吉林化工学院毕业设计说明书
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真Controller Design and Simulation for CSTR
学生学号：11510210
学生姓名：严新宇
专业班级：自动1102
指导教师：王野
职称：工程师
起止日期：2015.03.09～2015.06.26
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology
吉林化工学院信控学院毕业设计说明书
摘要
连续搅拌反应釜（CSTR）是发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中应用最广泛的一种化学反应器，其控制质量直接影响到生产的效益和质量指标。对连续搅拌反应釜通过控制内部的工艺参数，如温度、压力、浓度等稳定，保证反应的正常运行。本文针对连续搅拌反应釜的数学模型，应用泰勒展开得到了线性状态空间表达式，在此基础上设计了LQR控制器，仿真结果表明，控制效果令人满意。
本设计将CSTR的非线性动态模型进行了输入输出线性化，得到CSTR线性状态空间模型。设计出连续搅拌反应釜的极点配置控制器并对系统进行仿真。设计出连续搅拌反应釜的LQR控制器并对其系统进行仿真。并对两种控制方法的控制效果进行了比较。
关键词：连续反应搅拌釜；LQR控制器；MATLAB仿真
I
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
Abstract
Continuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial production process as a chemical reactor, control the quality directly affect the production efficiency and quality index. For continuous stirred tank reactor by controlling the process parameters, such as temperature, pressure, concentration and so on, ensure the normal operation of the reaction. In this paper, based on a continuous stirred reactor mathematical model, the application of Taylor expansion is obtained for the linear state space representation, on this basis, design the LQR controller. Simulation results show that the control effect is satisfactory.
In this paper, the nonlinear dynamic model of CSTR is linearized, and the CSTR linear state space model is obtained. The pole assignment controller for continuous stirred tank reactor was designed and the simulation of the system was carried out. The LQR controller of the continuous stirred tank reactor is designed and the system is simulated. The control effect of the two control methods is compared.
Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation
II
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目录
摘要.................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... I I 第1章绪论.. (2)
1.1 课题背景及目的意义 (2)
1.2 国内研究现状 (2)
1.3 国外研究现状 (3)
1.4 连续反应搅拌釜的控制技术 (4)
1.5 仿真技术 (4)
1.5.1 数字仿真概述 (4)
1.5.2 MATLAB仿真软件 (8)
1.6本设计的主要研究内容 (10)
第2章连续搅拌反应釜的数学模型 (12)
2.1 连续搅拌反应釜结构 (12)
2.2 连续搅拌反应釜仿真模型的建立 (14)
2.3 非线性模型的线性化 (17)
第3章极点配置控制器的设计与仿真 (19)
3.1 极点配置 (19)
3.2 极点配置控制器的设计 (19)
3.2.1 极点配置控制算法 (19)
3.2.2 CSTR极点配置控制器设计 (20)
第4章LQR控制器的设计与仿真 (25)
4.1 LQR控制器的介绍 (25)
4.2 LQR控制器的原理 (25)
4.3 LQR控制器的设计 (26)
4.4 两种控制器效果对比 (29)
结论 (32)
参考文献 (32)
附录Ⅰ线性化程序 (33)
致谢 (35)
1
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
第1章绪论
1.1 课题背景及目的意义
连续搅拌反应釜是化工生产中的常用设备，同时又是典型的非线性被控对象。在发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中，发生反应的反应器起着非常重要的作用，也是工业生产过程中必不可少的工具，其操作状况直接影响着生产的效率和质量标准，近年来，非线性系统的控制理论也受到了广泛关注。
由于化学反应类型不同，物料的相态不同，反应条件差别很大，按照反应器的进出物料的状况，可将反应器分为间歇式、半间歇式、和连续式，连续反应器是工业生产过程中最常用、最普遍采用的以上方式，连续反应器为了保证反应的正常进行，需要对反应器中的某些关键工艺参加如温度、压力、浓度灯进行控制使系统稳定，通常的控制使采用定值控制，从反应器的传热来分，又可分为绝热式和非绝热式反应器，按操作方式分，又可分为连续操作，间歇操作和半间歇操作。从结构上分有釜式、管式、固定床和流化床等；釜式反应器又是工业上广泛采用的一种形式，可采用进行匀相反应，也可进行多相反应，如液固、气液、液液及气固液灯反应，釜式反应器内部有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。
连续搅拌反应釜内完成化工过程的特征参量一般为温度、浓度表现了化工过程本身的属性，这些属性都是化工生产过程质量生产好坏的重要标志，因此，通过测量并校正控制这些反应特这参数是化工生产过程质量的重要保证。
1.2 国内研究现状
1．连续搅拌反应釜系统的建模方面
徐用懋、范顺杰等运用动力学、相平衡和物料平衡原理，针对三井油化Hypol 工艺建立了连续搅拌反应釜过程的机理模型，他们所建的模型较为成功地对聚丙烯熔融指数的进行了预测，然后利用工业现场数据，得出了反应浆液丙烯的浓度、丙烯转化率和反应物的聚合反应热等重要参数；罗正鸿对连续搅拌反应釜系统的稳态进行机理建模，并分析研究了聚丙烯分子量和丙烯转化率与操作条件的变化之间的关系；使用结构逼近式混合神经网络，更好地对系统各变量之间的关系进行了描述，建立了连续搅拌反应釜系统的高精度数学模型；陈欠平通过对实际工业设备的研究，运用聚丙烯液相本体法建立了连续搅拌反应釜的动态和稳态数学模型，并通过仿真分析来研究连续搅拌反应釜系统输出与操作条件变化的关系；利用神经网络对连续搅拌反应釜系统进行机理建模使模型的精度得到了提高；针对工厂实际的连续搅拌
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反应釜系统，杨爱新对该对象进行动态机理建模，建立的模型符合现场实际的情况，同时利用该模型来研究当操作条件改变时，聚合物体积浓度百分比、反应物浓度、反应速率、冷却水出口温度以及反应体系温度的变化。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面
雷佳等充分利用遗传算法的寻优特性，提出了一种与PID控制相结合的遗传寻优算法，明显地提高了控制效果；以工业现场实际情况为背景，通过改进跟踪微分器，设计了一种二阶白抗扰控制方法，明显提高了工业现场连续搅拌反应釜的控制效果；朱学峰根据连续搅拌反应釜系统的非线性特性，提出了基于混合模型的非线性预测控制策略，此混合模型由非线性和线性两个部分组成，通过其仿真也可看出实际输出与模型输出误差较小；吴伟林提出了一种基于神经元网络的自适应控制方法，该方法有效改善了反应釜温度的大时滞问题，能够对反应釜温度进行有效地控制；刘士荣应用了一种模糊逆模一PID与神经网络相结合的复合控制策略，对反应釜温度控制获得了良好的控制效果；韩光信等提出了应用于连续搅拌反应釜的非线性鲁棒控制，对开车过程进行了优化；针对连续搅拌反应釜系统，贾爱民提出了一种鲁棒控制算法，该算法具有较强的适应性能和较强的抗干扰能力，能够满足实时控制的要求。
连续搅拌反应釜内化工反应过程的复杂性，使得采用一种简单的控制方式都很难达到理想的控制效果。伴随着控制理论的发展，越来越多的先进控制方法被应用到连续搅拌反应釜系统并取得了满意的成果。目前很多先进的反应釜控制技术就是将几种控制方法相结合，通过取长补短以期得到更加令人满意的控制效果。随着连续搅拌反应釜控制技术的不断深入和发展该系统的控制效果也会得到进一步地改善和提高。
1.3 国外研究现状
1．连续搅拌反应釜系统的建模方面
Gupta等于1992年提出了基于聚合多粒子模型的连续搅拌反应釜系统模型，根据该模型我们可以得出产率、聚合变化趋势以及聚合产物的分子量，同时也指出了聚合分散度与产率随着反应停留时问增加而变化的趋势，依据这一趋势他们解决了模型计算时间长的问题，提出了一种改进的模型计算算法。根据实际生产状况，Pinto 和Mattos建立了溶剂法连续搅拌反应釜系统的丙烯聚合稳态数学模型并对该模型进行仿真研究，结果表明实际生产数据与该模型的计算输出误差很小，Soare对多个反应釜串联的烯烃聚合建立了动态数学模型，对模型的仿真研究验证了该模型的合理性；通过使用模糊聚类的方法，动态地建立了连续搅拌反应釜系统的数学建模，提
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高了模型的精度；Zacca等对丙烯聚合反应进行动态数学建模，通过计算得出了物性传递等参数，而且利用这些参数对该模型进行仿真分析。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面
Minesh利用径向基函数神经网络来在线控制连续搅拌反应釜系统，此算法有极强的适应性；S.S.Ge提出了神经网络自适应控制，用多层神经网络构造隐式反馈线性控制（IFLC），其优点是跟踪误差小，对一般非线性系统有良好的控制性能；M.Jalili 设计了一种基于对象神经模糊模型的预测控制方法，解决了温度大时滞问题；采用了控制效果良好的非线性PID控制器，该方法应用局部模型网络通过门处理来变换非线性模型。
1.4 连续反应搅拌釜的控制技术
在早起反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程表表现出很强的非线性和对滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制制度，随后的PLC控制器较大的提高了控制精度，但是对于较复杂的控制过程，这种控制方式在通信和管理方面存在不足，随着PID控制技术的发现，越来越多的化学反应釜都用PID控制，但是PID控制技术是控制对象有精确模型的线性过程，而连续搅拌反应釜模型一个最主要的特征就是非线性，因此PID控制技术在复杂的过程中有很大缺陷，随着控制理论的发展和研究深入，更加先进有效的控制方法应用于连续反应搅拌釜的控制，如广义预测控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，连续反应搅拌釜的非线性H控制等。
任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想效果，目前最先进的反应釜智能控制技术就是将先进的智能控制理论和传统的控制方法相结合[12]，如基于专家系统反应釜控制系统[2]，PID参数自适应模糊控制方法，基于神经元网络的直接自适应控制法，利用遗传算法的寻优PID参数的模型参考自适应控制方法等。
随着控制理论的不断深入和发展，对连续反应搅拌釜的控制技术也会不断地改进和提高。
1.5 仿真技术
1.5.1 数字仿真概述
仿真技术作为一门独立的科学已经有50多年的发展历史了，他不仅用于航天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已
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5 从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源
系统、生物医学系统和教育系统也得到了广泛的应用。
在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重
要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统
技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高
效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、
节约开支和提高质量尤其具有突出的功效。
现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它
代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建
设和发展。
从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算
机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了解一定的仿真技术是必要的。
1．系统与模型与仿真
在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。
系统：一般来说，所谓“系统”就是指按照某些规律结合起来，相互作用、相
互依赖、相互依存的所有实体的集合。描述系统的“三要素”――实体、属性、活
动。实体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，用来描述每一实体的特性；活
动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的过程。举个例
子说，我们可以把一个理发馆定义为一个系统。该系统的“实体”包括服务员和顾
客，顾客到达模式和服务质量分别是顾客和服务员两个实体的“属性”，而整个服
务过程就是“活动”。
模型：所谓“模型”就是系统某种特定功能的一种描述，它集合了系统必要的
信息，通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。它一般分为物理模型和数学模
型两大类。物理模型与实际系统有相似的物理性质，它们与实际系统外貌相似，只
不过按比例改变尺寸，如各种飞机、轮船的模型等。数学模型是用抽象的数学方程
描述系统内部各个量之间的关系而建立的模型，这样的模型通常是一些数学方程。
如带电粒子在电场中运动的数学模型，我们关心的是粒子的速度、位移随时间的变
化。于是我们将系统的特征如电场强度，时间，粒子的荷质比全部数量化，根据动
力学列出它们之间的关系，也就是数学模型：
dv qE dt m
= dx v dt
= （1-1）
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
一般的计算机模拟模型都是数学模型。有了以上的知识，我们就可以得出仿真的定义：明确研究系统，建立系统模型，然后在模型上进行试验，这一过程称为仿真。
2．仿真的意义及目的
仿真的目的在于：在系统研制之前用于规划、评价和研究，通过系统仿真可以评价系统某一部分的性能，可以估价系统各个部分或各个分系统之间的相互影响，以及它们对整体性能的影响，可以比较各种设计方案，从中获得最佳设计；在系统研制中间用于设计和精密分析，可以对一些新建的理论、假设进行校验；在系统研制成功后则用于考核设计和训练系统的操作人员等。
主要原因在于：
（1）系统还处在设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的实验来了解；
（2）在真实系统上进行实验可能会引起系统破坏或是发生故障。例如，对于一个真实的化工系统或是电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险；
（3）需要进行多次试验时，难以保证多次系统试验的条件都相同，因而无法准确判断试验结果的优劣；
（4）系统试验时间太长或费用昂贵。
早期的仿真主要是物理仿真（或称实物仿真），采用的模型是物理模型，物理仿真的优点是直观、形象化，如柴油机模型，建筑物模型等。但是要为系统构造一套物理模型，尤其是十分复杂的系统，将花费很大的投资，周期也很长。另外，在物理模型上做实验，很难修改其中的参数，改变系统结构也比较空难，而且它对实际的贡献并不大。至于社会、经济现象和生态系统就更无法用实物来做仿真实验了。故现在广泛采用的是数字仿真，为所研究的系统建立合适的数学模型，通过计算机求出相应的数值解并作出相应的二维或三维图象、动画。
在某些系统的研究中，还把数学模型与物理模型以及实物结合起来一起实验，这种仿真称为数学—物理仿真，或称为半实物仿真。
现在我们说的计算机仿真主要是数字仿真，或是半实物仿真。它主要包括三个要素：系统、系统模型与计算机。联系这些要素的三个基本活动是：模型的建立（抽象出数学关系式）、仿真模型的建立（选择合适的算法）和仿真实验（运行程序并进行分析）。
计算机仿真主要研究数字仿真方法、仿真语言和仿真技术、仿真计算机及其应用。仿真方法是包括仿真算法、仿真模型的建立、仿真模型的误差计算以及仿真算法的选择等；仿真语言是指仿真的程序设计；仿真技术是研究系统最优化的问题；仿真计算机则是研究仿真专用计算机的结构和特点。
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3．仿真的主要类型
（1）根据被研究系统的特征可以分为两大类：连续系统仿真及离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对系统状态变量随时间连续变化，其基本特点是能用一组方程来描述。离散事件系统仿真则是指系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统。在两个事件之间状态变量保持不变，也即是离散变化的，这类系统的数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。
（2）按使用的计算机分类，则有：模拟计算机仿真：由于模拟计算机能快速解算常微分方程，所以当采用模拟计算机仿真时，应设法建立描述系统特性的连续时间模型。由于在模拟计算机上进行的计算是“并行的”，因此运算速度快。当参数变化时，容易掌握解的变化，这些是主要优点；主要缺点是：在处理多变t时或非线性较强的场合，对于偏微分方程难以求得高精度的解。数字计算机仿真：60年代后，由于数字计算机的发展，它已逐步取代早期采用的模拟计算机，而成为仿真技术的主要工具，它适用于把数学模型当作数字计算问题，用求解的方法进行处理，而且由于数值分析及软件的发展，使数字式仿真领域不断扩大，由于数字计算机不仅能解算常微分方程，而且还有较强的逻辑判断能力，所以数字式仿真可以应用于任何领城。如系统动力学问题，系统中的排队、管理决策问题。主要缺点是计算速度不如模拟式仿真。但近年来已开发了大量数字仿真的软件，因而提高了仿真工作的自动化程度。混合计算机仿真：这是一种将模拟式仿真与数字式仿真的优点结合起来，通过一套混合接口（如A/D，D/A转换器）组合在一起的混合计算机系统。它兼有模拟计算机的快速性及数字计算机的灵活性，它不仅能解决系统的动力学间题，而且也能解决许多排队、管理决策等问题，并且还包括流程图形式的模型。这种仿真的结果是模拟模型和数字模型的最优系统，混合式仿真最近也应用于解偏微分方程和求最优值的问题。缺点是造价昂贵，难于在民用部门推广。
4．计算机仿真的步骤和仿真技术
计算机仿真，概括地说包括“建模一实验一分析”这三个基本部分，即仿真不是单纯的对模型的实验，而且包括从建模到实验到分析的全过程。因此进行一次完整的计算机仿真应经过以下步骤：
（1）明确仿真对象（系统）。要明确以什么样的精密度来校真对象的哪一部分和仿真什么样的行为，并根据仿真的目的确定所研究系统的边界及约束条件，以及系统的规模及变量个数等；
（2）建立数学模型（或流程图）。建立什么样的数学模型与建模的目的有密切的关系。如果仅仅要求了解系统的外部行为，则要设法建立一个描述系统的外部行为的外部模型；如果不仅要了解系统的外部行为，还要求了解系统内部的活动规律，
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连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
就要设法建立一个描述系统输人集合、状态集合及输出集合之间关系的模型，称为内部模型或状态模型；
（3）模型变换。即把数学模型变成计算机可以接受的形式，称为仿真模型；
（4）设计仿真实验，例如利用数学公式、逻辑公式或算法等来表示实际系统的内部状态和输人输出间的关系；
（5）模型装载。把模型装人计算机；
（6）仿真实验。模型装人计算机后，便可以利用计算机对模型进行各种规定的实验，并测定其输出；
（7）实验结果的评价和分析。首先要确定评价标准，然后反复进行仿真，对诸次仿真的数据进行分析、整理，从代替方案中选出最优系统或找出系统运用的最优值，列出仿真报告并输出。
1.5.2 MATLAB仿真软件
MATLAB（矩阵实验室）是Matrix Laboratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN编写的程序）。
MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能[4]，集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
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MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB 对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。
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连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。
1．开发环境
MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境[3]，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。
2．数学函数库
MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法。从基本算法如加法、正弦，到复杂算法如矩阵求逆、快速傅里叶变换等。
3．语言
MATLAB语言是一种高级的基于矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。
4．图形处理系统
图形处理系统使得MATLAB能方便的图形化显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。它包括强大的二维三维图形函数、图像处理和动画显示等函数。
5．应用程序接口
MATLAB应用程序接口（API）是一个使MATLAB语言能与C、Fortran等其它高级编程语言进行交互的函数库。该函数库的函数通过调用动态链接库（DLL）实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran 程序，以及在MATLAB与其它应用程序间建立客户、服务器关系。
1.6本设计的主要研究内容
第1章介绍了化学反应器的分类及反应釜的控制发展过程，介绍仿真技术的发展和MATLAB仿真软件。
第2章阐述了连续反应搅拌釜系统的非线性模型的建立，通过介绍连续反应搅拌釜的结构和工作原理，根据物料衡算式建立起连续反应搅拌釜的非线性模型。根据建立的连续搅拌反应釜的非线性模型，对其进行线性化，并写出状态空间表达式。
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第3章说明了极点配置控制器的设计，通过介绍极点配置控制器的理论，设计出连续搅拌反应釜的极点配置控制器，完成仿真。
第4章介绍了LQR控制器的设计，通过了解LQR控制，设计出连续搅拌反应釜的LQR控制器，完成仿真，并比对了两种控制的控制效果。
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连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
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第2章 连续搅拌反应釜的数学模型
在许多的工业实际中都可以采用连续搅拌反应釜作为化学反应器。在很多化工
生产中，温度、压力、浓度都是影响生产能否正常进行的主要因素。因此对以上各
个量的有效控制，一直以来都是研究的重点。
连续搅拌反应釜是一个典型的非线性对象，控制理论对线性系统的丰硕的研究
成果并不适用于此系统，因此人们对此非线性系统的控制进行了大量的研究，提出
了多种控制器的设计。图2-1所示为带冷却套的连续搅拌反应釜，其化学反应是由
环戊二烯（cyclopentadience ，组分A ）生成主产品环戊烯（cyclopentenol ，组分B ）
和副产品二环戊二烯（组分D ），以及有环戊烯继续反应生成的副产品环戊酮
（eyelopentanediol ，组分C ）。化学反应方程如下：
1232k k k A B C
A D
→→→
2.1 连续搅拌反应釜结构
典型的连续搅拌反应釜的示意图如图2-1。
图2-1 连续搅拌反应釜的结构模型
基于能量守恒定律，连续搅拌反应釜的理想的动态特性可以由如下非线性微分
方程描述[1]：
()()()2013a a A a a R
dC V C C k T C k T C dt V =--- （2-1）
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13 ()()12b b a b R
dC V C k T C k T C dt V =-+- （2-2）
()
201231() ()()() ()AB BC AD R a R b R a R K R p p R k A dT V T T k T C H k T C H k T C H T T dt V C C V ωρρ=--?+?+?+- （2-3）
()
1()K K R K K PK dT Q k A T T dt m C ω=+- （2-4）
其中a C 和b C 分别表示组分物料A 和物料B 的浓度，T 和K T 分别为反应器中的
温度和冷却套温度。
假设反应速度i k 依赖于反应温度T 和并且遵循Arrhenius 准则：
0().exp ,1,2,3273.15i i i E k T k i T ??== ?+??
为了建立状态空间模型，取a C 、b C 、T 、K T 作为系统的四个状态变量，假设物料进给率R
V V 、冷却套中的散热量K Q 作为系统的控制输入。它限定在一定范围内变化如下：
-1-13h 35h R
V V <<，-19000KJh 0K Q -<<
反应器的进给料来自系统的上层单元，进料温度0T 和进料浓度0a C 是波动的，
作为系统外部的干扰。
为了获得组分B 的最大产出率确定系统的稳态工作点如下[8-9]：
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
14
0015.10/, 104.9C
14.19, 1113.5/, 2.14/ 1.09/114.2C,112.9C A K R A B
K
s s s s s s s s C mol L T V h Q kJ h V C C T T mol L mol L -====-====
显然，面临的是一个有控制约束的非线性控制问题。
该CSTR 系统的物理和化学参数如下表2-1所示。
表2-1 CSTR 的稳态参数
参数意义 参数 对应值
1k 指数前因子
10k 12-1(1.2870.04) 10h ±? 2k 指数前因子
20k 12-1(1.2870.04) 10h ±? 3k 指数前因子 30k
9(9.0430.27)101mol h ±?? 1k 活化能 1E
-9758.3K 2k 活化能 2E
-9758.3K 3k 活化能
3E -8560K 1k 的反应热
AB R H ? (4.2 2.36)kJ molA ± 2k 的反应热
BC R H ? -(11.0 1.92)kJ molA ± 3k 的反应热
AD R H ? -(41.85 1.41) kJ molA ± 反应液密度
ρ 4(0.9342 4.010)kJ l -±? 反应液比热容
p C (3.100.04)kJ kg K ±? 冷却套的传热系数
k ω 2(4032120)kJ h m K ±?? 冷却套的面积
R A 20.215m 反应器容积
R V 10L 冷却液质量
K m 5.0kg 冷却液的比热容 PK C (2.00.05)kJ kg K ±?
2.2 连续搅拌反应釜仿真模型的建立
吉林化工学院信控学院毕业设计说明书
15
图2-2 连续搅拌反应釜仿真封装图
图2-3 仿真封装子图一
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真
16
图2-4 仿真封装子图二
其中，各输出波形图如图2-5、2-6所示。
0100020003000
400050006000020
40
60
80
100
120
t/s 摄氏度输出波形
T
Tk
图2-5 T 和k T 的输出波形
课程设计 设计题目搅拌式反应釜设计 学生姓名 学号 专业班级过程装备与控制工程 指导教师
“过程装备课程设计”任务书 设计者姓名：班级：学号： 指导老师：日期： 1.设计内容 设计一台夹套传热式带搅拌的反应釜 2.设计参数和技术特性指标 3.设计要求 （1）进行罐体和夹套设计计算；（2）选择接管、管法兰、设备法兰；（3）进行搅拌传动系统设计；（4）设计机架结构；（5）设计凸缘及选择轴封形式；（6）绘制配料反应釜的总装配图；（7）绘制皮带轮和传动轴的零件图 1罐体和夹套的设计 1.1 确定筒体内径
当反应釜容积V 小时，为使筒体内径不致太小，以便在顶盖上布置接管和传动装置，通常i 取小值，此次设计取i ＝1.1。 一般由工艺条件给定容积V 、筒体内径1D 按式4-1估算：得D=1084mm. 式中 V －－工艺条件给定的容积，3m ； i ――长径比，1 1 H i D = （按照物料类型选取，见表4-2） 由附表4-1可以圆整1D ＝1100，一米高的容积1V 米＝0.953m 1.2确定封头尺寸 椭圆封头选取标准件，其形式选取《化工设备机械基础课程设计指导书》图4-3，它的内径与筒体内径相同，釜体椭圆封头的容积由附表4-2 V 封＝0.1983m ，（直边高度取50mm ）。 1.3确定筒体高度 反应釜容积V 按照下封头和筒体两部分之容积之和计算。筒体高度由计算 H1==（2.2-0.198）/0.95=0.949m ，圆整高度1H ＝1000mm 。按圆整后的1H 修正实际容积由式 V=V1m ×H1+V 封=0.95×1.000+0.198=1.1483m 式中 V 封m --3封头容积，； 1V 米――一米高的容积3m /m 1H ――圆整后的高度，m 。 1.4夹套几何尺寸计算 夹套的结构尺寸要根据安装和工艺两方面的要求。夹套的内径2D 可根据内径1D 由
模拟理想搅拌反应釜系统 本文由岩征仪器整理 模拟理想搅拌反应釜系统 连续搅拌釜反应器(CSTRs)也称作理想搅拌反应釜，常用于化学及生物化学行业。这类反应釜可以在稳定状态下运行，具有良好的混合属性，所以我们假定反应釜内的成分是均匀的。使用反应工程接口中的一个新模型，我们能够可视化一个理想反应釜系统内的动力学。 理想搅拌反应釜的应用 反应釜较常用于化工行业，它具有完美混合条件，并支持液位控制。我们假定这类理想搅拌反应釜内能实现完美混合，而且输出成分与反应釜内材料的成分完全相同。在这类系统中，会不断向反应釜中加入反应物，并连续不断地移出反应产物。下图显示了连续搅拌反应釜的不同部件。 连续搅拌釜示意图。
模拟一个级联理想反应釜系统 COMSOL Multiphysics5.0版本提供了理想搅拌反应釜系统模型，其中使用一个新的被称作通用CSTR的反应釜类型，这是反应工程接口中新增的一项功能（点击此处了解本接口的这项新功能及其他更新）。 模型设计用于求解液相的一阶不可逆反应，反应物A产生产物B。反应发生在一个包含两个级联反应釜的理想系统中。下图显示了这些反应釜。第一个反应釜的体积vtank1为1m3，第二个反应釜的体积vtank2初始为 1.5m3。 反应釜系统的详细描述 开始时，两个反应釜中均仅填充了溶剂。含反应物A的溶剂以vf1=1 m3/min的体积流率输入第一个反应釜。第一个反应釜的出口速率设定为vout1 =0.9m3/min。出口流体以vf2=vout1的速度进入第二个反应釜。以vfresh2 =0.5m3/min的速度向第二个反应釜输入新的含反应物A的溶剂。第二个反应釜的出口流速调整为vout2=1m3/min。 模型中包括两个停止条件。如果任何一个反应釜的体积为初始体积的1%或更低，计算就将停止。 下方的第一张图突出显示了每个反应釜中反应物A及产物B的浓度。
1 绪论 1.1 反应釜概况 搅拌设备是一种在一定容积的容器中，借助搅拌器向液相物料中传递必要的能量进行搅拌过程的化学反应设备。反应釜就是其中比较典型的一种，它适用于多种物性（如粘度、密度）和多种操作条件（温度、压力）的反应过程，广泛应用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等行业，是一种用以完成磺化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程，以及有机染料和中间体的许多其它工艺过程的反应设备。 搅拌式反应釜有很大的通用性，由于搅拌可以把多种液体物料相混合，把固体物料溶解在液体中、将几种不互溶的液体制成乳浊液、把固体微粒搅浑在液体中制成悬浮液或在液相中析出结晶等，故搅拌反应釜可以在带有搅拌的许多物理过程中广泛的应用。同时在研究容器的结构方面，如容器形状、搅拌装置、传热部件等，搅拌式反应釜都具有代表性。在大多数设备中，反映釜是作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器，约占反应器总数的90%。其它如染料、医药、农药、油漆等设备的使用亦很广泛。有色冶金部门对全国有色冶金行业中的搅拌设备作了调查及功率测试，结果是许多湿法车间的动力消耗50%以上是用在搅拌作业上。搅拌设备的应用范围之所以这样广泛，还因为搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围广，又能适用于多样化的生产。 搅拌式反应釜在石油化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。例如石油工业中，异种原油的混合调整和精致，汽油添加四乙基铅等添加物而进行混合，使原料液或产品均匀化。化工生产中，制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺燃料和油漆颜料等工艺过程，都装备着各种型式的搅拌设备。因为在石油工业中大量使用催化剂、添加剂，所以对于搅拌设备的需求量比较大。由于物料操作条件的复杂性、多样性、对搅拌
有搅拌装置的夹套反应釜 前言 《化工设备机械基础》化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化下设备的机械知识和设计能力的要求而编写的。通过此课程的学习，是通过学习使同学掌握基本的设计理论并具有设计钢制的、典型的中、低、常压化工容器的设计和必要的机械基础知识。 化工设备机械基础课程设计是《化工设备机械基础》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试化工机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。 化工设备课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的： ⑴熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。 ⑵在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可
行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。 ⑶准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。 ⑷用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。 化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。
夹套搅拌反应器设计(DOCX 30页)
夹套搅拌反应器设计 课程设计说明书设计题目夹套搅拌反应器设计 学生 学号 专业班级 指导老师耿绍辉 化工设备基础 Nefu.20121228
夹套搅拌反应器设计 目录 第一章设计方案简介 1.1反应釜的基本结构 1.2反应釜的机械设计依据 第二章反应釜机械设计的内容和步骤 第三章反应釜釜体的设计 3.1 罐体和夹套计算 3.2厚度的选择 3.3设备支座 3.4手孔 3.5选择接管、管法兰、设备法兰 第四章搅拌转动系统设计 4.1转动系统设计方案 4.2转动设计计算：定出带型、带轮相关计算 4.3选择轴承 4.4选择联轴器 4.5罐体搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的连接结构设计4.6电动机选择 第五章绘制装配图 第六章绘制大V带轮零件图 第七章本设计的评价及心得体会 第八章参考文献
夹套搅拌反应器设计 第一章设计方案简介 搅拌设备在石油、化工、食品等工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产或多或少地应用着搅拌操作，化学工艺过程的种种物理过程与化学过程，往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的，而带搅拌的反应器则以液相物料为特征，有液-液、液-固、液-气等相反应。 搅拌的目的是：1、使互不相溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液、强化传质过程；2、使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应；3、制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或发生液-固化学反应；4、强化传热，防止局部过热或过冷。所以根据搅拌的不同目的，搅拌效果有不同的表示方法。 搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌时比较弱的，所以在工业生产，大多数的搅拌操作均是机械搅拌。本设计实验要求的就是机械搅拌搅拌器设备的设计遵循以下三个过程：1根据搅拌目的和物理性质进行搅拌设备的选型。2在选型的基础进行工艺设计与计算。3进行搅拌设备的机械设计与费用评价。在工艺与计算中最重要的是搅拌功率的计算和传热计算。 1.1反应釜的基本结构
实验一 连续搅拌釜式反应器停留时间分布的测定 一、 实验目的 (1) 加深对停留时间分布概念的理解； (2) 掌握测定液相停留时间分布的方法； (3) 了解停留时间分布曲线的应用。 (4)了解停留时间分布于多釜串联模型的关系，了解模型参数N 的物理意义及计算方法。 (5) 了解物料流速及搅拌转速对停留时间分布的影响。 二、 实验原理 （1）停留时间分布 当物料连续流经反应器时，停留时间及停留时间分布是重要概念。停留时间分布和流动模型密切相关。流动模型分平推流，全混流与非理想流动三种类型。 对于平推流，流体各质点在反应器内的停留时间均相等，对于全混流，流体各质点在反应器内的停留时间是不一的，在0～∞范围内变化。对于非理想流动，流体各质点在反应器内的停留时间分布情况介乎于以上两种理想状态之间，总之，无论流动类型如何，都存在停留时间分布与停留时间分布的定量描述问题。 （2）停留时间分布密度函数E (t ) 停留时间分布密度函数E (t )的定义： 当物料以稳定流速流入设备（但不发生化学变化）时，在时间t =0时，于瞬时间dt 进入设备的N 个流体微元中，具有停留时间为t 到(t +dt )之间的流体微元量dN 占当初流入量N 的分率为E (t )dt ，即 ()=dN E t dt N (1) E (t )定义为停留时间分布密度函数。 由于讨论的前提是稳定流动系统，因此，在不同瞬间同时进入系统的各批N 个流体微元均具有相同的停留时间分布密度，显然，流过系统的全部流体，物料停留时间分布密度为同一个E (t )所确定。根据E (t )定义，它必然具有归一化性质：
()1∞ =? E t dt （2） 不同流动类型的E (t )曲线形状如图1所示。根据E (t )曲线形状，可以定性分析物料在反应器（设备）内停留时间分布。 平推流 全混流 非理想流动 图1 各种流动的E (t )～t 关系曲线图 （3）停留时间分布密度函数E (t )的测定 停留时间分布密度函数E (t )的测定，常用的方法是脉冲法。此法采用的示踪剂，既不与被测流体发生化学反应，又不影响流体流动特性，也就是说，示踪物在反应器（设备）内的停留时间分布与被测流体的停留时间分布相同。所以，当注入一定量Q 的示踪物时，经过t →(t +dt )时间间隔流出的示踪物量占示踪物注入总量Q 的分率就是与示踪物注入同时进入系统的物料中，停留时间为t →(t +dt )的那部分流体物料占总流体的物料的分率， 即： 亦即： ()()??=V C t dt E t dt Q 或 () ()?= V C t E t Q (3) V ——流体体积流量，(ml/s) Q ——加入的示踪物总量，(mg) C (t )——示踪物的出口浓度，(mg/ml)
课程设计说明书 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：
要求与说明 一、学生采用本报告完成课程设计总结。 二、要求文字（一律用计算机）填写，工整、清晰。所附设备安 装用计算机绘图画出。 三、本报告填写完成后，交指导老师批阅，并由学院统一存档。
目录 一、设计任务书 (5) 二、设计方案简介 (6) 1.1罐体几何尺寸计算 (7) 1.1.1确定筒体内径 (7) 1.1.2确定封头尺寸 (8) 1.1.3确定筒体高度 (9) 1.2夹套几何计算 (10) 1.2.1夹套内径 (10) 1.2.2夹套高度计算 (10) 1.2.3传热面积的计算 (10) 1.3夹套反应釜的强度计算 (11) 1.3.1强度计算的原则及依据 (11) 1.3.2按内压对筒体和封头进行强度计算 (12) 1.3.2.1压力计算 (12) 1.3.2.2罐体及夹套厚度计算 (12) 1.3.3按外压对筒体和封头进行稳定性校核 (14) 1.3.4水压试验校核 (16) （二）、搅拌传动系统 (16) 2.1进行传动系统方案设计 (17) 2.2作带传动设计计算 (17) 2.2.1计算设计功率Pc (17) 2.2.2选择V形带型号 (17) 2.2.3选取小带轮及大带轮 (17) 2.2.4验算带速V (18) 2.2.5确定中心距 (18) (18) 2.2.6 验算小带轮包角 1 2.2.7确定带的根数Z (18) 2.2.8确定初拉力Q (19) 2.3搅拌器设计 (19) 2.4搅拌轴的设计及强度校核 (19) 2.5选择轴承 (20) 2.6选择联轴器 (20) 2.7选择轴封型式 (21) （三）、设计机架结构 (21) （四）、凸缘法兰及安装底盖 (22) 4.1凸缘法兰 (22) 4.2安装底盖 (23) （五）、支座形式 (24) 5.1 支座的选型 (24) 5.2支座载荷的校核计算 (26)
搅拌反应釜的釜体设计及夹套设计 概述 夹套式反应釜的釜体是由封头、筒体和夹套三部分组成。封头有椭圆形封头和锥形封头等形式。上、下封头与筒体常为焊接。 釜体材料的选择 根据工艺参数及操作条件（见附录2）确定封头、筒体及夹套的材料。此设计的釜体材料选用0Cr18Ni9与夹套材料选用Q235-B ，热轧钢板，其性能与用途见表2-1。 表2-1 Q235-B 性能与用途 由工艺参数及操作条件和表2-1可知，0Cr18Ni9和Q235—B 材料能够满足任务书中的设计温度、设计压力。在操作条件下，Q235—B 能使设备安全运转，并且不会因腐蚀而对介质产生污染，而且相对与其他钢号价格便宜，所以本设计釜体材料选用0Cr18Ni9与夹套材料采用Q235-B ，热轧钢板。 封头的选择 搅拌反应釜顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头，本设计采用椭圆形标准封头，直边高度mm h 45=ο，其内径取与筒体内径相同的尺寸。 椭圆形封头是由半个椭圆球体和一个圆柱体组成，由于椭圆部分径线曲率平滑连续，封头中的应力分布不均匀。对于2=b a 得标准形封头，封头与直边的连接处 的不连续应力较小，可不予考虑。椭圆形封头的结构特性比较好。 釜体几何尺寸的确定 釜体的几何尺寸是指筒体的内径i D 和高度H 。釜体的几何尺寸首先要满足化工工艺的要求。对于带搅拌器的反应釜来说，容积V 为主要决定参数。 2.4.1 确定筒体的内径
由于搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往需随釜体直径的增加而增大。因此，在同样的容积下筒体的直径太大是不适宜的。对于发酵类物料的反应釜，为使通入的空气能与发酵液充分接触，需要有一定的液位高度，筒体的高度不宜太矮。因此，要选择适宜的长泾比（i D H ）。 根据釜体长径比对搅拌功率、传热的影响以及物料特性对筒体长径比的要求，又由实践经验，针对一般反应釜，液—液相物料，i D H 取值在之间，并且考虑还 要在封头上端布置机座和传动装置，因此，取i D H =。 由<<搅拌设备设计>>可知： i D =3 ) (41i D H V πηο （2-1） 有：操作容积=全容积?= 式中：V ——操作容积，3m ；H ——筒体高度，m ；i D ——筒体内径；1η——装料系数，取值为。 则： i D =33 .28.04 .64???π =m 将i D 值圆整到标准直径，取筒体内径i D =1600mm 。 2.4.2确定筒体的高度 由《搅拌设备设计》可知： )(44 D 1 2 2i h i h V V D V V H -=-=ηππο （2-2） 式中：h V ——下封头所包含的容积，在《材料与零部件》中查得，h V = 。 ） （0.6178 .0.6.4 6.142-?=πH =m 把1H 的值圆整到H =3700mm ，则： 3.21600 3700 == i D H 夹套的结构和尺寸设计 常用的夹套结构形式有以下几种：（1）仅圆筒部分有夹套，用于需加热面积不大的场合；（2）圆筒一部分和下封头包有夹套，是最常用的典型结构；（3）在
实验报告 课程名称：化工专业实验指导老师：黄灵仙成绩：________________ 实验名称：连续搅拌釜反应器中乙酸乙酯的水解反应实验类型：反应工程实验 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析 七、讨论、心得 一、实验目的 1．了解和掌握搅拌釜反应器非理想流动产生的原因； 2．掌握搅拌釜反应器达到全混流状态的判断和操作； 3．了解和掌握某一反应在全混釜中连续操作条件下反应结果的测量方法，以及与间歇反应器内反应结果的差别。 二、实验原理 在稳定条件下，根据全混釜反应器的物料衡算基础，有 A m A A A m A A A A x C C C C C C V F r ττ0000)1()()=-=-= （－（1） 对于乙酸乙脂水解反应： OH H C COO CH H COOC CH OH 52-3K 523-+?→?+ A B C D 当C A0=C B0，且在等分子流量进料时，其反应速度(－r A )可表示如下形式： 2 20A 20 2 A 02)1))/exp()A A A A A x kC C C C RT E k kC r -=-==（（（－（2） 则根据文献（物化实验）的乙酸乙酯动力学方程，由（1），（2）可计算出x A 2 20A m )1A A A x kC x C -=（τ（3） 同时由于C A0∝(L 0-L ∞)，C A ∝(L t -L ∞)，由实验值得： )( 100∞ ---=L L L L x t A （4） 式中： L 0,L ∞—— 分别为反应初始和反应完毕时的电导率 L t —— 空时为m τ时的电导率 根据反应溶液的电导率的大小，由（4）式可以直接得到相应的反应转化率，由（3）式计算得到相同条件下的转化率，两者进行比较可知目前反应器的反应结果偏离全混流反应的理论计算值。 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点：
立式搅拌反应釜工艺设计 1. 推荐的设计程序 1.1 工艺设计 1、做出流程简图； 2、计算反应器体积； 3、确定反应器直径和高度； 4、选择搅拌器型式和规格； 5、按生产任务计算换热量； 6、选定载热体并计算K 值； 7、计算传热面积； 8、计算传热装置的工艺尺寸； 9、计算搅拌轴功率； 1.2 绘制反应釜工艺尺寸图 1.3 编写设计说明书 2. 釜式反应器的工艺设计 2.1 反应釜体积的计算 2.1.1 间歇釜式反应器 V a =V R /φ （2-1） V D =F v (t+t 0) （2-2） 式中 V a —反应器的体积，m 3； V R —反应器的有效体积，m 3。 V D —每天需要处理物料的体积，m 3。 F v —平均每小时需处理的物料体积，m 3/h ； t 0 —非反应时间，h ； t —反应时间，h ； ? =A x R A A A V r dx n t 0 （2-3） 等温等容情况下 ? =A x A A A r dx C t 0 0 （2-4）
对于零级反应 A A x k C t 0 = （2-5） 对一级反应 A x k t -= 11ln 1 （2-6） 对二级反应 2A →P ；A+B →P （C A0=C B0） () A A A x kC x t -= 100 （2-7） 对二级反应 A+B →P ()A B A B x x C C k t ---= 11ln 100 （2-8） φ—装料系数，一般为0.4～0.85，具体数值可按下列情况确定： 不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜 0.8～0.85； 带搅拌的反应釜 0.7～0.8； 易起泡沫和在沸腾下操作的设备 0.4～0.6。 2.2反应器直径和高度的计算 在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/D)，以确定罐体直径和高度。长径比的确定通常采用经验值，即2-1 表2-1 罐体长径比经验表 在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时 ??? ? ??≈ ≈ i i i D H D H D V 32 44 π π （2-9） 选择合适的高径比，将上式计算结果圆整成标准直径。椭圆封头选择标准件，其内径与筒体内径相同。可参照《化工设备机械基础课程设计指导书》的附录查找。通过式（2-10）得出罐体高度。 π 4 2?-= i D V V H 封 （2-10） 其中 V 封——封头容积，m 3
连续式反应釜结构和原理 本文由岩征仪器整理 连续搅拌反应釜的基本结构如图： 反应釜由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。筒体为通常为一圆柱形壳体，可以在罐内装入物料，他提供反应所需的空间，使物料在其内部进行化学反应；传热装置的作用是满足反应所需温度条件；搅拌装置包括搅拌器、搅拌轴等，是实现搅拌的工作部件；传动装置包括电动机、减速器、联轴器及机架等附件，它提供搅拌的动力；轴封装置是保证工作时形成密封条件，阻止介质向外泄漏的部件。 连续搅拌反应釜的基本原理： 在内层放入反应溶媒可做搅拌反应，夹层可通上不同的冷热源（冷冻液，热水或热油）做循环加热或冷却反应。 通过反应釜夹层，注入恒温的（高温或低温）热溶媒体或冷却媒体，对反应釜内的物料进行恒温加热或制冷。同时可根据使用要求在常压或负压条件下进行搅拌反应。 物料在反应釜内进行反应，并能控制反应溶液的蒸发与回流，反应完毕，物料可从釜底的出料口放出，操作极为方便。 连续式反应釜的控制难点 连续搅拌反应釜温度控制的难点主要反应在：
(1)复杂性、时滞性和非线性ls；a)化学反应的生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量的转换和传递，因而是一个十分复杂的工业生产过程；b)所用反应釜容量大、釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象；c)随着反应的进行，各传热媒体的传热系数成非线性变化，并且对各种外界环境的变化比较敏感；加上反应过程增益变化也会很大，甚至增益变化方向都是不一样的；而且，随着反应的进行，釜内固体颗粒增多，釜的传热系数也会随着发生不规则变化。 (2)难控性a)反应过程中，由于化学反应放热过程的复杂性和非线性，各传热媒体的传热系数成非线性变化，并对各种外部干扰的影响较敏感，使得控制有一定的难度；b)反应过程中如果热量移去不及时、不均匀，会使反应温度一直往上升，极易因局部过热而造成“飞温”现象，产生“爆聚”；反之，如果热量移去过多，会造成反应温度一直往下跌，造成反应熄灭。而聚合反应好坏的主要因素就是反应釜温度控制的好坏，温度的变化将直接影响产品的质量和产量，所以此过程的温度控制是重点也是难点；c)反应工艺以及反应设备的约束及外界环境对反应影响的不确定性因素也使得控制的难度增加。 (3)建模难反应过程化学反应机理较为复杂，尤其是聚合反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，加上外界条件如原料纯度、催化剂类型、原料添加数量的变化、热水温度、循环冷却液流量的变化等对系统的影响较大，推导机理模型较为困难；又由于化
立式搅拌反应釜设计 第一节推荐的设计程序 一、工艺设计 1、作出流程简图； 2、计算反应器体积； 3、确定反应器直径和高度； 4、选择搅拌器型式和规格； 5、按生产任务计算换热量； 6、选定载热体并计算K值； 7、计算传热面积及夹套高度； 8、计算搅拌轴功率。 二、机械设计 1、确定反应器的结构型式及尺寸； 2、选择材料； 3、强度计算； 4、选用零部件； 5、绘图； 6、提出技术要求。 三、化工仪表选型 四、编制计算结果汇总表 五、绘制反应釜装配图 六、编写设计说明书 第二节釜式反应器的工艺设计 一、反应釜体积和段数的计算 1、间歇釜式反应器： V=V R/φ（3—1） V R=V O(τ+τ') （3—2）式中V—反应器实际体积，m3； V R—反应器有效体积，m3。
V O —平均每秒钟需处理的物料体积，m 3/s ； τ' —非反应时间，s ； τ —反应时间，s ； ?=Af x R A A V dx n 00,τ （3—3） 等温等容情况下 ()? -=Af x A A A r dx C 0 0,τ （3—4） 对一级反应 Af x k -= 11 ln 1τ 对二级反应 ()Af A A x xC x -= 10,0 ,τ φ—装料系数，一般为0.4～0.85，具体数值可按下列情况确定： 不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜 0.8～0.85； 带搅拌的反应釜 0.7～0.8； 易起泡沫和在沸腾下操作的设备 0.4～0.6。 2、连续釜式反应器 (1)单段连续釜式反应器： ()φφA A A R r x F V V -= =0, （3—5）其中 F A,O —每秒钟所处理的物料摩尔数，kmol/s 。 对于一级反应：（-γA ）=kC A =kC A,O （1-A x ） 则有效反应体积： () () 20,00,0,1A A A A A A A R KC C C V x kC x F V -= -= 其中 V O —每秒所处理的物料体积，m 3/s 对于二级反应：（-γA ）= ()2 20,21A A A x kC kC -=，代入式（3-5）中 则有效反应体积为：V R =()()2 0,020,01A A A A A A kC C C V x kC x V -=- 其中 A x —转化率，其它符号同前。 (2)多级连续釜式反应器 V= φ ∑=n i i R V 1 ,， 而 V R,i = () ()i A i A i A r C C V ---,1,0 （3—6）
课程设计 资料袋 机械工程学院（系、部） 2012 ~ 2013 学年第二学期 课程名称指导教师职称 学生专业班级班级学号题目酸洗反应釜设计 成绩起止日期 2013 年 6 月 24 日～ 2013 年 6 月 30 日 目录清单 . . .
过程设备设计 设计说明书 酸洗反应釜的设计 起止日期： 2013 年 6 月 24 日至 2013 年 6 月 30 日 学生 班级 学号 成绩 指导教师(签字) 机械工程学院（部） 2013年6月26日
课程设计任务书 2012—2013学年第二学期 机械工程学院（系、部）专业班级 课程名称：过程设备设计 设计题目：酸洗反应釜设计 完成期限：自 2013 年 6 月 24 日至 2013 年 6 月 30 日共 1 周 指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日 目录
第一章绪论 (4) 1.1 设计任务 (2) 1.2 设计目的 (2) 第二章反应釜设计 (2) 第一节罐体几何尺寸计算 (2) 2.1.1 确定筒体径 (2) 2.1.2 确定封头尺寸 (2) 2.1.3 确定筒体高度 (2) 2.1.4 夹套的几何尺寸计算 (3) 2.1.5 夹套反应釜的强度计算 (4) 2.1.5.1 强度计算的原则及依据 (4) 2.1.5.2 筒及夹套的受力分析 (4) 2.1.5.3 计算反应釜厚度 (5) 第二节反应釜釜体及夹套的压力试验 (6) 2.2.1 釜体的水压试验 (6) 2.2.1.1 水压试验压力的确定 (6) 2.2.1.2 水压试验的强度校核 (6) 2.2.1.3 压力表的量程、水温及水中Cl-的浓度 (6) 2.2.2 夹套的水压试验 (6) 2.2.2.1 水压试验压力的确定 (6) 2.2.2.2 水压试验的强度校核 (6) 2.2.2.3 压力表的量程、水温及水中Cl-的浓度 (6) 第三节反应釜的搅拌装置 (1) 2.3.1 桨式搅拌器的选取和安装 (1) 2.3.2 搅拌轴设计 (1) 2.3.2.1 搅拌轴的支承条件 (1) 2.3.2.2 功率 (1) 2.3.2.3 搅拌轴强度校核 (2) 2.3.2.4 搅拌抽临界转速校核计算 (2) 2.3.3 联轴器的型式及尺寸的设计 (2) 第四节反应釜的传动装置与轴封装置 (1) 2.4.1 常用电机及其连接尺寸 (1) 2.4.2 减速器的选型 (2) 2.4.2.1 减速器的选型 (2) 2.4.2.2 减速机的外形安装尺寸 (2) 2.4.3 机架的设计 (3) 2.4.4 反应釜的轴封装置设计 (3) 第五节反应釜其他附件 (1) 2.5.1 支座 (1) 2.5.2 手孔和人孔 (2) 2.5.3 设备接口 (3) 2.5.3.1 接管与管法兰 (3) 2.5.3.2 补强圈 (3) 2.5.3.3 液体出料管和过夹套的物料进出口 (4) 2.5.3.4 固体物料进口的设计 (4) 第六节焊缝结构的设计 (7) 2.6.1 釜体上的主要焊缝结构 (7) 2.6.2 夹套上的焊缝结构的设计 (8) 第三章后言............................................................. 错误!未定义书签。 3.1 结束语 ......................................................... 错误!未定义书签。 3.2 参考文献....................................................... 错误!未定义书签。
过程控制系统课程课题：反应釜温度控制系统 系另I」：电气与控制工程学院 专业：自动化_____________ 姓名： ________ 彭俊峰_____________ 学号：__________________ 指导教师： _______ 李晓辉_____________ 河南城建学院 2016年6月15日
反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。 由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方式，选用FX2N-PLC 调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。
1系统工艺过程及被控对象特性选取 被控对象的工艺过程 本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）为过程系统被控对象。 反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm,釜底到上端盖法兰高度1376mm, 反应器总容积，耐压。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过。反应器压力报警上限组态值为。反应器的工艺流程如图1-1所示。 S8Q A a珑厲娜口 图1-1釜式反应器工艺流程图 该装置主要参数如表1-1所示。各个阀门的设备参数如表1-2所示，其中，D g为阀门公称直径、K v为国际标准流通能力。 表1-1主要测控参数表
吉林化工学院毕业设计说明书 连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真Controller Design and Simulation for CSTR 学生学号：11510210 学生姓名：严新宇 专业班级：自动1102 指导教师：王野 职称：工程师 起止日期：2015.03.09～2015.06.26 吉林化工学院 Jilin Institute of Chemical Technology
吉林化工学院信控学院毕业设计说明书 摘要 连续搅拌反应釜（CSTR）是发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中应用最广泛的一种化学反应器，其控制质量直接影响到生产的效益和质量指标。对连续搅拌反应釜通过控制内部的工艺参数，如温度、压力、浓度等稳定，保证反应的正常运行。本文针对连续搅拌反应釜的数学模型，应用泰勒展开得到了线性状态空间表达式，在此基础上设计了LQR控制器，仿真结果表明，控制效果令人满意。 本设计将CSTR的非线性动态模型进行了输入输出线性化，得到CSTR线性状态空间模型。设计出连续搅拌反应釜的极点配置控制器并对系统进行仿真。设计出连续搅拌反应釜的LQR控制器并对其系统进行仿真。并对两种控制方法的控制效果进行了比较。 关键词：连续反应搅拌釜；LQR控制器；MATLAB仿真 I
连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真 Abstract Continuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial production process as a chemical reactor, control the quality directly affect the production efficiency and quality index. For continuous stirred tank reactor by controlling the process parameters, such as temperature, pressure, concentration and so on, ensure the normal operation of the reaction. In this paper, based on a continuous stirred reactor mathematical model, the application of Taylor expansion is obtained for the linear state space representation, on this basis, design the LQR controller. Simulation results show that the control effect is satisfactory. In this paper, the nonlinear dynamic model of CSTR is linearized, and the CSTR linear state space model is obtained. The pole assignment controller for continuous stirred tank reactor was designed and the simulation of the system was carried out. The LQR controller of the continuous stirred tank reactor is designed and the system is simulated. The control effect of the two control methods is compared. Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation II
<<化工容器>>课程设计 —搅拌反应釜设计 姓名: 余景超 学号: 2010115189 专业: 过程装备与控制工程 学院: 化工学院 指导老师: 淡勇老师 2013年 6 月18 日
目录一设计内容概述 1. 1 设计要求 1. 2 设计参数 1. 3 设计步骤 二罐体和夹套的结构设计 2. 1 几何尺寸 2. 2 厚度计算 2. 3 最小壁厚 2. 4 应力校核 三传动部分的部件选取 3.1 搅拌器的设计 3.2 电机选取 3.3 减速器选取 3.4 传动轴设计 3.5 支撑与密封设计 四标准零部件的选取 4.1 手孔 4.2 视镜
4.3 法兰 4.4 接管五参考文献
一设计内容概述 （一）设计内容：设计一台夹套传热式配料罐 设计参数及要求 容器内夹套内 工作压力，MPa 0.18 0.25 设计压力，MPa 0.2 0.3 工作温度，℃100 130 设计温度，℃120 150 介质染料及有 机溶剂 冷却水或蒸汽 全容积, 3 m 1.0 操作容积, 3 m0.80 传热面积, 2 m 3 腐蚀情况微弱推荐材料Q235--A 接管表 符号公称尺 寸DN 连接面形 式 用途 A 25 蒸汽入口 B 25 加料口 C 80 视镜 D 65 温度计管口 E 25 压缩空气入口 F 40 放料口 G 25 冷凝水出口 H 100 手孔
（二）设计要求： 压力容器的基本要求是安全性和经济性的统一。安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下，尽可能做到经济。经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。 搅拌容器常被称为搅拌釜，当作反应器用时，称为搅拌釜式反应器，简称反应釜。反应釜广泛应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、农药、化肥等行业。反应釜由搅拌器、搅拌装置、传动装置、轴封装置及支座、人孔、工艺接管等附件组成。 压力容器的设计，包括设计图样，技术条件，强度计算书，必要时还要包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。强度计算书的内容至少应包括：设计条件，所用规范和标准、材料、腐蚀裕度、计算厚度、名义厚度、计算应力等。设计图样包括总图和零部件图。 设计条件，应根据设计任务提供的原始数据和工艺要求进行设计，即首先满足工艺设计条件。设计条件常用设计条件图表示，主要包括简图，设计要求，接管表等内容。简图示意性地画出了容器的主体，主要内件的形状，部分结构尺寸，接管位置，支座形式及其它需要表达的内容。 （二）设计参数和技术性能指标 （三）设计步骤： 1.进行罐体和夹套设计计算； 2.搅拌器设计； 3.传动系统设计； 4.选择轴封； 5.选择支座形式并计算； 6.手孔校核计算； 7.选择接管，管法兰，设备法兰。
搅拌釜式反应器课程设计任务书 一、设计内容安排 1. 釜式反应器的结构设计 包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份 5. 绘制装配图一张（电子版） 二、设计条件 三、设计要求 1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。 四、设计说明书的内容 1.符号说明 2.前言 （1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择 （1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图 （1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图； （2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及 环向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。 5.标准化零、部件选择及补强计算： （1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN, 法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。 6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。 【设计要求】： 1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚； 3.所有标准件均要写明标记或代号； 4.设计计算书目录要有序号、内容、页码； 5.设计计算书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更； 6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。
乳化液泵站设计?专业：机械工程及自动化 导师：姜虹学生： 斯郎旺加
一.课题研究背景及意义?1.课题研究背景 ?乳化液泵站的技术是随着煤矿机械化的发展而迅速发展起来的。 ?早在70年代初，随着我国TZ-1型全工作面液压支架的研制成功，我国自行设计?公称压力为10MPa，公称流量为10OL/min的RB100/100行乳化液泵同时研制成功，从此我国煤矿生产有了第一套液压支架和第一套乳化液泵站。之后，不同型号的乳化液泵站，喷雾泵站，注水泵站又陆续被研制出来，并得到了推广和应用。 ?我国乳化If泵站从低压10 Mpa，小流量100L/min起步，压力逐步提高到20 Mpa，31.5 Mpa，和35Mpa，流量分别提高到110L/min，125 L/min,现已提高到200 L/min，甚至更大的流量。
定流量的乳化液泵站技术的发展带动了自动变量乳化液泵的研究，也提出了分级卸载式乳化液泵站。 乳化液泵站产品的发展，带动了喷雾泵站和注水泵站的发展，掘进机用喷雾泵的研制也取得了进展。 为了提高乳化液泵及泵站元件、喷雾泵站及元件、注水泵及元件的产品质量，推进乳化液泵站的技术水平提高，相关部门起草了一系列的标准、规范档，为乳化液泵站试验装置的研制和使用提供了科学的技术依据。
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