全混流釜式反應(yīng)器控制策略和最優(yōu)操作方案

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(yàn)放大 法進(jìn)行反應(yīng)過程的開發(fā) ,由于逐級經(jīng)驗(yàn)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)

2、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 (2000 01 -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(jì)。 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(jì)的一個(gè)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(shí)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

3、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+ B R, rA= kv CA n ,則反應(yīng)器小時(shí)操作總費(fèi)用為 1 : t= V Rm+ FA0A = kv Cn FR-xA n ·m+ xFAR ·A (1 A0 (1 【作者簡介】王國軍 (1956- ,男 (滿族 ,黑龍江省哈爾濱人。 1982年大學(xué)畢業(yè) ,副教授?，F(xiàn)從事高校教學(xué)、科研和化工設(shè)計(jì)工作 , 主要研究方向?yàn)榛み^程開發(fā)和工業(yè)催化。 【收稿日期】 1999-10-21 據(jù)此得到反應(yīng)器小時(shí)操作總費(fèi)用最低的條件 為 : kv Cn n -xA n+1 ·

4、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/ xAopt 反應(yīng)器尺寸 : V R= kv CnFA0 xAopt A0 (1 -xAopt 單位產(chǎn)品成本 :t/ FR= V Rm F+ RFA0A 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) 1Q, rQ= k1 CA A,反應(yīng)器小時(shí)操作總費(fèi)用為 : 2 S, rs= k2 CA t= V Rm+ FA0A FQ( k1 +k2 ·FQ = k1 CA0

5、(1 + xA ·m+ k1 xA ·A (3 據(jù)此得到最優(yōu)反應(yīng)率 : ( k1 +k2CA0A-( k1 +k2CA0Am x Aopt = ( k1 +k2CA0A-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 FA0 xAopt 反應(yīng)器尺寸 : V R= ( k1+ k2CA0 (1 -xAopt 王國軍等全混流釜式反應(yīng)器控制策略和最優(yōu)操作方案·9· 目的產(chǎn)物 Q的收率 : Y QA = k1 k+ 1 k2 ·x Aopt 產(chǎn)品成本 :t/ FQ= V Rm F+ Q F

6、A0A 2. 3連串反應(yīng) 2. 3. 1以反應(yīng)器操作費(fèi)用為目標(biāo)的最優(yōu)反應(yīng)率 1 單級全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行連串反應(yīng) AQ S(Q為目的產(chǎn)物 ,反應(yīng)器小時(shí)操作費(fèi)用為 : + (5 k2( ( k1 xA-xA +1 FQ xA(1 -xA ·A xA-xA +1 FQ kv Cnn (1 -x-xA 2 n ·=A n-1 m12 ·r (10 據(jù)此得到反應(yīng)器小時(shí)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

7、Aopt 進(jìn)料速率 : FA0 = k1 xAopt (1 -xAopt ·FQ FA0 xAopt 反應(yīng)器尺寸 : V R= k1 CA0 (1 -xAopt 目的產(chǎn)物 Q的收率 : xAopt (1 -xAopt Y QA = k2 xAopt + (1-xAopt k1 產(chǎn)品成本 :t/ FQ= V Rm F+ Q FA0A 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 一級反應(yīng) ,其目的產(chǎn)物 Q的收率為 2 : xA(1 -xA Y QA = (7 k2 x A+ (1-xA k1 據(jù)此得到收率最大的最優(yōu)反應(yīng)率為 : k2/k

8、1 -1 x Aopt = (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(gè)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 CA0 (1 -xA 2 ·m A0 (1 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 R, rA= kv CA n ,反應(yīng)器系 統(tǒng)小時(shí)操作總費(fèi)用為 1 : t= V Rm+ FA0A+ FA i(1 -xAr = kv Cn FR xA n ·m+ FRAA0 (1 + 1- xA xA FR

9、83;r (9 據(jù)此得到反應(yīng)器系統(tǒng)小時(shí)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/ FR= V Rm+ FRA+ FA i(1 -xAoptr 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(gè)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(gè)在給定最終反應(yīng)率條件下兩個(gè)不同尺 寸

10、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(shí)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 A0 ·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(gè)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(shí),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(shí),競爭反應(yīng)的瞬時(shí)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

11、的操 作溫度,以提高目的產(chǎn)物Q的瞬時(shí)選擇性、收率和 反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度;當(dāng)E1 < E2時(shí),雖低溫操作可提 高瞬時(shí)選擇性和收率,但生產(chǎn)強(qiáng)度卻不高,故應(yīng)以經(jīng) 濟(jì)收益為目標(biāo),選擇適宜的折中操作溫度。 6結(jié)語 (1本文提出了全混流釜式反應(yīng)器的控制策略。 以操作費(fèi)用為控制目標(biāo),以反應(yīng)率為控制因素,研究 了全混流釜式反應(yīng)器的最優(yōu)操作方案。以目的產(chǎn)物 瞬時(shí)選擇性或收率及生產(chǎn)強(qiáng)度為目標(biāo),分析了全混 流釜式反應(yīng)器的適宜操作溫度。 (2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)器單因素最優(yōu)操作方案的研究結(jié) 果,可指導(dǎo)反應(yīng)過程的開發(fā)設(shè)計(jì),具有可靠性強(qiáng)、開 發(fā)周期短等特點(diǎn)。 符號說明 A 1 , A

12、 2 反應(yīng)速率常數(shù)指前因子 CA、CA0 反應(yīng)組份A的濃度和初始濃度,kmol/ m3 E1 , E2 化學(xué)反應(yīng)活化能,kJ/ kmol FA0 反應(yīng)組份A的初始摩爾速率,kmol/ h FR , FQ 反應(yīng)產(chǎn)物R及Q的輸出速率,kmol/ h k 化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) m , n 反應(yīng)級數(shù) Rg 氣體常數(shù),J/ mol·K T 反應(yīng)溫度, K V R 反應(yīng)器的反應(yīng)體積,m 3 xA 組分A的反應(yīng)率 YQA 目的產(chǎn)物Q的收率 QA 目的產(chǎn)物Q的瞬時(shí)選擇性 t 反應(yīng)系統(tǒng)操作總費(fèi)用,/ hm 反應(yīng)器費(fèi)用(包括設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)、管理費(fèi)、折舊費(fèi) , / m3·hA 初始濃度為CA0的反應(yīng)

13、物A的消耗費(fèi)用,/ kmolr 未反應(yīng)物A的回收費(fèi)用,/ kmol 器適宜大小比率。需要出的是指,滿足使矩形面積 最大的點(diǎn)取決于動力學(xué)曲線的形狀 ,可能出現(xiàn)多個(gè) 點(diǎn) ,但總可找到一個(gè)恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)使得矩形面積最大。 4. 2多級串聯(lián)全混流釜式反應(yīng)器的最優(yōu)中間反應(yīng)率 對于多級串聯(lián)全混流釜式反應(yīng)器 ,在釜數(shù)和最 終反應(yīng)率已有規(guī)定的情況下 ,各級中間反應(yīng)率存在 最優(yōu)分配 ,使得反應(yīng)器總尺寸為 最小。 多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器總體積為 : m x 1 -x 0 x 2 -x 1 xi-xi-1 V R= V R i= F0 + .+ r1 r2 ri i= 1 6 xi+1 -xi xm-xm-1 + . +

14、(12 ri +1 rm 據(jù)此得到反應(yīng)器總尺寸最小所須遵循的條件 : 1 11 9 ri ,i = 1 ,2 , .,m -1 -=(xi-xi-1 ri +1 ri 9 xi (13 由此條件采用解析法或圖解法 ,即可確定各級 中間最優(yōu)反應(yīng)率。 5全混流釜式反應(yīng)器的適宜操作溫度 在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行競爭反應(yīng) 1Q, rQ= k1 CA m A2,則目的產(chǎn)物 Q的瞬時(shí)選擇性 S, rs= k2 CA n 為4 : 1 (14 QA = A2 E1 -E2 -m -m Cn 1+ exp A0 (1-xA n A1 Rg T 1 在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行連串一級反應(yīng) AQ 2 S,則目的產(chǎn)物 Q的收

15、率為 : xA(1 -xA (15 YQA = A2 E1 -E2 exp ·xA + (1-xA A1 Rg T 由此可見 ,當(dāng)反應(yīng)率一定時(shí) ,競爭反應(yīng)的瞬時(shí)選 擇性及連串反應(yīng)目的產(chǎn)物 Q的收率隨溫度變化情 況 ,與主副反應(yīng)活化能的相對大小有關(guān)5。當(dāng) E1= E2時(shí) ,雖然競爭反應(yīng)的瞬時(shí)選擇性及連串反應(yīng)目的 產(chǎn)物 Q的收率與溫度無關(guān) ,但實(shí)際生產(chǎn)中仍應(yīng)選擇 較高的操作溫度以提高反應(yīng)器生強(qiáng)度產(chǎn);當(dāng) E1> 王國軍等全混流釜式反應(yīng)器控制策略和最優(yōu)操作方案 ·11· 參考文獻(xiàn) 1984 :84 1 Levenspiel O. Chemical Reaction

16、Engineering. 2nd Edi2 4中國化工學(xué)會教育工作委員會 .化學(xué)工程 M.北京 : tionM .JohnWileyNew York,1972.130132 化學(xué)工業(yè)出版社 ,1991 :190 2李紹芬 .反應(yīng)工程 M.北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 ,1990: 5王國軍 ,熊潔羽 .第八屆全國化學(xué)工程論文集 C.北 136 京 :中國化工學(xué)會化學(xué)工程專業(yè)委員會 ,1996 : 963 3陳甘棠 .化學(xué)反應(yīng)工程 M.北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 , 966 簡訊 化學(xué)學(xué)科國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、部門開放實(shí)驗(yàn)室評估結(jié)果 1999年化學(xué)學(xué)科國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、部門開放實(shí)驗(yàn)室評估結(jié)果近日揭曉。其中,優(yōu)秀類

17、5個(gè),良好類19 個(gè),不予資助類5個(gè),詳見下表。 化學(xué)學(xué)科國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、部門開放實(shí)驗(yàn)室評估結(jié)果 類別序號名稱 承接單位 1固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廈門大學(xué) 優(yōu)2金屬有機(jī)化學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室中科院上海有機(jī)化學(xué)所 秀3高分子物理聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室中科院化學(xué)所、長春應(yīng)化所 類 4無機(jī)合成與化學(xué)制備開放實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué) 5稀土材料化學(xué)與應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京大學(xué) 1催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院大連化物所 2煤轉(zhuǎn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院山西煤炭化學(xué)所 3配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京大學(xué) 4羰基合成和選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院蘭州化物所 良5電分析化學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室中科院長春應(yīng)化所 6元素有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南開

18、大學(xué) 7結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所 8聚合物分子工程開放實(shí)驗(yàn)室復(fù)旦大學(xué) 9分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院大連化物所、化學(xué)所 好 10生命有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院上海有機(jī)化學(xué)所 11化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)、天津大學(xué)、華東理工大學(xué)、浙江大學(xué) 12多相反應(yīng)開放實(shí)驗(yàn)室中科院化工冶金所 13應(yīng)用化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘭州大學(xué) 14有機(jī)固體開放實(shí)驗(yàn)室中科院化學(xué)所 類 15理論化學(xué)計(jì)算國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué) 16稀土化學(xué)與物理開放實(shí)驗(yàn)室中科院長春應(yīng)化所 17超分子結(jié)構(gòu)與譜學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué) 18分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院化物所、北京大學(xué) 19重質(zhì)油加工國家重點(diǎn)實(shí)

19、驗(yàn)室中國石油天然氣集團(tuán)公司石油大學(xué) 1吸附分離功能高分子材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南開大學(xué) 不予 2染料及表面活性劑精細(xì)加工合成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大連理工大學(xué) 資3膠體與界面化學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室山東大學(xué) 助 類 4生命有機(jī)分子工程開放實(shí)驗(yàn)室北京大學(xué) 5一碳化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津大學(xué)、清華大學(xué) 2000 Vol. 21 No. 1 Journal of Chemical Industry & Engineering ·· Chemical precipitation technology towards 21th century GAO Wei , GU Hong2chen , HU

20、Ying AbstractBy decomposing the precipitation process into some sub2processes as mixing , nucleation , growth , ageing and aggregation,the theoretical fundament forming every sub2pro2cess was analyzed. The chemical precipitation technology in 21th century will be formed by combining traditional proc

21、ess with in2terface phenomenons. The four mainly precipitation technology such as homogenous precipitation ,stripping precipitation ,precip2itation in emulsion liquid membrane , and spray precipitation were introduced. Key WordsPrecipitationChemical engineering opera2tionChemical new technology. CLC

22、 number TQ028. 7Document code A Article ID 1006 -7906 2000 01 -0001 -04 Design of shell for 300kt/ a ammonia synthesis reactor L IU Fu2hua , CHEN Jian2jun AbstractThe design of shell for 300kt/ a ammonia syn2thesis reactor was illustrated including material selection ,struc 2ture of a part of sealin

23、g piece and welding state. The structure ofthe body had the characteristics of multi2plate wrapping ,forged ring transition between the body and spherical bottom ,and bi2taper sealing structure tightened with large bolts between the body and the disk cover. SA387 Gr. 12CL2 was adapted for material o

24、f internal of the body , SA724 Gr. B for multi2plate , SA387 Gr. 22CL2 for spherical bottom ,and INCON EL 82 for bead welding material of the end of the body. Soft graphite spacers were used in bi2taper rings. The detection results showed that the design was economic and feasible. Key WordsAmmonia s

25、ynthesis reactorShellStruc2 energysavingandrationalengrgyutilization Howtohandletherelation between in the chemical engineering process XU Jian2liang AbstractThe conceptions of energy saving and rational energy utilization were given ,and the relation between them was analyzed. Taking the distillati

26、on system for example , the featuresandthechoicerulesof different technicalprocesseswere introduced. Key WordsEnergy savingRational energy utilization Thermal efficiencyEconomic benefic CLC number TK01 +8;TK01 +9 Document code A Article ID 1006 -7906 (2000 01 -0005 -03 Control strategy and optimum o

27、peration scheme of mixed flow reactor WANG Guo2jun , XION G Jie2yu AbstractThe optimum operation scheme for different kinds of reactions in mixed flow reactor was put forward with different control strategy by mathematical pattern method. It can be guide to the development design of reaction process

28、. Key WordsChemical reactorMixed flowControl strategyOptimize CLC number TQ053. 202 Document code A Article ID 1006 -7906 (2000 01 -008 -04 Influence of particulate solids and hopper materials on the flow pattern of silos L I Zhi2yi, WANG Shu2lan,DING Xin2wei fluenceofparticulate solidand hopper mat

29、erialsontheflowpat AbstractBased on the existing experimental data ,the in22 tern of silos was analyzed. The massive flow was regarded as first chosen flow pattern when designing silos. The hopper ma terials for forming massive flow were stainless steel ,aluminium22alloy and carbon steel successivel

30、y. The half2vertex angle was determined by particulate solid and hopper materials. Thestan2dardmassive flow silos designed with certain half2vertex angle was only suitable for a little part of particulate solid. Key WordsSilosFlow patternDesign CLC number TB498 Document code A Article ID 1006 -7906

31、(2000 01 -0012 -03 ture design CLC number TQ113. 26 + 6. 502 Document code A Article ID 1006 -7906 (2000 01 -0015 -04 Failure reason and repair for firetube waste heat bolier WANG Ping AbstractThe failure reason of firetube waste heat boiler in a petrochemical device was analyzed from equipment stru

32、cture and operation. The repair process and attentive events were in2troduced. Key WordsWaste heat boilerFailureRepairWeld2 ing CLC number TQ051. 507 Document code A Article ID 1006 -7906 (2000 01 -0019 -05 The welding and marking of furnace pipe for platinum reforming L IU Hao AbstractThe welding and welded joint marking method of U2type pipe in furn