固定床反应器的控制研究

张富强

摘 要：固体床反应器的控制问题是固体床反应器研发过程中关注的重点问题，在促进固体床反应器应用作用有效发挥，保证其稳定与安全运行上，发挥着至关重要的作用。基于此，本文从固体床反应器相关概述出发，联系已有研究成就固体床反应器的控制进行了简要分析，针对控制研究发展提出一些设想。

关键词：固体床反应器;常规控制;安全控制

固体床反应器作为化工行业建设与发展过程中应用较为普遍与广泛的反应设备，其控制质量的高低对化工行业生产质量、安全、效益的提升存在直接影响。对此，在当前高度重视设备安全，强调生产质量、效率、效益等协调发展的背景下，有必要加强固体床反应器的控制研究，为固体床反应器控制优化提供指导，从而改善反应器性能，提高反应器使用与管理质量。

1 对“固体床反应器”的基本认识

1.1 概念

固体床反应器（solid-bed reactor）又被称之为“填充床反应器”，是现代化学工业生产过程中应用较为广泛的生产设备。主要用于固体反应物、固体催化剂的装填与反应，以满足化学工业对反应物、催化剂的使用需求。固体床反应器中的固体颗粒在床层中处于静止状态，依托催化剂装填技术实现气固相催化反应或反应物装填技术实现液固相非催化反应。

1.2 类型

目前，现代化学工业中应用的固体床反应器主要有以下几种形式：①轴向/径向绝热式固定床反应器。即固体反应器床层与外界不存在热交换问题，流体沿着轴向/沿着径向流经床层。多应用于反应热效应低下或可承受反应热效应变化的环境中;②列管式固定床反应器。即催化剂多置于反应管中或反应管间，载热体通过在反应管间或反应管中流过进行加热/冷却，从而达成反应要求。在反应热效应相对较大的场合中具有广泛应用;③多级固定床反应器，依托先进科学技术实现轴向绝热式固定床反应器、径向绝热式固定床反应器、列管式固定床反应器的有效联合，通过分段控制满足生产需求。

1.3 特征

相对于其他反应器而言，固体床反应器具有催化剂损耗小、逆向混合小、结构简单等优势，但其温度控制能力相对较差，且需要及时更换催化剂。这就需要固体床反应器能够具有较强的控制能力，能够通过控制有效解决温度控制问题、催化剂失活过程中定态行为、动态行为控制问题以及催化剂更换过程中装填安全控制问题。

2 固体床反应器控制的重要性分析

2.1 理论研究视角分析

从理论研究角度来看：固体床反应器属于分布参数系统，在控制过程涉及到的变量相对较多，如何准确、科学、有效选择固体床反应器的控制变量始终是控制研究过程中，人们关注的重点问题。虽然随着近些年固体床反应器理论与实践研究的不断深入，测量技术、状态评估技术水平大幅度提升。但从整体层面来看，作为固体床反应器控制指标的变量测量，仍存在滞后性，不能直接用于固体床反应器的控制。与此同时，固体床反应器不属于线性系统，在运行过程中影响产率的因素众多，且各因素（如温度、催化剂反映、空间、时间等）之间存在的关系较为复杂。利用过程模型进行分析时，无法在大范围内对系统定态行为、动态行为进行精准描述。因此，在进行固态床反应器控制系统设计时，易出现模型失配问题，降低控制系统实用性、操作性。因此，仍需要不断加强固体床反应器的控制研究，能够从反应器行为、反应器模型、反应器控制指标测量等方面进行综合分析，进行控制系统优化，促进高级控制技术在固体床反应器控制中的科学运用。

2.2 实践应用视角分析

从实践应用层面来看：固体床反应器作为现代化学工业中的重要生产装置，其运用的安全性、稳定性、可靠性直接关系着化学工业生产质量与安全。加之，在当前高度提倡节能减排、环境保护等背景下，化学工业要想实现可持续竞争发展，必须进行生产设备改造与创新，以实现节能生产、减排生产、环保生产，具备生产设备集约化、智能化管控能力。這在一定程度上对固体床反应器及其控制提出了更高要求。因此，加强固体床反应器的控制研究，实现控制系统优化设计势在必行。

3 固体床反应器的控制方法分析

在固体床反应器控制中，参数敏感性问题、瞬态行为问题、稳定性问题、逆响应问题等是研究关注的重点问题，能够在一定程度上导致控制系统出现失控，增加控制复杂性。因此，根据固体床反应器控制要求与问题，可从常规控制与优化控制两方面进行研究。常规控制的目的在于抑制固体床反应器运行过程中的扰动，保证其运行的稳定、安全、可靠与高效;优化控制的目的在于降低其控制难度，提升其控制质量，或实现某一经济函数的最大化。在常规控制中可采用最优控制策略、模态控制测量、自适应控制策略、内模控制策略等提升控制系统辨识能力，给予状态估计充足的信息依据，让系统更好适应固体床反应器过程变化，进行扰动有效抑制。在优化控制中可依托先进科学技术，如微处理器控制技术、数字模型技术、神经元网络技术、故障诊断与评估技术等构建自动控制系统，并与常规控制策略有机结合下，提升固体床反应器整体控制水平。

总而言之，固体床反应器作为化工行业重要生产设备，在设备自动化、智能化发展过程中有必要加强其控制与管理能力。通过控制系统优化，不断改进固体床反应器使用性能，保证固体床反应器稳定与安全运行的同时，实现生产设备控制人力资源的有效节约，助力企业可持续竞争发展。

参考文献：

[1]闫洪寿，刘建龙，齐巍巍，等.加氢固定床反应器催化剂密相装填与安全控制[J].广东化工，2016，43（07）：162-164.