（化学工程专业论文）基于目标的反应器网络综合分区策略及其应用.pdf

毒岛科技式学研冠生掌位论文 一 基于目标的反应器网络综合分区 策略及其应用 摘要 反应器网络综合是化工过程综合的重要方面，其深入研究对反应过程开发 和优化设计具有重要意义。它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。它既是可持续发展战略的需要，还是实现化工全 流程过程综合的瓶颈问题。已有许多学者做了大量的研究工作，并取得了一定 的进展。但由于问题本身的复杂性，在理论上和应用上仍需要进一步的深入探 讨。本文综述了反应器网络综合的研究进展，并在这一领域深入开展了工作。 本文以反应器网络为主要研究对象，针对定态、恒容的各类反应过程，分析了 反应过程的瞬时目标函数特性，并利用基于各目标函数的反应空间的分区策略 对碳酸二甲酯和1 3 一氨基丙酸的制备过程进行了研究，获得了适宜的反应器结 构。 对简单反应，在反应速率和关键组分未转化率( r x ) 空间，反应速率曲 线的形状与反应器类型无关。因此，只要作出反应速率一未转化率曲线，就可 以利用曲线的变化规律确定反应器类型和结构；利用反应速率极值曲线和反应 速率平衡曲线可简捷、方便的确定任意组成进料条件下的最适宜的反应器网络 流程结构。 对复杂反应，反应系统的瞬时目标函数为瞬时选择性或瞬时相对选择性。 对多个典型复杂反应体系的瞬时目标函数曲线的研究表明：全混流反应器 ( c s t r ) 和平推流反应器( p f r ) 的瞬时选择性和关键组分未转化率( s - - x ) 曲线不论重合与否，其变化规律是相同的，因此，仅作出c s t r 或p f r 的s x 曲线，就可以利用曲线的变化规律确定反应器类型和结构；当进料组成为任意 组成进料时，可利用选择性最大曲线和单程收率最大曲线，将s x 空间分成 三种区域：即c s t r 区、p f r 区和非操作区。利用不同区域及其连接边界的特 性，可同样方便的确定复杂反应的适宜的反应器网络流程结构。 利用瞬时目标函数在反应空间的特性，以碳酸二甲酯和1 3 氨基丙酸的合 薹耋塑堡墼蓬壅叁墅垫堑篓逢鎏型墅墼銎基壁望：= = = = = 一一一 成为侧，探讨了分区策略在实际生产中的废爆。碳酸二甲酯的含成反应为可遂 放热反应，根据反应类型分类可知，其目标函数为瞬时威应速率。对不同温度 控潮下的渡反应黪r x 夔线麴磅突袭鹎，反应速率睫泰转化率夔减小呈递减 趋势，根据r x 空间的分区策略可知，该反应邋宜的流程结构为单个p f r ； 碳簸二甲簇戆台成反痰为多缝分逶辩，因魏，本文氇对藤精翡遂辩魄遴行了讨 论，其最优的i 挠料比( 甲醇碳酸丙烯酯) 为 1 一- - - 6 8 。 一氮基丙酸豹合成反藏为平行连串可逆反应，其西标函数为瞬时选择性 或孵时相对选择性。以c s t r 为模型反应嚣，考察了耳撂函数隧未转化率的变 化趋势。根据s x 空间的分区策略，获得了不同温度控制条件下的该反应的 适宝反应器漉麟结构必擎令p f r 。 关链词：碳酸二串醅( d m c )8 一氨基丙酸分区策酶反应器网络 h p a r t i t i o ns t r a t e g yo fr e a c t o rn e t w o r k s y n t e s i sb a s e d0 n0 b j e c t i v ef u n c t i o n a n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h es y n t h e s i so fr e a c t o rn e t w o r k s i sa l l i m p o r t a n t f i e l di nc h e m i c a l e n g i n e e r i n gp r o c e s s i t i 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 n o p t i m i z a t i o no fr e a c t i o np r o c e s ss y s t e ma n dh a sg r e a ti m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t e f f e c to ft h et o t a lp r o c e s ss y s t e mb e c a u s em o s tp o l l u t i o ns o u r c e sr e s u l tf r o m r e a c t i o np r o c e s s i ti sn o to n l yn e e d e df o rt h ec o n t i n u o u sp r o g r e s ss t r a t e g y , b u ta l s o i st h ek e yt a s ko ft h eo v e r a l lp r o c e s ss y n t h e s i s s of a r , m u c hr e s e a r c hi nt h i sa r e a h a sb e e nd o n ea n ds o m ev a l u a b l ep r o g r e s sh a sb e e nm a d et os o m ee x t e n t h o w e v e r d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o b l e m ，m u c hw o r ks t i l ln e e dt ob ed o n ei nt h e o r e t i c a n da p p l i c a t i o n b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so fi n s t a n t a n e o u so b j e c t i v ef u n c t i o n s a m o n gr e a c t i o np r o c e s s ，t h i sp a p e rr e p r e s e n t san e ws t r a t e g ym e t h o df o rs y n t h e s i s a n d o p t i m i z a t i o n o fr e a c t i o nn e t w o r k sf o rt h ev a r i o u sc h e m i c a lr e a c t i o n s c o n s t r a i n e du n d e rc o n d i t i o n so fs t e a d ys t a t ea n dc o n s t a n tv o l u m e a l s o ，t h e r e a c t i o np r o c e s so fd i m e t h y lc a r b o n a t ea n d1 3 - a m o n i p r o p i o n i ca c i da r eb e e ns t u d i e d u s i n gt h ep a r t i t i o ns t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o no fr e a c t i o nt y p e ，t ot h es i m p l er e a c t i o n ，t h e o b j e c t i v ef u n c t i o ni si n s t a n t a n e o u sr e a c t i o nr a t e b yt h ed e f i n i t i o no fr e a c t i o nr a t e ， t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i o nr a t ec u r v eh a sn or e l a t i o nt ot h er e a c t o rt y p e t h e o p t i m a lr e a c t o rt y p ea n d s t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e db yt h ec h a n g et e n d e n c yo fr a t e a l o n gw i t hu n r e a c t e dr e a c t a n tr a t i o u n d e rt h ec o n d i t i o no fm u l t i c o m p o n e n tf e e d ， 1 i i 一 篓至旦堑塑星堡逊旦堑堡垒坌蹩墼坚垦苎窒曼 t h eo p t i m a lr e a c t o rs t r u c t u r ec a l lb ed e t e r m i n e db yt h ee x t r e m er a t ec u r v ea n dt h e b a l a n c ec u r v e 饿i i et ot h ec o m p l e xr e a c t i o nw h o s eo b j e c t i v ef u n c t i o ni si n s t a n t a n e o u s s e l e c t i v i t yo ri n s t a n t a n e o u sr e l a t i v es e l e c t i v i t y t h es t u d yo fm a i l ) , t y p i c a lr e a c t i o n s y s t e m ss h o w st h a tt h ec u r v e so fc o n t i n u o u s - s t i r r e d t a n kr e a c t o r ( c s t r ) a n d p l u g - f l o wr e a c t o r ( p f r ) d o n ta l w a y so v e r l a p ，b u th a v ea l li d e n t i c a lc h a n g et r e n d s o ，o n l yb ym e a n so f t h ei n s t a n t a n e o u so b j e c t i v ef u n c t i o nc u r v eo fc s t r o rp f t h eo p t i m u mr e a c t o rt y p ea n ds t r u c t u r ec a l lb ef i x e do n 。 t a k et h es y n t h e s i so fd i m e t h y l c a r b o n a t e ( d m c ) a n db a m o n i p r o p i o n i ca c i d f o re x a m p l e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no fp a r t i t i o ns t r a t e g yi nr e a c t i o n s p a c e 。钠er e a c t i o np r o c e s s 。f d 麓ci sr e v e r s i b l ee x o t h e r m i cr e a c t i o nb e l o n g i n gt o t h ef i r s tg r o u po fr e a c t i o nt y p e ，s oi t so b j e c t i v ef u n c t i o ni si n s t a n t a n e o u sr a t e t h e s t u d yo f r - xc u r v eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gp a t t e ms h o w st h a tt h e r a t ed e c r e a s e sa l o n gw i 彘t h ep r o c e e d i n go fr e a c t i o n 。s ot h eo p t i m a lr e a c t o rs t y l ei s as i n g l ep f rb y | l ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n s t a n t a n e o u sr a t e 。 t h er e a c t i o n s t y l e o f p r e p a r i n g1 3 - a m o n i p r o p i o n i c a c i di s p a r a l l e l c o n s e c u t i v ea n dr e v e r s i b l er e a c t i o n b e c a u s eo ft h ee x i s t i n go fb y p r o d u c t ，t h e o b j e c t i v ef u n c t i o nc a nb ei n s t a n t a n e o u ss e l e c t i v i t yo ri n s t a n t a n e o u s r e l a t i v e s e l e c t i v 舫，c o n s i d e r i n gt h ee 舛ra sm o d e lr e a c t o r , t h es e l e c t i v i t yc u l w ew a s s t u d i e da n dt h ea p p r o 蛳a t er e a c t o rt y p e ，s i n g l ep f 如w a sf i x e do nb yt h ep a r t i t i o n s t r a t e g yo f s - xs p a c e k e yw o r d s ：d i m e t h y lc a r b o n a t eb a m o n i p m p i o n i ca c i da t t a i n a b l er e g i o n p a r t i t i o ns t r a t e g y r e a c t o rn e t w o r k ：重墅些塾茎墼型鲎垡些兰= = = = = = = = = = ， 符号说明 4 b c 。 e ， 只，q f ， k ， ， r r g ， p ，s s r s r 丁 瓦 乙 z y z v o 关键反应物 瞬时日标函数或反应物 组分的浓度 反应的活化能 物料体积流量 反应速率常数 反应速率常数指前因子 目的产物 气体常数 反应速率 副产物 瞬时选择性 总选择性 温度 原料的预热温度 系统的绝热温升 关键反应物无因次浓度 目的产物的无因次浓度 副产物的无因次浓度 物料体积流率 搿 c s t r p f r d s r 2 反应器俸穰 停留时间或空时 迸料循环比 全漏渡反或嚣 平推流反应器 镞分镤| | 滚爱痘器 青岛科技大学研究生学位论文 月q舌 化学工业是国民经济的基础工业之一。通过化学反应工艺，合成和生产了 数以万计的化工产品，对于解决人们的吃、穿、用、住、行等起到了很重要的 作用。但是，由于地球上的资源过度地开发利用，大量地被消耗掉，引起了环 境的污染、生态的破坏，致使人类的生存繁衍受到了严重的威胁。因此人们既 要为了开创美好生活而发展化学工业，而又不能让它的生产过程和它的产品破 坏生态环境。防止污染保护生态环境是面向2 1 世纪社会和经济可持续发展的 重大课题。就化学工业而言，可持续发展的含义主要是指清洁生产和资源的综 合利用。清洁生产的本质是合理利用资源，减少甚至消除废料的产生，而从源 头上使废料最小化的过程是最经济的。因此，如何实现生产过程的最优化，最 大限度的减少污染并提高生产效率，是化工企业面临的严重挑战，也是化工领 域的研究人员恧临的重大课题。从化工系统工程的任务和角度来说，这一重大 课题的核心就是化工过程系统综合。 化工过程综合是针对特定的原料和目的产品，选择过程单元，构造连接单 元，确定操作参数的一种系统化方法，是过程设计中最富有创造性的工作。其 目的在于将长期以来靠设计师的经验来进行的化工过程设计上升到理论，在一 定的理论和方法指导下，实现化工过程的最优设计。目前，某些子系统的研究， 如换热器网络综合、分离序列综合和公用工程系统综合等在学术上已取得了重 大突破，部分研究成果已在工业上获得应用，产生了显著的经济效益。但反应 路径综合、反应器网络综合及全流程系统综合起步较晚，无论从深度还是广度 上看，研究工作远不够完善。 反应器网络综合是过程综合的关键性子课题，指的是：已知动力学和进料 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。在5 0 6 0 年代，人们对反应器的最优化研究仅仅局限在单一反应器上。 6 0 年代末和7 0 年代初，部分学者开始研究反应器的最优组合，以改善整个反 应器系统的性能，但一直没有取得明显的进展。到了8 0 年代中期，有关反应 器网络综合的论文才开始多起来，并且取得了可喜的进展。 对于反应器网络综合的研究方法，最初主要是针对简单的动力学提出一系 列经验和直观的规则。当问题的规模增大时，经验方法不能有效地解决反应器 系统设计问题。所以在过去的2 0 年中，研究重点转向数学优化方法的开发。 基于目标的反应器网络综合分区策略及其应用 现有的两丈数学方法楚超结构法和褥标法，强标法主要有两大分支：凡褥可褥 区法和构造性目标法。这些方法各脊千秋，均在不同程度上为解决反应器网络 综合问题做出了贡献。 本文分辑了爱瘦嚣系统熬菱零耱毪，谂透了蘩予器稼函数鹣爱应窆窝熬分 区方法，并针对碳酸二甲酯和一氨基丙酸的合成制备过程，对其反应过程 的各影响因素和不同的操作条件进行了分析，并获得了不同条件下的适宜反殿 流程结梭。 一 壹岛型技。是堂班究生堂嫩娩立 1 1 过程综合与过程分析 1文献综述 1 1 1 过程综合与过程分析 过程综合是r u d d “1 在6 0 年代提出的概念，指的是按照舰定的系统特性， 寻求鼹嚣的系统结搦及其各子系缀的性能，并馒系统按援定驰葭标进每最俊运 转。过程综合是稆对乎过程分辑蕊存在窥发震的。过程分褫撩的是辩绘定静过 程系统进行模拟计算成优化，以便揭示流程的特性，如某些设计参数对流糨状 态的影响。过程综合与过程分析既有区别又有联系。从问题的大小和复杂糨度 上磊，过程分辑一敷瘸数学援麓法，瑟过程综会不仅嚣要数学袭魏法，= i 丕褥要 人工智能的方法；从涉及的知识范围来看，过程分析主要涉及定量知识，渐过 程综合不仅涉及定擞的知识，还涉及定性的知识；从研究的熬点看，过程分析 强调程定鲍工艺漉程於基础上，如何改变工装参数以求墓耪爨标函数达到要 求或最德，两过程综会翔强调翔簿依据过程的鞭的和萋本静源辩、产品及工艺 方案来获得工艺流稷，即在众多可行方案中寻找最优者；过稷分析的研究可为 过程设计提供有效的理论和方法，使其技术上可行，经济上合理，而过程综合 瓣是入镪遴嚣过莛开发蕊龟l 遥毪溪动，涛实验爨经验上蠢凳王程摹喜掌，为j 燕程 开发提供理论指导和有效方法。过稷综合与过弦分析在一定的条件下可以相互 转换，瓣将研究的工慧流程方案限定在很窄的可行域内，过程综合就可看成是 过程分毒睡；若允许流辍结梅和工艺参数在很大盼范围内变化，过程分辑就w 霉 或是：遘程综合。 1 1 2 过程综合研究进展 过程综合是化工系统工程匏拔心内容，出予这一闻题的臌大吸弓l 力，矗 受到众多学者静关浚。近遥十年来，过程综合懑在敬下几个领域开展瞬究并取 得了不同程度的进展。 换热器网络的综合 分离滚糕瓣综合 基王目摅曲艨器圆终熔盒努区策略敷其应怨 反应器阏络的综合 反应路径的综合 公用工稷系统的综会 全流程综合 其中，涣热嚣惩终综合在学术上溅取缮鬟大突蔽，部分研究裁莱在工监上 获得应用，并产生了巨大的经济效益”“；分离流程综合在7 0 年代发生石油危 琉暖来，一宣是过程综合静研究燕点之一，并取得了显著进展“；反应路径 综合及反应器网络综合起步较晚，无论从深度上还是从广度上季，研究工作远 不壳落“7 ”；公用正程系统作为过程系统的支撑予系统，其综合问题的研究也 引起了愈寒愈多的关注；全漉程综会俸失一个最终晷标，曩羲滏处手探素除 段9 “。 藿鼹予戆量变凭或物辩变钝，久翻穆过糕综合分为嚣大类簿题，帮麓量综 合和物料综合。 翠麓鹃辘量综合撬舞了试探法、分支赛限法和超结构法“。1 9 7 8 年， l i n n h o f f 提出并发展了夹点分析法，通过对冷热物流的濑焓图的分析，找出 了抉热器列络豹哭点，幂玎角夹点的特锻来寻求能量甄配的最优方案。此法也被 用于糖馏过程及热集成越题鲍磷究。 对物料综合问题，如分离过程综合、反应器网络综合及反应路径综合问题， 磺究熬重点是翔露放众多滚程方案中冬快熬搜索裂簸钱群。燕戴，太粕发震了 许多物料综合的策略和方法。主要有： ( 1 ) 分层凌繁法( 激e r a r e h i c a ld e c i s i o np r o c e d u r e ) d o u g l a s “2 “”发展了全流程综合概念涉及的分层次模型，在进行概念设计 时需要运用过程综合的瓒论和方法，戳此，关于概念设计方法韵研究本质上就 是关予过程综合理论和方法的研究。从这个意义上说，摄念设计鸯过程综合躲 含义。这种方法的优势在于能够和用人类已有的知识和经验，迅遮缩小庞大组 合阀题的求解空蛹，缺点是在凌策的越程中缝往会逡瀑了燹好的棼找方窳，不 能保证得到问题的最优解。 ( 2 ) 灵敏瘦分耩法( s e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e t h o d ) c i r i c “4 “”等把污染指标与过程的净利润紧密结合起来，提出了最大净利 润对不确定性的瘦料处瓒费用韵灵敏度分析方法。通过灵敏度分析和多瓣标优 化之间的基本关系，采用定量分析的方法使废料最少的同时获得净剥润最大。 该方法采用藻于越结构的数学规划法确定最优流程结构及操作参数，缺点是不 6 青岛越技盘掌砭宜生掌垃论立一 能用以产生初始流程。 ( 3 ) 模拟优化法 f l o w e r 等“提出了一种基于模拟优化的清洁化工生产过程综合的方法， 他们针对一个带有排放气物流和废料处理物流的反应器分离器再循环系统， 利用可得区法“”( a t t a i n a b l er e g i o nm e t h o d ) 产生反应器系统的流程结构， 分离器系统结构则采用锐分离精馏塔序列合成方法。反应器进料组成采用单纯 型优化算法进行优化计算，搜索优化器利用序贯二次规划( s q p ) 算法，在服 从线性物料衡算及变量约束条件下寻求经济成本最少。通过对该模块的综合研 究可确定系统所需要的费用和产生废料的范围。 该方法利甩成熟的模拟优化技术加上相应的子系统综合策略来实现清洁 化工过程的优化设计，与其它方法相比，无论在理论上还是实用性上都有很好 的发展前景。 1 2 反应器网络综合研究的意义 化工生产中，反应器是整个过程中最有影响的单元装置。反应器中化学反 应的选择性直接影响到全局经济目标的实现和废料产生的多少，对后续过程的 设计和操作有很大的影响，常常决定着整个工艺流程的性质。而反应器的不同 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 综合优化问题所以受到众多学者的关注。反应器网络综合具有重要的研究意 义，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 为反应器子系统提供理论依据 众所周知，对许多化工装置而言，反应工艺是其技术的核心部分，由于大多 数反应过程本身比较复杂，反应工艺技术的开发历来以试验为主进行。一般的 做法是通过小试获得一些定性的规律以及反应动力学关系，通过冷模实验弄清 处于反应过程相关的传热、传质规律，然后再经过中试进一步研究有关的工程 放大问题，在此基础上进行工业化技术的开发。试验总是在一定的反应器中进 行，而要选择合适的反应器类型，即使做了大量的试验工作，有时也得不到确切 的答案。反应器网络综合的研究成果可以为反应器子系统开发提供理论指导。 即在取得反应动力学关系之后，依据反应器网络综合的理论和方法可为确定试 基王目插曲反应器圈络绿盒分区筑略曩其座用 验方案提供蔽据。从而大大加快开发的速度。 ( 2 ) 为反应器工徽的优化设计掇供指导 反墩器的分析怒在一定的工裁条件下进行躺，丽反应器嬲络综合的内容之 一藏怒确定合适浆工艺条释，这稃藏能捩校本上绦涯工艺蘩静懿合理往。筠一 方面，反应器网络综合要指出什么样的反应器网络是最优的，这样就保证了反 应工艺中关键问题之一反应器选型及流程结构的合理性。总之，根据反成器 网络综会斡理论移方法，能够保诞爱应器优佬设计在科学合瑗夔基础上邀行。 ( 3 ) 是纯学工韭辑持续发震静迪切需要 可持续发展是2 l 世纪的重大课题，化学工姚是造成环境污染问题的行业 之一程过程系统的周期内，过程帮发阶段是决定该系统产生废料多少的最重 要夔一繇毽瑟，要憋突瑷瀵涪 乏王生产，必矮森逮程秀发除投器量把产生浮浆 的因素消除掉，而不怒在以后的技术改造中加以实现 化学工业的污染问题主要起因予反应过程存在副反应，并鼹形成的废料难 戳处理蕊反应器瞬终综会鲍任务之一是设计馒剿反应产物簸少的反应器子系 统因就，反应器弼终综合对保证纯王清洁生产意义重大。鉴于我国纯工污染闯 题的严黧性，开展反暾器网络综合的研究显得异常迫切。 ( 4 ) 是全流程综含的关键 全浚疆综合是避纛练舍黪最寒嚣蠢，难凄葵常大，窀不毽簧考虑全滚翟缀济 目标还骚考虑能量和环境等弱标柱全流程综合阏蘧中，能量网络综合及分离过 程综合融取得了很大的进展，而在反应器网络综台发展相对来说不够成熟因此， 加快反殿器网络综含的研究不仅对反应过程本势具有重要意义，丽且对现全滚 程综合爨有重要意义。 1 3 反应器网络综食研究进展 如前所述，过程综合包括换热器网络综合、分离过程综合簿6 个方面，熊 中反应嚣网络综合传梵过程综合的予课题，由于蒸謇身的复杂瞧，还处于剐剐 起步阶敬。秀了麸生产黔源头控涮和预茨污染，实现环境轰姆的全流程综合， 有必要尽快解决反应器网络综合这一瓶颈问题。 在5 0 一6 0 年代，人们对反应嚣的最优化研究仅局限于单反应器。6 0 年 髯岛科技太学研冤生学位论宴 代末和7 0 年代初，部分学者开始致力于反应器网络综合和反应器的分析，以 改善整个反应器子系统的性能。反应器网络综合的任务是在给定的反应动力学 和设计目标下找出反应器网络中最优的反应器类型、个数、大小和连接形式但 是由于研究问题自身的复杂性，表现为高度非线性微分代数混合模型和大量可 选择的反应器类型和网络，所以最初的研究主要是针对简单的反应动力学情况 提出一系列经验和直观的规则。当问题的规模增大时，经验方法不能有效解决 最优反应器系统设计问题。所以，在过去的2 0 年中，研究重点转向数学优化 方法的开发。自8 0 年代以来，有关反应器网络综合的文献逐渐增多，并提出 了一些有效的策略和方法。纵观反应器网络综合的研究历程，可主要分为以下 两个阶段： ( 1 ) 经验推导阶段 ( 2 ) 数学模型阶段 1 3 1 经验推导阶段 在经验推导阶段，学者们采用的方法主要为直观推断法。直观推断法是基 于反应过程的物理一化学知识和经验提出确定反应器类型和流程结构的规则。 该方法能迅速缩小反应器网络综合的求解空间，对问题做出最初的定性决策具 有重要意义。 c o n t i p a t e r s o n 利用基于经验的直观推断法，导出了能改善过程系统 总收率的反应器网络。他们强调了适宜的目标应该是过程的总收率，而不是反 应器系统的单程收率。 d o u g l a s “”结合具体实例提出了层次化的思想，以直观推断法探讨全流程 的综合问题。他们根据反应器排出的物流相态来决定反应分离系统的基本结 构，反应器子系统只作为单一反应器的黑箱处理。 j a c o b s 和j a n s w e i j e r “”1 用已有的经验知识来分析化学反应，推导反应 器内温度和返混策略，然后用这些策略来选择反应器，克服了上述困难。 该方法的基本步骤为：首先找到全部反应模式，一个反应模式把所需的反 应产物和原料中的反应物联系起来；对于复杂反应，其模式是具有分枝的树”， 所需的产物在“树”的根部，原料中的组分在“树叶”上。复杂反应模式含有 多个小反应模式( 简称s r p ) 。一个s r p 中所有的反应分枝均应消耗同样的组分， 同时其他反应分枝则被忽略。然后，根据s r p 的类型，用已有的反应工程方面 的知识推断反应器内的温度水平和返混策略；再用这些策略来决定合适的反应 器。这些经验知识可在一般手册中查到，将其整理为一定形式的判断规则。所 9 褥到豹澈凄策略是关于反应器两蕊度的定性陈述，如“尽可能地高”，“尽可能 地低”等。对于返混策略，也是关予反应器内组分浓度的定性陈述，如“在反 应相中选择性地移去浆一组分”等。 该方法不霭要详绥瓣毒乏学爱澎殛力学，强嚣霹翊子竣乏数臻熬过程设诗豹 早期阶段；所得结论可赢接用于选择工业反应器，或改造现有的反应器；而可 得区法、超结构法等得到的结论还需工程师的解释才能应用。该方法缺点魁它 的结论只是一些定性瓣陈述，还远不是最谯解。 1 3 2 数学模型阶段 为了克服经验方法的缺陷，过去的2 0 年中及应器网络综龠逐渐转向数举 模型方法的研究。现衡的两大数学方法是超结构法和目标法。 。3 。2 。 怒绩擒法 超结构法是过程综台的一类重鼹方法。它将过程综合问题糟成是混合整数 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，单元之阀物料豹露无传为变量，这样，霹戆豹流程方案就楚不圈的单元秘 物流之瀚所有可能缀念的集含，静怒结构。过穗综合翔是在这猝超结构莘薅翼傀 约束条件对某一或几个目标函数进行优化，从而狂很多种可能流程中选出一种 最优方絮并同时确定工艺条件。该方法不受维数的限制，同时又能够兼顾各种 燕德繁酶。镬建霹蓄受建立爰应器躅终戆超缝稳，然癌霉建立数擎模型莠袋鼷。 ( 1 ) 超结构的选取 该方法的好坏主鬟取决于超结构的选取，若选取得当，则可以得到最优解， 并且数学模型篱单。超结梅应当包禽结构单元之阗懿器静连接方式，如串联、 并联耱率一并联等；溺时氇应考疼翔所有可能的优纯策略，如缀环、旁逶、侧 流及不间的进料方式，最重要的是嬲结构中应包禽最优的反应器网络。 各种超结构的不冈，主要体现猩选用不同类挝的反应器作为基本结构单 元。 k o k o s s i s & f l o u d a s 。1 ”戆怒缕撬中含蠢c s t r 窥p f r ；麓一枣等丈小鹣 s u b c s t r 来近似替代p f r ，以消除数学模型中p f r 的微分方稷，反应器单元 的存在与否用整数变爨来表示。这个方法可以处理椁温及非等濑下任意反应幼 力学阔题，但其数学模型是一个庞大、复杂、菲熙的混合整数非线性规划阉怒 ( m i n l p ) 。疆据可撂嚣疆论。4 ，对予= 维鞋下饶纯鞫题，最饶豹反应器两络中 仅有p f r 和c s t r ，而对于三维以上优化问题，其最优反应器网络中还应包含 d s r ( 微分侧流反应器) ，因而这种方法的解与最优解相距甚远，甚至二维优化 阚题也会褥至l 局部最俊簸。s c h w e i g e r 与f 1 0 u d a s 。涛霹缛区疆论戆成票鼷予 青岛科技大学研究生学位论文 构造超结构，其超结构中基本反应器单元选用c s t r s 和c f r ( c r o s s - - f l o w r e a c t o r ) 。c f r 可以看作是p f r 、b t m r ( m a x i m u m m i x e dr e a c t o r ) 和 s f r ( s e g r e g a t e df l o wr e a c t o r ) 的一般形式，因此它比前面的超结构更具有代 表性；其数学模型没有整数变量，从而使问题简化，但它依然是非线性和非凸 的，因此当选择不同初值时，仍有可能得到非线性和非凸的，因此仍有可能得 到不同的局部最优解。 p a h o r 等”4 “1 人以c s t r 和r r ( 循环反应器) 作为超结构中基本反应器单元， r r 用一列具有单股循环流的微分p f r 表示。以上这些方法太复杂，不能有效 地将反应器网络与整个工艺过程同时优化。这种方法的优点是它的数学模型较 小并具有鞍低的非线性i 易手求解；此外，它韵超结构可扩展到包含反应、换 热和分离等过程在内的整个过程的综合优化问题。 ( 2 ) 数学模型的建立 一旦建立起超结构，接着就要建立数学模型。数学模型的限制条件是：超 结构中所有单元的物质和能量的平衡方程以及逻辑限制条件；用整数变量表示 某个单元或路径是否存在。 k o l o s s i s f l o u d a s 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 ) 和近似于平推流反应器 ( 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、循环和旁路情况。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。 k o l o s s i s f l o u d a s 。”还提出了研究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反应器的选择而变化。这个方法采用基于 热力学或经济为目标的混合整数非线性规划( m i n l p ) ，解决任何均相的吸热和 放热的复杂反应系统的综合问题。从m i n l p 的解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 和大小。 a s h e n i e b i e g ! e r “”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。 基于目标的反应器网终综合分睡蘸略殿其应用 d u r a n g r o s s m a n n 斜1 采用基于趣结构的数学规划法，处理带有化学反应 的工范流程并同时考虑热集成。 c h i t r a g o v i n d e m l 撼壤了一令豢移毳强躲p f r 串联绩构形成魄艇应器阚终。 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 夔救搴最大。 b a l a k r i s s h n a b i e g l e r 。”提出了反应器网络的通用模型，反应器允许微 分饔l 流透籽、密瓣，反应器入日流允谇换熟。袍 | 、j 研究了六类不阍的问熬，各 自有合适的黧法。 焱秀荣、李有润嘲采用超结构法求解反廒过程与换熟器网络联合优化问 题，但愿用鬻燃溅为经验回归模型。毯翻对超结梅啦整型变量弱处理撼爨了 整型变量连绥化的方法，为有效豹求解混合整数非线性规划问题掇供了一条新 鲍途径。 l u y b e n f l o u d a s 提出了一个系统的方法，用来分析过程综合阶段设计 与控铡豹交蠢荐蔫。德鬃在一个多鏊搽混合赘数菲线往规划闻踅串，把定态操 作的经济性与开发可控制性协调起来，用这种方法研究了一个等温反应过程的 反应分离褥循环系统。 d + b i k i c p 。g l a v i c 。o 研究了多股多组分进料的反应器网络综合问题。 第一疹用多股进料反应器的超结构来把所有可能的反应物流的浓度分布和产 率概挺进去，第二步用爨标函数( 包括费用鄹援要求豹产物浓度分毒) 遴露优 化，从而可把最优的反应器类型和结构从多个候选方案中抽取出来。他们以 v a nd e rv u s s e 反疲为铡避蠢了甥证。 ( 3 ) 数学模型的求解 怒结梅法豹本麓是将多嚣标麓综合随邃表达成数学模黧雨翻虢求解。值其 问题之一是如何确定合遗的超结构解空间。空间太大难于求解，空间太小可能 得不剿真正的最优网络。掰一个闯题是开发合适的优化算法。对复杂反应过程 的描述，除了代数方程还鼹要微分方稷，开发食适的数学救划算法难度缀大。 该方法的数学模型往往是复杂、非凸的m i n l p 问题，禽有极多的方程组和太多 的变黛( 寄融可这数手个) ，求翳十分爨难，势且霉戆褥刭鼹罄最撬解。嚣蘸， 一些1 9 巍机优化法为解决这个困难提供了参考。在化学工程领域，这类方法主要 毽捂模数退火法( 麓穆s a ) 葙遗传算法( 楚称激) 等。黠予覆痤爨网络综合的 m i n l p 问题，文献中多采用模拟退火法进行求解。 s a 是逶j 霪类院磊俸垂孽物理邋火过糕的统计力学梳理而提出来豹。用s a 求 童璺壁堡态兰婴塞生兰堡逢塞一一；：；：一 一! ! = ! ! ! _ _ = = # ，。_ ”4 一一 一 解薅，熬强标丞数类院为逶火系统静能重，把燮嚣豹获态类魄为晶终的分予酌 分布，用假温度a 来装比退火系统的温度。另外，在逐步逼近最优值的过程中， 按一定的概率接受使鼹标函数变嬲的解，这样就可避免局部最优解。 赉予该方法可投戮最优舞，雾照舞法筏擎，露燕霉鬻予菇我最钱熬爱黩器 网络结构。m a r c o u l 酞i 和k o k o s s i s 嘲先建立反应器网络超结构，然后用s a 法求解。在此方法中，反应器网络结构及每一个结构的操作条件均用s a 滋进 行优化，求解过程非常耗时。c o r d e r o 等人墩先提出反应器网络的超绪橡， 熬嚣麓攘羧退灾法优纯弼络结稳，蠲菲线毪魏鞠法饶纯霆终缭褐懿最优操佟条 件，如采求解这个非线性规划的方法得当，则求解过程是有限步收敛韵，因此 这个方法比莉孝运算得犋。 对一些丈规模熬复杂系统魏m i n l p 弱蘧，s a 法楚一今强有力豹方法，爵 班褥至h 全局最优解，而且与初始条件无关。毽这个方法有如下一些缺点：留先 该方法不能保证有限步收敛或经过有限步计算就可得到最优解，因而运算效率 缀差；其次该方法是一个随机搜索技术，目标瞒数的值仅仅强可行点上才寓意 义，嚣藏该方法逶会予无约束或豢肖不等式筑慕豹饶住阚瑟，毽舔上，亿王过 程往往熄一个具有火缀等式约束的问题。由于以上缺点，该方法的应用受剥了 很大的限制。为了克服以上缺点，c h o i 1 等人搬决定性优化法和s a 法结含起 寒。藏畿是有限步牧敛，虽黠等式约束邀适弱，键不逶赐予大媛模菲凸戆 线 经侥张瓣题；丽磊者蹩有限步不收敛，难班应粥予具有等式麴窳的反应器瀚络 综合问题，把两者结含起来可使遮算速度较快。 越结构法的最犬优点是它能够同时得到目标爵数最优德、最优反应嚣网络 缮魏黎搡终条终，透露竣楚瑾等滚及 等瀣下柽窳反应动力学阉蘧，瑟不像虿 得区法那样受维数的限制。反应器可在包括分批和半分批式擞作的所有反臌器 类型间选择，这就能保证所得到的反应器网络怒非常优秀的。但是，它的解受 初始越绫梅的影响，翔果超结构中没有囊正的簸饯结梅，则不埘能褥到最优勰， 这辩霰袋扩大超结 奄豹内涵，毽怒这样傲会谈箕数学模型的笈杂性大大增鸯玎。 1 3 2 2 目标法 为了解决超结构法所面临的困难，人们认为找到与反应嚣豢型及网络缩襁 无关豹爱瘦器系绞熬羧戆撵耩鲍壤蔟反基蓉统弱霉标憝缀蠢鍪要熬。激予 反应嚣舟勺设计方程中往往有许多非凸项，所以有了这个目标，在反应器网络综 合时，就有信心找到最优解。找到了反应器系统的目标，就可以寻找最优威应 器网络。目标法也是由h o r n 嘲的霹褥区概念发膜焉来的。这类方法根据袋瘸 的数学研究簪段的不同主要有两大分支：几何可得嚣法“”和构造目标类方法 嚣3 i 。j 1 , 锵霹褥区法 这类方法是褒充分谈识反藏遘獠黪薤瓣莲璐士避行爨讫静方法，毙逶遵求 解一个鬟杂嬲数学觏划同题来优化蒙 篓观易懂，包撅霹褥区法秘撂数分摄法 ( 1 ) 可得区法 可褥区的概念是h o r n 曾先掇出来的，其定义跫：穗知过稷系统的输入 条件，确定掰能利用的所窍设计( w 能钎对菜些约柬) 能够达捌的输出状态变 量( 浓壤、停瞽甜润、反应粝豹转纯率辞) 的集禽。根据研究闷邋韵经质，所 遗输出霹以建爨艨系绫懿浸终按糍，魄哥戳是竣天麓输爨之鹅熬锯挺状态淼。 遗鉴年来，h i l d e r b r a n t 秘g l a s s e r “蝴等j l 重聚耀足褥图零的方法趸漶涨 的阐述了可褥区的基本恿想。即在一个定态操作瓣反应器系统中，对于绘定黪 动力学条件和进料条件，仅仅依据反应和混合原理，就可以寻找到一个由任何 反疯器粪奎，任储反成器结构可遮潮的反应器输趣的所有状态变爨。他们考察 了爱应嚣系统孛发生豹基本过程，帮发应和混合过程。若翔空间静袄态向量e 表示镌流的状态，粥过程瓣镪滚静俸霜冒表示成状态静交纯，输出物流毽含了 定义基本过程所簧的基本变量，以及在曩括濑数中含毒躲部分残余都懿变量， 如浓度、温度和平均停鐾时闻等，凌研究反瘫器混食过程豹基礁一囊，褥爨了霄 得隧的必要条件； 1 ) 可褥区必须包括迸料点； 2 ) 可褥区是螽嚣城，管羽可敬遥过线往漓台填充为凸区域； 秘胃褥嚣迭彝上熬反寂速率囱蠹不籀商嚣域熬舞颟，炎靛在边界主穗落、