（化学工艺专业论文）反应器网络综合超结构优化方法的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 反应器网络综合超结构优化方法的研究 摘要 反应器网络综合问题是过程综合的关键性子课题，指的是在已知动力学条件和 进料条件下，寻求适宜的反应器类型、尺寸、反应单元之间的相互关系、流程结构 和关键参数等，以使特定的目标函数为最优。其深入研究对反应过程开发和优化设 计具有重要意义。反应器网络综合还影响着过程系统的环境效应，因为环境污染问 题往往与反应过程密切相关。一般情况下，反应器网络模型都是复杂的非线性规划 问题，表现为高度非线性微分代数混合模型，传统的优化方法很难求得其全局最优 解。近年来很多研究者对超结构和目标法两种数学优化方法进行了研究。超结构方 法提出一个初始超结构，然后从中找出一个最优的子系统。该方法的优点在于优化 计算中可以直接添加约束和改变优化目标函数，同时得到最优的目标函数值和反应 器网络。但初始超结构往往过于复杂。本文以简化超结构模型为目的，研究基于反 应器网络超结构的优化方法，具体研究内容如下： ( 1 ) 阐述了全混流反应器( c o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t o 卜_ c s t r ) 对平推流 反应器( p l u gf l o wr e a c t o 卜- p f r ) 等常用类型反应器的替代性原理，以c s t r 反应 器为基本反应器类型，建立基于c s t r 的反应器网络超结构。将复杂的含有微分代 数方程的非线性规划问题简化为简单的仅含代数方程的反应器网络超结构模型。 ( 2 ) 对基于c s t r 的反应器网络超结构模型，本文提出了求解该问题的双层优 化方法。该算法通过将反应器网络综合非线性规划问题分解为物流流量和反应器体 积空间的线性优化和浓度空间的非线性优化问题，降低了所求解问题的规模和难 度，同时利用粒子群算法和列队竞争算法相结合的全局优化算法进行浓度空间的搜 索，提高了求得全局最优解的概率。实例研究结果表明，优化结果与文献结果相一 致，且有的优于文献结果，所以基于c s t r 的反应器网络模型和双层优化算法是有 效的。 ( 3 ) 一般情况下，基于c s t r 的反应器网络超结构模型规模较大，而传统的 反应器网络模型都是含有高度非线性的微分代数模型方程。本文采用离散化微分 方程的策略来简化超结构模型，该策略采用有限元正交配置( o r t h o g o r m lc o l l o c a t i o n o nf i n i t ee l e m e n t ) 法将模型中的微分方程进行离散化，得到一系列非线性代数方程 反应器嘲络综合超结构优化方法的研究 组，将这些方程组与其它约束条件一起作为反应器网络超结构的数学模型，运用 g a m s 数学软件进行优化计算。实例研究表明，优化结果与文献结果相一致或优于 文献结果，离散化方法求解含有微分代数方程模型的反应器网络综合问题是有效 的。 关键词：反应器网络综合超结构双层优化离散化有限元正交配置 i i 童墅型垫盔堂婴塞生兰壁丝兰 一一 s t u d i e so no p t i m l z a t l o nm e t h e d so f r e a c t o rn e t w o r ks y n t h e sisb a s e d o ns u p e r s t r u c t u r e s a b s t r a o t t h er e a c t o rn e t w o r ks y n t h e s i sp r o b l e mw h i c ha st h ek e ys u b - p r o b l e mo fp r o c e s s s y n t h e s i sc a nb es i m p l ys t a t e da s ：g i v e nas y s t e mo fr e a c t i o n sw i t hk n o w nr e a c t i o n k i n e t i c sa n dk n o w nf e e d ，w h a ti st h eo p t i m u mr e a c t o rt y p ea n da r r a n g e m e n to ft h e r e a c t o r st h a tw o u l do p t i m i z eas p e c i a lo b j e c t i v ef u n c t i o n ? t h er e a c t o rn e t w o r ks y n t h e s i s p r o b l e mi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fp r o c e s ss y s t e m ，a n da l s o h a sg r e a te f f e c tt ot h ee n v i r o m n e n tb e c a u s em o s tp o l l u t i o ns o l f e e sa r er e s u l t e df r o m r e a c t i o np r o c e s s d u et ot h ec o m p l e xn o n - l i n e a rp r o g r a mw h i c hi n v o l v i n gb o t hh i 曲 n o n l i n e a rd i f f e r e n t i a la n da l g e b r a i ce q u a t i o nm o d e l s ，i ti sd i f f i c u l tt og a i ng l o b a lo p t i m a l s o l u t i o nu s i n gt h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o na p p r o a c h e s t w os i g n i f i c a n tm a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n gs t r a t e g i e st h a tm a n ys c h o l a r sh a v es t u d i e da r es u p e r s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n a n dt a r g e t i n g i nt h es u p e r s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o naf i x e dn e t w o r ko fr e a c t o r si sp o s t u l a t e d a n da no p t i m a ls u b n e t w o r kw h i c hm a x i m i z e dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xi sd e r i v e d 1 1 1 e a d v a n t a g eo fs u p e r s t r u c t u r ei st h a tc o n s t r a i n sc a nd i r e c t l yb ea d d e da n dt h eo p t i m i z a t i o n o b j e c t i v ef u n c t i o n sb ec h a n g e d ，i nt h em e a n w h i l e ，t h eo p t i m a lv a l u eo f t h eo b j e c t i v ea n d t h er e a c t o rn e t w o r kb eo b t a i n e d g e n e r a l l yt h es c a l eo ft h es u p e r s t r u c t u r ei sv e r yl a r g e f o rt h ep u r p o s eo fs i m p l i f y i n gt h es u p e r s t r u c t u r em o d e l s ，t h i sp a p e rw i l ls t u d yt h e o p t i m a la p p r o a c h e so f t h er e a c t o rn e t w o r ks t a r t i n gw i t ht h es u p e r s t r u c t u r e n ee m b o d i e d c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i l l 反应器嗍络综合超结构优化方法的研究 ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h er e p r e s e n t a t i o np r i n c i p l eo fo t h e r k i n d so f r e a c t o r ss u c ha sp l u g f l o wr e a c t o r ( p f r ) b yc o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t o r ( c s t r ) ，ar e a c t o rn e t w o r k s u p e r s t r u c t u r eb a s e do nc s t ri sp r e s e n t e d ，w h i c hr e d u c et h ec o m p l e xn o n l i n e a r p r o g r a m m i n gp r o b l e mt h a ti n v o l v i n gt h ed i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n si n t ot h e a l g e b r a i ce q u a t i o n sm o d e l ( 2 ) a t w o l e v e lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mw h i c hi su s e dt os o l v et h er e a c t o rn e t w o r k s u p e r s t r u c t u r eb a s e do nc s t ri sp r o p o s e d b yt h i sa l g o r i t h m ，t h en l p o ft h er e a c t o r n e t w o r ks y n t h e s i si sd i v i d e di n t ot h el i n e a rp r o g r a m m i n gi nf l o wr a t ea n dr e a c t o rv o l u m e s p a c e ，a n dt h es t o c h a s t i co p t i m i z a t i o np r o b l e mi nc o n c e n t r a t i o ns p a c e a sar e s u l t ，t h e a l g o r i t h mr e d u c e st h es c a l e sa n dd i f f i c u l t i e so ft h ep r o b l e m i nt h em e a n w h i l e ，b y a p p l y i n gt h eg l o b a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt ot h ec o n c e n t r a t i o ns p a c eo p t i m i z a t i o n ，t h e p r o b a b i l i t yo fo b t a i n i n gt h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o ni si m p r o v e d t h ec o m p u t a t i o n a lc a s e s t u d i e si n d i c a t et h a tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa l ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t si nl i t e r a t u r e s a n dt h es u p e r s t r u c t u r eo ft h er e a c t o rn e t w o r kb a s e do nc s t ra sw e l la st h et w ol e v e l o p t i m i z a t i o na l g o r i f l l mi sf e a s i b l e ( 3 ) b e c a u s eo ft h ev e r yl a r g es c a l eo ft h er e a c t o rn e t w o r ks u p e r s t r u c t u r ea n dt h e h i g hn o n l i n e a rd i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n si nt h et r a d i t i o n a lr e a c t o rn e t w o r k ，s ot h e o r t h o g o n a lc o l l o c a t i o no nf i n i t ee l e m e n t ( o c f e ) m e t h o di sa p p l i e dt ot r a n s f e rt h em i x e d d i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n si n t oa l g e b r a i ce q u a t i o n s ，w h i c ht o g e t h e rw i t ho t h e r c o n s t r a i n t st ob eo p t i m i z e du s i n gg a m s ，t h er e s u l t so b t a i n e da r ec o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l t sp r o p o s e di nt h el i t e r a t u r e t h ed i s c r e t em e 也o dw h i c hi su s e dt os o l v et 1 1 er e a c t o r n e t w o r ks y n t h e s i si n v o l v i n gd i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n si sv a l i d k e yw o r d s ：r e a c t o rn e t w o r ks y n t h e s i s ，s u p e r s t r u c t u r e ，t w o 1 e v e lo p t i m i z a t i o n d i s c r e t i z a t i o n ，o r t h o g o n a lc o l l o c a t i o no nf i n i t ee l e m e n t 青岛科技大学研究生学位论文 a b 、c 、d 、e c c s t r p f r m n r x q t k k n e z u g ，c 符号说明 关键反应组分 反应产物 组分浓度，m o l l 全混流反应器 平推流反应器 p f r 个数，纲量 c s t r 个数，纲量 反应速率，s 。 转化率 体积流率，l s 反应时间，s 反应速率常数，1 s 配置点个数，纲量 有限元个数，纲量 状态变量矢量 控制变量矢量 设计约束矢量 反应器网络综台超结构优化方i 击的研究 口 口 瓦。 蹦 q p m c k 下标 p p m p m c k c c k f 0 o u 吒 j ，码。k 上标 l u j 2 时间轴上有限元节点位 置，s 有限元单元段长度，s 最大反应时间长度上限，s 第j 个s c s t r 的体积，l 平均停留时间 第m 个p f r 到第k 个c s t r 的流率，l s p f r 反应器 第m 个p f r 第m 个p f r 到第k 个c s t r c s t r 反应器 第k 个c s t r 反应器 出口 初始值 出口 配置点下标 变量下限 变量上限 逼近p f r 的s c s t r 的个数 青岛科技大学研究生学位论文 前言 反应器网络综合是对反应器网络整体设计与优化，通过优化计算找出使设计目 标最优的网络。化工生产中，反应器是整个过程中最有影响的单元装置，反应器的 不同类型及其连接方式，反应器内部的结构、混合方式、进料的安排、物料的循环 以及对反应热效应的处理是影响反应器性能的关键，而这些都是反应器网络的综合 优化问题。所以，研究反应器网络综合为反应器工艺技术提供了理论依据；鉴于我 国化工污染问题的严重性，反应器网络综合又是化学工业可持续发展的迫切需要。 相对而言。反应器网络综合的研究还很不充分。五十年代以前很少有人针对反 应器网络优化提出系统的方法；在五十年代到六十年代，人们对反应器网络综合的 研究仅局限在单一反应器上：六十年代末七十年代初，部分学者开始研究反应器的 最优组合，以求改善整个反应系统的性能，但一直没有取得明显的进展；在八十年 代之前，人们对反应器网络综合的研究主要集中在有固定结构的反应器的优化上； 八十年代之后，有关反应器网络综合的论文才多了起来，并且提出一些策略和方法。 目前在反应器网络综合研究中，在不同开发阶段分别采用了多种过程集成方 法，主要包括直观经验方法和数学规划方法( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga p p r o a c h ) 。 经验和规则的方法是通过对反应体系反应计量学、动力学等的分析，确定在设计目 标( 如转化率、产率等) 下的最适宜的反应器类型及连接形式。但当问题的规模增 加，特别是在强调经济性和环境性的复杂综合目标时，经验方法往往不能有效解决 最优反应器系统设计问题，所以研究重点逐渐转向数学优化方法的开发，超结构法 就是其中之一。一般，反应器网络综合问题本身非常复杂，用于描述该问题的超结 构规模会很大，而且对于复杂的反应系统的描述除了代数方程还需要微分方程。所 以本文将从简化反应器网络超结构模型着手，从两个不同的方面对超结构进行优化 计算。 一、建立基于c s t r 的反应器网络超结构，得到仅含代数方程的数学模型，根 据作者提出的双层优化算法对该反应器网络超结构进行优化求解，通过实例来验证 该方法的有效性。 二、对含微分代数方程模型的反应器网络结构，直接采用离散化策略，运用 反应器网络综合超结构优化方法的研究 离散化方法中的o c p e 法将微分方程进行离散化，得到一系列代数方程，并把这些 代数方程组与其它约束条件一起作为数学模型，运用g a m s 数学软件进行优化计算， 最后得到最优的反应器网络和目标函数值。 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 过程综合 第一章文献综述 在哲学中，为了构成较为完整的观点或体系，将各部分或各种因素结合在一起， 叫做综合。过程系统综合是过程系统工程学科的核心内容，指的是：按照规定的系 统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最 优组合。在设计新建工厂时，系统综合可用于从众多的可行方案中选择最优流程。 与过程系统综合相对应的概念是过程系统分析，指的是：对系统结构及其各个子系 统均已给定的现有系统进行分析，即建立各子系统的数学模型，按照给定的系统结 构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄 弱环节并给以改进。用于过程系统分析的应用软件，称为化工模拟系统，它也是过 程系统综合的重要辅助手段。系统综合以系统分析为基础的同时在综合过程中又可 对系统分析提出新的要求。 过程系统综合是一个极为复杂的多目标最优组合问题，长期以来主要靠工程师 的经验。6 0 年代后期，美国学者r u d d 1 1 首先提出了有关系统综合的理论和方法， 近几十年来有关的研究工作发展很快，研究的主要课题如下： 反应路径的综合 换热器网络的综合 分离序列的综合 反应器网络的综合 全流程的综合 公用工程系统的综合 过程系统能量集成 在搜索最优反应路径的策略方面，由于问题的复杂性，采用经验规则较多，理 论研究尚不成熟。这一研究领域是至关重要的，因为反应路径对最终工艺过程的经 济技术性能带来深刻影响，一个低效率反应路径的缺陷是无法用流程结构优化来弥 补的。美国麻省理工学院与英国帝国化学公司合作开发系统地生成可行化学反应路 径的方法，以及以生物化学反应路径的知识库为基础的专家系统。我国目前尚未开 展这方面的研究工作。换热器网络综合在学术上已取得重大突破，部分研究成果在 反应器刚络综合超结构优化方法的研究 工业上获得应用，并产生了巨大的经济效益。 过程综合( p r o c e s ss y n t h e s i s ) 是化工过程系统工程学科的核心内容，是过程设计 中的创造性步骤。过程综合概念的示意表达见图1 1 ，指的是：系统的输出是指定 的( 希望的) ，系统的输入是给定的或是可允许选择的一个范围，要求设计者确定该 未知的过程系统，并达到规定目标函数的最优：当组成该系统的单元特性以及它们 的规格和相互间的联接结构确定之后，则该系统就完全规定了。与过程综合相对照， 过程分析( p r o c e s sa n a l y s i s ) 是指：给定系统的输入和系统特性，计算该系统的输出。 系统的输入或输出包括物料流和信息流，见图i 2 。由上可见，一个最优的过程系 统的综合包括两种决策：是由相互作用的单元之间的拓扑和特性而规定的各种结 构替换方案的选择；二对组成该系统的各操作单元的替换方案的设计。从教学上讲， 第一种决策是一个整数规划问题，第二种决策是一个非线性规划问题，即过程综合 是一个高维混合整数规划问题，而且是一个多目标优化问题，如系统的经济性指标、 操作性、可控性、安全性和可靠性等。 给定或可 选择的输 奠待综合的过程 ? ： 啊 一 指定的 输入 图卜1 过程系统综合的示意表达 f i g 1 - lt h ee x p r e s s i o no f p r o c e s ss y s t e ms y n t h e s i s 给定的过程 图1 - 2 过程系统分析的示意表达 f i g 1 - 2t h ee x p r e s so f p r o c e s ss y s t e ma n a l y s i s 待求的 输出 过程系统综合存在两种基本情况，一是以一初始的系统结构为出发点，不断改 进i 另一是没有初始的系统结构，要确定系统的结构和工艺参数。通常，可归纳成 4 种基本的综合方法4 1 。 ( 1 ) 分解法( d e c o m p o s i t i o nm e t h o d ) ：其实质是把整个大系统分解成若干容易处 理的子系统来解决，对每个子系统，在现有技术水平上可以进行最优化设计，然 青岛科技大学研究生学位论文 后组合( 协调) 起来，使整个系统最优。这一方法需要解决如何确定系统的断裂部位 和整体协调的问题。 ( 2 ) 直观推断法( h e u r i s t i cm e t h o d ) ；有经验的过程设计师可凭经验把一些显然 不合理的组合方案排除出去，以克服设计问题维数过高的困难( 即缩小搜索区间) 。 根据人们广泛的工程实践经验和对过程深刻理解的基础上，总结出的经验规则称作 直观推断规则。采用这些规则可以比较简单地综合出一个或几个合理的流程方案， 但不能保证方案的最优性。 ( 3 ) 调优法( e v o l u t i o n a r ym e t h o d ) ，这一方法首先采用其它方法如直观推断法， 构造一个初始的过程系统，然后应用一些调优策略逐步改进初始方案。调优法的基 本思想是寻找一些子任务，这些子任务在修正后可以改善系统的性能。该方法尤其 适用于现有过程系统的改进，一般情况都可获得明显效果。 ( 4 ) 结构参数法( s t r u c t u r a lp a r a m e t e ra p p r o a c h ) ；基本思想是把所有可能选用的 系统嵌入组成一个大的完整流程( 称超级结构) ，然后采用非线性规划法对该系统进 行整体优化计算，包括设备选择、配置及操作条件等。这一方法常与直观性推断法 相结合以提高计算效率。 上述过程系统综合的基本方法都在不断地发展和改进，往往几种方法结合起来 会更有效地用于过程综合的不同阶段。 1 2 反应器网络综合 1 2 1 反应器网络综合的研究进展 反应器网络综合是过程综合的关键性子课题，指的是：已知进料条件和动力学 条件，寻求适宜的反应器类型、流程结构和关键设计参数，以使特定的目标函数最 优。为了从生产的源头控制污染和预防污染，实现环境友好的全流程综合，必须尽 快解决反应器网络综合这一瓶颈问题。 由于该课题的复杂性，国外有关报道相对很少，国内则刚刚起步，还处于探索 阶段。在五十年代到六十年代，人们对反应器网络综合的研究仅局限在单一反应器 上。l e v e n s p e l 5 】第一个系统研究了化学反应器的优化结构，他提出了以全混釜和管 式反应器的最优产率和选择性为目标的层次化规则。h o r n 和t s a i l 6 】利用优化原理中 的相邻变量来研究全部混合、部分混合的效果。d y s o n f l j h o r n 7 j 研究了在只有一个放 热可逆反应发生的反应器中的进料的最优分布，目的是在给定进口转化率、物料流 率、反应器体积和催化剂量的情况下来选择反应器的进出口和分配物流。 反应器网络综合超结构优化方法的研究 六十年代末七十年代初，部分学者开始研究反应器的最优组合，以求改善整个 反应系统的性能。d y s o n h o r n 8 1 在己知反应动力学并且反应是绝热可逆反应的条件 下，对反应器为预热进料，中间用旁路冷物流直接冷却的n 一级管式反应器的催化剂 用量最少为目标函数，进行了反应器的优化。a r i s 【9 】利用动态规划来决定多级串联 釜式反应器最佳操作条件和平推流反应器的最优温度序列以及有固定结构的多段反 应器系统的最优旁路和冷却流数目。c h i t r a 和g o v i n d t 1 0 , 1 1 按不同的反应机理把反 应系统分成不同的类别。根据机理，他们利用层次结构规则或利用直接搜索序列来 寻求c s t r 串联的反应器网络的最大产率。并提出了反应器一分离器再循环系统。 到了八十年代中期，计算机技术的进步和计算方法的发展，为反应器网络综台 问题提供了有利的工具，有关反应器网络综合的论文也多了起来。g l a s s e r e l i2 】等研 究了用几何方法在等温反应系统中来决定可得区，因为这个可得区包括了所有的反 应器组合类型，一旦知道这个区域，优化问题就简单多了。 p a y n t e r 和h a s k i n 旧】提出了反应器网络的轴向扩散模型( a d r ) ，在这个模型中 反应器网络包括一个有不同扩散系数的p f r ，并且最优问题可公式化为一个非线性问 题的最优控制问题。w a g h m a r e 和l 1 m 1 4 1 探讨了等温反应器最优结构，并注意到最优进 料策略对c s t r 和p f r 结构有空间二元性。既然最优进料策略对间歇反应器有二元性， 故他们推测可用c s t r 和f p r 的组合来代替间歇反应器。c o n t i 和p e t e r s o n u s j 研究了 v a n dd e rv u s s e 反应并推断应是选择性而不是产率更能描述反应器网络性能，因为 它能使费用最低。 a c h e n i e 和b i e g l e r l l5 j 把更新的j a c k s o n 模型用于a d r s 而i p f r 。他们假设一个恒 定浓度的系统和一个逐段的恒定扩散系数。以这个模型为基础，合成问题就可以公 式化为最优控制的非线性规划问题。解此问题包括连续解一个序列非线性两点边值 常微分方程和二次线性规划问题。如果反应混合的浓度是恒定的，反应器类型由循 环比来决定。它从0 ( p f r ) 到o o ( c s t r ) ，由这个综合问题的数学公式可以导出一最 优控制问题，并且通过解一个常微分方程组( o d e s ) 和一个二次规划问题便可解此问 题。从另一方面来看，a c h e i n e 和b i e g l e 又导出目标策略技术，用它来求目标函数的 上限值。用一个以等温均相反应为基础的同时不包括所有的混合状态的优化的n g 和 r i p p i n 模型，他们把此综合问题公式化为有决定变量的宏观和微观的混合系数。虽 然关于这个最优混合类型可能得到，但是这个方法不能明确的提供最优反应器网络 的结构。 在八十年代之前，人们对反应器网络综合的研究主要集中在有固定结构的反应 器的优化上：八十年代之后，有关反应器网络综合的论文才多了起来，并且提出一 些策略和方法。 人工智能方法在反应器网络综合中的应用刚刚起步。j a c o b s 和l a n s w e i j 一1 6 , 1 7 】 青岛科技大学研究生学位论文 在反应器网络综合的经验方法基础上开发出了一种基于知识的五阶段方法 ( f i v e s t e pk n o w l e d g e b a s e dm e t h o d ) ，用于转化率和选择性目标下的网络优化。 j a c o b s ，j a n s w e i j e r 和w n h i l8 j 开发出了专家系统k b s ( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) 用于选择适合的反应器类型和连接。主要针对工业实际操作可行的反应器类型，按 反应器中气、液、固相的不同情况分为七大类反应器。同时提出三类指标，根据三 类指标下的各类反应器的情况，对化工企业和公司采用问卷调查的方式进行问询和 资料的收集，然后建立专家系统。 非均相体系的反应器网络的研究也正在开展中1 9 0 0 1 ，但是由于涉及到的反应 器类型较多模型较复杂，开发出的方法还不成熟。 现有的反应器网络综合方法从最初的根据反应器理论开发的直观经验方法转 变到逐渐复杂化、精确化的图形优化方法和数学规划方法：设计目标从反应器的转 化率、产品收率、选择性等慢慢发展到包括更为复杂的考虑废物最小、经济效益最 佳的反应器性能，甚至包括反应器体系的结构可控制性、稳定型等方面的研究。另 外虽然一般认为对均相体系的研究结论可以类似地外推到非均相系统，但是目前的 研究仍然以均相体系为主导。反应器网络综合仍然以方法研究为重点。 1 2 2 反应器羁络综合优化方法的研究进展 目前反应器网络综合的研究还不成熟，传统的反应器设计，一是依靠经验，二 是经过实验室反复实验和模拟进行的，但这样所得到的结果远达不到最优。因此， 开发有效的综合方法已成为当务之急。2 0 世纪8 0 年代以来，许多学者从过程系统 工程方面开展了反应器网络综合的研究，研究重点转向数学优化方法的开发，取得 了很大的进展。 ( 1 ) 超结构优化法 超结构方法提出一个初始超结构然后从中找出一个最优的子系统。方法的优点 在于优化计算中可以直接添加约束和改变优化目标函数，可以同时得到最优的目标 函数值和反应器网络。是过程综合的一类重要方法，它将过程综合问题看成是混合 整数非线性规划的最优化问题。和一般的过程优化不同，超结构允许流程单元的有 无，单元之间物料的有无作为变量，这样，可能的流程方案就是不同的单元和物流 之间所有可能组合的集合，即超结构。该方法不受维数的限制，同时又能够兼顾各 种优化策略。 k o k o s s i s f l o u d a s 2 l 】提出了等温条件下复杂反应体系的反应器网络优化的系 统方法。一个反应器可以用全混流反应器( c s t r ) 和近似予平推流反应器( p f r ) 的多个全混流反应器( c s t r s ) 来表示。把所有可能的相互连接的反应器结构嵌入 一个超结构中，并集成了不同类型的循环反应器，使之能包括不同的进料、循环和 9 反应器网络综合超结构优化方法的研究 旁路情况。k o k o s s i s f l o u d a s 还提出了非等温反应过程的超结构，在此基础上构 造数学模型，以解决反应器网络综合问题。非等温模型随反应器温度控制的方式、 直接或间接加热和冷却的不同选择而变化。这个方法适用于任何均相的吸热和放热 的复杂反应系统的综合问题。从混合整数非线性规划得到的结果可以得出最优温度 控制、最优温度分布、进料、循环和旁路策略以及最佳反应器单元( c s t r ，p f r ) 的类型和尺寸。 h c h e n i e b i e g l e r t m l 假设了一种反应器网络结构，并把轴向扩散系数作为确 定反应器类型的依据，在作了某些假设的情况下得到了非线性规划模型。 d u r a n g r o s s m a n n f 2 2 】采用基于超结构的数学规划法，处理带有化学反应的工 艺流程并同时考虑热集成。 k o k o s s i s & f l o u d a s t 2 3 1 针对的等温反应过程提出了一种反应器分离器再循环系 统的超结构综合方法。该方法包括了对不同反应器类型和分离任务的选择，同时考 虑了反应器与分离器之间所有可能的相互连接，问题归结为混合整数非线性规划模 型求解。其限制性的假设是固定了操作条件( 如压力、温度等) ，而且没有考虑能 量的集成。 c h i t r a & g o v i n d 驯提出了一个带循环的p f r 串联结构形成的反应器网络。对 复杂问题，给定n 个反应器，通过优化多级循环比以及转化率，使目的产物的收率 最大。 b a l a k r i s s h n a & b i e g l e r ( 2 5 l 提出了反应器网络的通用模型，反应器允许微分侧流 进料、出料，反应器入口物流允许换热。他们研究了六类不同的问题，各自有合适 的算法。 l u y b e n f l o u d a s 2 6 1 提出了一个系统的方法，用来分析过程综合阶段设计与控 制的交互作用。他们在一个多目标混合整数非线性规划问题中，把定态操作的经济 性与开环可控性协调起来，用这种方法研究了等温反应过程的反应器分离器再循 环系统。 b i k i c & g l a v i c 2 7 】研究了等温和非等温条件下的多股多组分进料的反应器网络 综合问题以及反应分离系统的多股多组分进料问题。他们将问题分解为二步进行。 第一步用多股进科反应器的超结构把所有可能的反应物流的浓度分布和产率概括 进去，第二步用目标函数( 包括费用和所要求的产物浓度分布) 进行优化，从而把 最优的反应器类型和结构从多个候选方案中抽取出来。 超结构法的本质是将多目标的综合问题表达成数学模型而加以求解。但其问题 之一是如何确定合适的超结构空间。空间太大难于求解，空间太小则可能得不到真 正的最优网络。另一个问题是开发合适的优化算法。对复杂反应过程的描述，除了 代数方程还需要微分方程，开发合适的数学规划算法难度很大。故由于建模和算法 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 上的双重困难，目前该方法还只是用于一些较简单系统的求解。 ( 2 ) 可得区法 可得区概念是h o r n 2 8 1 首先提出来的。即在一个稳定流动的反应器系统中，对于 给定的动力学和进料条件，仅仅依据反应和混合原理，可寻找到由任意反应器类型， 任意流程结构所达到的反应器系统出口的所有可能的条件。可得区概念可以用于反 应器网络的综合，一旦找到了可得区，就可以找到进料点和可得区内任意一点的一条 路径，这条路径是反应和混合的组合。这种组合可能比较简单，也可能相当复杂，实 际上，这种组合体现了反应器的结构。综合这些可能的组合方式，可得到最优反应 器结构。可得区法是反应器网络综合的一种非常有用的工具，既严格又灵巧地解决了 一些反应器网络的综合问题。该方法的主要优点是不要预想超结构，也不必使用匮乏 的定性知识。主要缺点是受维数的限制。 g l a s s e r l l 2 】等应用可得区法对简单动力学以及允许部分原料预热的可逆放热反 应进行研究，找出使目标函数最大的最优反应器结构，并对前人的相关研究结果进 行了总结，形成了一个统一的理论。 h o p l c y 【2 9 】等运用可得区法对带有复杂动力学的可逆放热反应的反应器结构优 化问题进行了研究，研究结果展示了动力学的复杂性如何影响最优反应器网络的性 质，并证明为满足可得区边界上的相切条件，d s r ( 微分侧流反应器) 侧流的反应 速率必须与此点上d s r 内部的反应速率相等。 赵文 3 0 1 等可得区法的思想用于研究反应器系统废料最少的问题，基于反应和混 合的基本原理，将废料最少的目标分解为选择性、相对选择性和瞬时选择性等多个 目标，分别以不同的目标函数直接对反应和混合形成的凸区域( 不一定满足可得区 的必要条件) 进行优化，提出了选择性最大曲线的概念及其构造方法，并利用选择 性最大曲线和最优工艺条件曲线的反应与混合处理的光滑连接的性质，将二维和三 维空间的可得区进行分区研究，通过分析不同区域及其连接边界的特性，提出了可 得区分区策略。按照这种分区策略，可以拟定同时考虑分离回收物流影响的反应器 网络流程结构，同时避免了几何法构造可得区的困难。 h i l d e b r a n d t & g l a s s e r d h 应用可得区法对带有外部冷却的反应过程进行了研究。 n i c o l l 3 2 1 等对宜接冷却和间接冷却的可逆放热反应器系统进行了研究。对直接冷却 ( 冷激) 来讲，在高温处进行操作有利于反应；对间接冷却来讲，在低温处实施此 项操作有利于反应。直接冷却分两步进行，首先对热的反应物料，加入经过预热的 原料进行冷却，随后加入冷的原料液冷却反应混合物。b i k i c 和g l a v i c t 3 3 1 描述改善 产品分布的微分侧流反应器轨线与可得区相结合，探讨了多股、多组分进料情况下， 等温及非等温过程的解空间拓展问题。s u n d 和l i e n t 3 嘲基于可得区概念研究了低密 反应器网络综合超结构优化方法的研究 度聚乙烯反应器的混合方式和进料分布的同时优化问题。o m t v e i t l 3 5 1 等通过应用原 子守恒原理，在克服可得区维数限制方面做出了一定贡献。f e i n g b e r ga n d h i l d e b r a n d t m l 正在进行高维可得区的探索工作，可望在理论和应用上有所突破。 总体来说，可得区的概念是反应器网络综合中非常重要的概念。根据可得区的 定义构造出的可得区具有一些特性，即在可得区的边界上的某些极值，往往正是设 计目标的最优处。 ( 3 ) 目标策略法 净目标法 a c h e n i e 和b i e g l e r l 3 7 1 用两室混合模型来表示反应器网络，用两室间的停留时间 分布函数( r t d ) 和微观混合函数来模拟混合态。通过解一个最优化问题来寻找反应 系统的目标，即以反应系统的目标为目标函数，以r t d 和微观混合函数为决策变 量，限制条件是质量平衡方程式及对决策变量的限制。当最优r t d 确定后，再确 定最优反应器网络。这种方法分别用最大混合反应器和分离反应器表示微观混合的 极端情况，但这两种类型的反应器却在可得区内部。由可得区理论可知：最优反应 器网络是由可得区边界上的反应器组成，因此该方法所得的结果不见得最优。另外， 该方法的解是最优值和微观混合函数值，由这些数值还不能直接得到反应器类型及 结构的详细情况。 构造目标法 为了克服目标法上述缺点，b a l a k r i s h n a 和b i e g l e f 3 8 】把目标法和可得区的一些性 质结合起来提出了构造目标法。该方法的基本思想是在一串迭代过程中产生可行 域，扩展可行域有两个方法，即以递归的方式扩展可行域和以两混合室为基础在优 化的每阶段加上一个反应室。它的解以r t d 的形式给出。这一扩展可行域的过 程就是寻找反应系统目标的过程。该方法能自动发现改善反应器的目标函数，求解 过程总在凸区域内进行，不局限于维数或其他附加限制条件的限制，并且数学模型 简洁，易于求解；该方法也能够很容易地扩展到反应、能量和分离等多个系统的综 合优化过程中去。但是如果目标函数是一个非单调函数，就会得到局部最优解， 这是因为某一反应器虽然不能改善目标函数，但却可能使可行域扩大。 构造i d l n l p 法 鉴于构造目标法的上述缺点，l a k s h m a l l a n 【3 9 j 等人把构造目标法和超结构法结合 起来，提出一种新的反应器网络综合优化方法，利用可得区的一些性质以保证所构 造的超结构拥有最优的网络结构。 在构造目标时，通过反应器模块在每一步考虑多个反应器路径。一个反应器模 块( r e a c t o rm o d e l ) 由一个d s r 和一个c s t r 组成。模块中反应路径的存在与否由二 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 元变量来确定。优化时，反应器模块连续的添加到前一个模块上，其超结构是通过 解一系列不断改进的m i n l p 问题以逐步构造的方式形成。若添