[发明专利]恒压反应容器的稳压调压设计

说明书

技术领域

本发明涉及一种恒压反应容器的稳压设计，主要涉及通过蓄能器控制在物理、化学、生物领域中一些物理过程、化学反应和生物过程等所导致的容器中压力的大幅度波动，以及要求在反应器的工作过程中需要准确稳定地改变反应器的压力设计。

本发明得到国家自然科学基金委（NSFC）重大科研仪器研制项目41227801和中国科学院科研装备研制项目“深海模拟器Abyssource研制”的资助。

背景技术

随着科学技术的进步和工业生产的发展，压力容器在石油、化工、轻工、医药、环保、食品、生物工程及国防等工业领域得到广泛应用，且数量日益增大，压力容器压力的恒定控制和准确稳定地调节的要求也越来越高。在反应釜中，由于液体及固液体系的不可压缩性，一些化学反应形成新的物质如产生沉淀所引起的体积变化就会造成密闭反应釜压力的急剧变化；包括容器的环境温度等的波动也会引起反应釜的压力波动（李宏飞等，2005；傅献彩，2005；Ding K. et.al. 2005）。同时，有些理化过程中也需要控制平衡平稳准确地调节反应釜的压力，以保证与压力有关的理化反应的进行（王玉甲等，2013；李浩然等，2016）。无疑，恒定的压力及其压力稳定控制和准确稳定地调节就是压力容器系统中的重要因素。

目前大多数恒压反应容器通过过程控制实现压力容器的稳压设计，建立系统传递函数，结合数学工具进行分析和控制，通过压力反馈自适应调节变量，智能控制压力恒定（Jeffrey R. Thumm et al.,2001; 李世伦等. 2007；董贤信等，2014）。但这种系统控制都是建立在机械模型最优化的基础上，在物理层面最大化的消除压力大幅度波动的影响，再通过过程控制精确控制压力恒定（Thomas et. al.,1991）。这种控制方式结构复杂，控制响应远远慢于压力传递的速度（液体的压力传递速度接近于音速），而大部分智能控制系统的时间响应远远慢于压力变化及其传递，从而使得过程控制过程中依然出现巨大的压力波动，最近也出现了通过串接或并接一个蓄能器作为压力波动缓冲的新设计方案（李怀明等,2009；王玉甲等2013；李浩然等，2016）。但是这种方法依然存在明显的缺陷，一方面由于蓄能器（以气囊式和弹簧式为例，重力活塞式不适合作为高压环境的蓄能器）存在压力缓冲限度，压力变动过大，蓄能器的缓冲能力越差，当蓄能器气囊压力与设定压力差距较大时，如0.5倍以上，蓄能器就几乎没有压力缓冲能力，而压力实验中数倍的压力变化调节是常常需要的，因此，简单的串接或并接蓄能器对压力的稳定和控制调节的能力还是非常有限的。也就是说蓄能器的原始设定压力与反应釜实际所需压力越接近，恒压稳压效果越好，在实际反应过程中压力与蓄能器原有设定压力差距越大，其恒压缓冲能力就越差。另一方面，环境温度的变化也会造成蓄能器压力的变化，从而反而会造成系统，包括反应釜压力的变化，而一般情况下很少会对系统中的的蓄能器进行恒温调节。

尽管大幅度扩大蓄能器体积可以增加压力缓冲能力，但由于蓄能器一般体积较小，这带来蓄能器缓冲范围小，实验或反应过程中压力的压力波动难以得到缓冲和平衡。虽然蓄能器体积越大压力缓冲会越大，但会造成反应釜反应物大量进入蓄能器造成实际参与反应的反应物的条件控制缺失等等。那么，如何在机械模型上对压力容器系统进行优化，解决压力的大幅度波动是蓄能器压力缓冲的一个难题。本发明涉及通过在反应釜旁串联或并联的一个蓄能器气相接口处连接一个恒温气罐，并可以调节其压力的气压压力的控制系统，来保持系统内的压力的恒定和正确平稳地根据需要调节反应釜内的压力。当反应釜中的物理过程、化学过程引起釜内压力高于或低于设定值时，串联的蓄能器就会吸收高出来的压力或释放压力以稳定反应釜的压力波动，始终保持容器内压力稳定。当压力波动超过蓄能器蓄能缓冲能力的时候（如较大幅度的压力改变），可以通过调节蓄能器后级的气罐压力提供更大的缓冲能力，以保证反应釜或反应器工作对压力的需要。

蓄能器气囊或气相部分的气压可以通过调整与其连接的恒温气罐的压力来控制，同时也可以来间接且准确地控制和调整反应釜内的液相-固相压力，以满足有些需要在不同时间和阶段需要不同压力的要求。

参考文献：

Ding K, Seyfried W E, Zhang Z, et al. The in situ pH of hydrothermal fluids at mid-ocean ridges. Earth and Planetary Science Letter, 2005, 237: 167-134