng)用。通過這三種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，實現(xiàn)了“卡邊控制” ，提
高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了主要產(chǎn)品的產(chǎn)量，節(jié)能降耗，延長催化劑
使用壽命。
參考文獻(xiàn)：
[1]韓志剛先進(jìn)控制技術(shù)在石化行、 中的應(yīng)用問題分析[J]中外能源，2007，
I2．98～ 101
[2]孫德敏等．工、1 過程先進(jìn)控制及優(yōu)化軟件產(chǎn)她}J]，自動化博覽，2003，9，5
～ 13
1 o 6 自動化博覽201og12月刊

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