1、8 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)2000年第21卷第1期全混流釜式反應(yīng)器控制策略和最優(yōu)操作方案王國軍熊潔羽常州技術(shù)師范學(xué)院化學(xué)工程系 常州213001全混流釜式反應(yīng)器是廣泛用于化工、制藥生產(chǎn)的流動反應(yīng) 器。對于此類反應(yīng)器中所進(jìn)行的反應(yīng)過 程開發(fā)，其主要問題是確定優(yōu)選的操作方案這將取決于開發(fā)方法和控制策略。通常采用逐級經(jīng)驗放大法進(jìn)行反應(yīng)過程的開發(fā)， 由于逐級經(jīng)驗放大法放大 效應(yīng)欠佳(放大過程中反應(yīng)結(jié)果與小試指標(biāo)之間出 現(xiàn)未 曾預(yù)期的差異，或雖可預(yù)期但卻無從控制的差 異,且開發(fā)周期長，耗資大。本文采用 數(shù)學(xué)模型方法，以不同控制策略對全混流釜式反應(yīng)器的最優(yōu)操 作方案進(jìn)行了研究。2未反應(yīng)物不回收循環(huán)的單級全混流

2、釜式反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)率摘要本文采用數(shù)學(xué)模型方法TQ053. 202文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1006 -7906 (200001 -0008 -04以不同控制策略提出了全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行不同類型反應(yīng)的最優(yōu)操作方案，可用于指導(dǎo)反應(yīng)過程的開發(fā)設(shè)計。關(guān)鍵詞化學(xué)反應(yīng)器全混流控制策略最優(yōu)化中圖分類號1引言正確選擇最終反應(yīng)率是單級全混流釜式 反應(yīng)器開發(fā)設(shè)計的一個十分重要的環(huán)節(jié)，可以操作費(fèi)用為 控制目標(biāo)確定其最優(yōu)反應(yīng) 率。此系權(quán)衡在較大的反 應(yīng)器中(高設(shè)備費(fèi)用實現(xiàn)較高反應(yīng)率(低反應(yīng)物成本，與在較小的反應(yīng)器中(低設(shè)備費(fèi)用的低反應(yīng)率(高反應(yīng)物成本的問題。2. 1簡單反應(yīng)在單級全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行簡單反應(yīng) A+

3、B TR, rA= kv CA n ,則反應(yīng)器小時 操作總費(fèi)用為1 : $ t= V R $ m+ FA0 $ A = kv Cn FR-xA n $-m+ xFAR $ A (1 A0(1【作者簡介】王國軍 教授。現(xiàn)從事高校教學(xué)、業(yè)催化。【收稿日期】(1956-男(滿族，黑龍江省哈爾濱人。1982年大學(xué)畢業(yè)，副 科研和化工設(shè)計工作，主要研究方向為化工過程開發(fā)和工1999-10-21據(jù)此得到反應(yīng)器小時操作總費(fèi)用最低的條件為：kv Cn n -xA n+1$ m = 1A2 $ A (2 A0 (1 x由此條件即可求取最優(yōu)反應(yīng)率，進(jìn)而確定反應(yīng) 器最優(yōu)操作方案：進(jìn)料速率：FA0 = FR/ xAo

4、pt反應(yīng)器尺寸：V R= kv CnFA0 xAopt A0 (1 -xAopt 單位產(chǎn)品成本：$ t/ FR= V R $ m F+ RFA0 $ A 對于其它類型的簡單反應(yīng)，可據(jù)此法確定其相應(yīng)的最優(yōu)操作方案。2. 2競爭反應(yīng)在單級全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行競爭反應(yīng) 1 Q, rQ= k1 CAA,反應(yīng)器小時操作總費(fèi)用為： 2 S, rs= k2 CA $ t= V R $ m+ FA0 $ A FQ( k1 +k2FQ = k1 CAO (1 + xA $ m+ k1 xA $ A (3 據(jù)此得到最優(yōu)反應(yīng)率：(k1 +k2CA0 $ A-( k1 +k2CA0 $ A $ m x Ao pt

5、= ( k1 +k2CA0 $ A- $ m (4 反應(yīng)器最優(yōu)操作 方案為：k1+ k2 進(jìn)料速率：FA0 = k1 xAopt FQ -FAO xAopt 反應(yīng)器尺寸：V R= ( k1 +k2CA0 (1 -xAo pt王國軍等全混流釜式反應(yīng)器控制策略和V R $ m F+ Q FA0 $ A 2. 3 連串反應(yīng) 2. 3. 1 應(yīng)率1單級全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行連串反應(yīng)最優(yōu)操作方案9 目的產(chǎn)物Q的收率：丫 QA = k1 k+ 1 k2 x Aopt產(chǎn)品成本：$ t/ FQ=作費(fèi)用為：+ (5 k2( ( k1 xA-xA +1 FQ xA(1 -xA以反應(yīng)器操作費(fèi)用為目標(biāo)的最優(yōu)反 AQ

6、S(Q為目的產(chǎn)物，反應(yīng)器小時操$ A xA-xA +1 FQ kv Cnn (1 -x-xA 2n $ =A n-1 m12 $ r (10據(jù)此得到反應(yīng)器小時操作總費(fèi)用最低的條件：k2 k1$ CmA0 -11 -x A +2 k1 1-2 xA k2 -+ 1 (1 -xA (6= $ A x A2 k1 反應(yīng)器最優(yōu)操作方案：k2 xAopt + (1-x Aopt 進(jìn)料速率：FAO = k1 xAopt (1 -xAopt FQ FA0 xAopt 反應(yīng)器尺寸：V R= k1 CAO (1 -xAopt 目的產(chǎn)物 Q 的收率：xAopt (1 -xAopt Y QA = k2 xAopt

7、+ (1-xAopt k1 產(chǎn)品成本：$ t/ FQ= V R $ m F+ Q FAO $ A 2. 3. 2 以 目的產(chǎn)物收率為目標(biāo)的最優(yōu)反應(yīng)率 12單級全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行 AQ S連串一據(jù)此級反應(yīng)，其目的產(chǎn)物Q的收率為2 : xA(1 -xA 丫 QA = (7 k2 x A+ (1-xA k1得到收率最大的最優(yōu)反應(yīng)率為：k2/k1 -1 x Ao pt = (8 k2/k1 -1 3 未反應(yīng)物回收循環(huán) 的單級全混流釜式反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)率這是一個權(quán)衡低設(shè)備費(fèi)用與高循環(huán)費(fèi)用及高設(shè) 備費(fèi)用與低循環(huán)費(fèi)用的問題。若在單級全混流釜式$ t= kk11 CAO (1 -xA2 $ m AO (1

8、 x A k2由此條件即可求取最優(yōu)反應(yīng)率，進(jìn)而確定得反 應(yīng)器最優(yōu)操作方案為：反應(yīng)器中進(jìn)行簡單反應(yīng)A TR, rA= kv CA n ,反應(yīng)器系統(tǒng)小時操作總費(fèi) 用為1 :$ t= V R $ m+ FAO $ A+ FA i(1 -xA $ r = kv Cn FR xA n $ m+ FR$ AAO (1+ 1- xA xA FR $ r (9 據(jù)此得到反應(yīng)器系統(tǒng)小時操作費(fèi)用最低的條件：進(jìn)料速率：FA i = FR/ xAopt循環(huán)物料速率：FA i (1 -xAopt = FR xAopt -FR 反應(yīng) 器尺寸：V R = FR kv Cn - Ao (1 xAoptn 產(chǎn)品成本：$ t/

9、FR= V R $ m+ FR$ A+ FA i(1 -xAopt $ r FR對于復(fù)合反應(yīng)可作類似分析。圖1未反應(yīng)物回收循環(huán)的單級全混流釜式反應(yīng)器系統(tǒng)4多級串聯(lián)全混流釜式反應(yīng)器的最優(yōu)中間反應(yīng)率4. 1兩個不同尺寸全混流釜式反應(yīng)器串聯(lián)的最優(yōu)中間反應(yīng)率 串聯(lián)示意見圖2。這是一個在給定最終反應(yīng)率條件下兩個不同尺 寸的全混 流釜式反應(yīng)器串聯(lián)的最小尺寸問題，即確定最優(yōu)中間反應(yīng)率，使反應(yīng)器總尺寸為最 小3。由圖2可知，當(dāng)矩形KL MN面積較大時所需的反應(yīng) 器尺寸較小，矩形面積 最大應(yīng)滿足的條件為：11 1 d r1 r2 r1 = （11 d x A1 xA1 -x AO 10 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)2000年第21卷第1期圖2不同大小的兩個全混釜串聯(lián) 這一條件表明，當(dāng)M點(diǎn)處動力學(xué)曲線的切線 斜率與矩形的對角線NL的斜率 相等時，反應(yīng)器總尺寸最小，據(jù)此即可確定其最優(yōu)中間反應(yīng)率和反應(yīng) E2時,競爭反應(yīng)的瞬時選性及連串反應(yīng)目的產(chǎn)物 Q的收率隨溫度的升高而增加，故應(yīng)選擇較高的操作溫度，以提高目的產(chǎn)物Q的瞬時選擇性、收率和 反應(yīng)器