·8·化学工业与工程技术 2000年第 21卷第 1期全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案王国军熊洁羽常州技术师范学院化学工程系常州 213001 全混流釜式反应器是广泛用于化工、制药生产的流动反应器。
对于此类反应器中所进行的反应过程开发 ,其主要问题是确定优选的操作方案 ,这将取决于开发方法和控制策略。
通常采用逐级经验放大法进行反应过程的开发 ,由于逐级经验放大法放大效应欠佳 (放大过程中反应结果与小试指标之间出现未曾预期的差异 ,或虽可预期但却无从控制的差异,且开发周期长 ,耗资大。
本文采用数学模型方法 ,以不同控制策略对全混流釜式反应器的最优操作方案进行了研究。
2未反应物不回收循环的单级全混流釜式反应器的最优反应率摘要本文采用数学模型方法 TQ053. 202文献标识码A文章编号1006 -7906 (2000 01 -0008 -04 ,以不同控制策略提出了全混流釜式反应器中进行不同类型反应的最优操作方案 ,可用于指导反应过程的开发设计。
关键词化学反应器全混流控制策略最优化中图分类号 1引言正确选择最终反应率是单级全混流釜式反应器开发设计的一个十分重要的环节 ,可以操作费用为控制目标确定其最优反应率。
此系权衡在较大的反应器中 (高设备费用实现较高反应率 (低反应物成本,与在较小的反应器中 (低设备费用的低反应率 (高反应物成本的问题。
2. 1简单反应在单级全混流釜式反应器中进行简单反应A+ B →R, rA= kv CA n ,则反应器小时操作总费用为 [1] : ＄t= V R＄m+ FA0＄A = kv Cn FR-xA n ·＄m+ xFAR ·＄A (1 A0 (1 【作者简介】王国军 (1956- ,男 (满族 ,黑龙江省哈尔滨人。
1982年大学毕业 ,副教授。
现从事高校教学、科研和化工设计工作 , 主要研究方向为化工过程开发和工业催化。
【收稿日期】 1999-10-21 据此得到反应器小时操作总费用最低的条件为 : kv Cn n -xA n+1 ·＄m = 1A2 ·＄A (2 A0 (1 x 由此条件即可求取最优反应率 ,进而确定反应器最优操作方案 : 进料速率 : FA0 = FR/ xAopt 反应器尺寸 : V R= kv CnFA0 xAopt A0 (1 -xAopt 单位产品成本 :＄t/ FR= V R＄m F+ RFA0＄A 对于其它类型的简单反应 ,可据此法确定其相应的最优操作方案。
2. 2竞争反应在单级全混流釜式反应器中进行竞争反应 1Q, rQ= k1 CA A,反应器小时操作总费用为 : 2 S, rs= k2 CA ＄t= V R＄m+ FA0＄A FQ( k1 +k2·FQ = k1 CA0 (1 + xA ·＄m+ k1 xA ·＄A (3 据此得到最优反应率 : ( k1+k2CA0＄A-( k1 +k2CA0＄A＄m x Aopt = ( k1 +k2CA0＄A-＄m (4 反应器最优操作方案为 : k1+ k2 进料速率 : FA0 = k1 xAopt ·FQ FA0 xAopt 反应器尺寸 : V R= ( k1+ k2CA0 (1 -xAopt 王国军等全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案·9·目的产物 Q的收率 : Y QA = k1 k+ 1 k2 ·x Aopt 产品成本 :＄t/ FQ= V R＄m F+ Q FA0＄A 2. 3连串反应 2. 3. 1以反应器操作费用为目标的最优反应率 1 单级全混流釜式反应器中进行连串反应 AQ S(Q为目的产物 ,反应器小时操作费用为 : + (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 据此得到反应器小时操作总费用最低的条件 : k2 k1 ＄ CmA0 -11 -x A +2 k1 1-2 xA k2 -+ 1 (1 -xA (6 =＄A x A2 k1 反应器最优操作方案 : k2 xAopt + (1-x Aopt 进料速率 : FA0 = k1 xAopt (1 -xAopt ·FQ FA0 xAopt 反应器尺寸 : V R= k1 CA0 (1 -xAopt 目的产物 Q的收率 : xAopt (1 -xAopt Y QA = k2 xAopt + (1-xAopt k1 产品成本 :＄t/ FQ= V R＄m F+ Q FA0＄A 2. 3. 2以目的产物收率为目标的最优反应率 12 单级全混流釜式反应器中进行 AQ S连串一级反应 ,其目的产物 Q的收率为 [2] : xA(1 -xA Y QA = (7 k2 x A+ (1-xA k1 据此得到收率最大的最优反应率为 : k2/k1 -1 x Aopt = (8 k2/k1 -1 3未反应物回收循环的单级全混流釜式反应器的最优反应率这是一个权衡低设备费用与高循环费用及高设备费用与低循环费用的问题。
若在单级全混流釜式＄t= kk11 CA0 (1 -xA 2 ·＄m A0 (1 x A k2 由此条件即可求取最优反应率 ,进而确定得反应器最优操作方案为 : 反应器中进行简单反应A →R, rA= kv CA n ,反应器系统小时操作总费用为 [1] : ＄t= V R＄m+ FA0＄A+ FA i(1 -xA＄r = kv Cn FR xA n ·＄m+ FR ＄AA0 (1 + 1- xA xA FR ·＄r (9 据此得到反应器系统小时操作费用最低的条件 : 进料速率 : FA i = FR/ xAopt 循环物料速率 : FA i (1 -xAopt = FR xAopt -FR 反应器尺寸 : V R = FR kv Cn - Ao (1 xAoptn 产品成本 : ＄t/ FR= V R＄m+ FR＄A+ FAi(1 -xAopt＄r FR 对于复合反应可作类似分析。
图 1未反应物回收循环的单级全混流釜式反应器系统 4多级串联全混流釜式反应器的最优中间反应率 4. 1两个不同尺寸全混流釜式反应器串联的最优中间反应率串联示意见图 2。
这是一个在给定最终反应率条件下两个不同尺寸的全混流釜式反应器串联的最小尺寸问题 ,即确定最优中间反应率 ,使反应器总尺寸为最小 [3]。
由图 2可知 ,当矩形 KL MN面积较大时所需的反应器尺寸较小 ,矩形面积最大应满足的条件为 : 11 1 d r1 r2 r1 = (11 d x A1 xA1 -x A0 ·10·化学工业与工程技术2000年第 21卷第 1期图2不同大小的两个全混釜串联这一条件表明,当M点处动力学曲线的切线斜率与矩形的对角线NL的斜率相等时,反应器总尺寸最小,据此即可确定其最优中间反应率和反应 E2时,竞争反应的瞬时选性及连串反应目的产物 Q的收率随温度的升高而增加,故应选择较高的操作温度,以提高目的产物Q的瞬时选择性、收率和反应器的生产强度;当E1 < E2时,虽低温操作可提高瞬时选择性和收率,但生产强度却不高,故应以经济收益为目标,选择适宜的折中操作温度。
6结语 (1本文提出了全混流釜式反应器的控制策略。
以操作费用为控制目标,以反应率为控制因素,研究了全混流釜式反应器的最优操作方案。
以目的产物瞬时选择性或收率及生产强度为目标,分析了全混流釜式反应器的适宜操作温度。
(2本文采用数学模型方法,以不同控制策略对全混流釜式反应器单因素最优操作方案的研究结果,可指导反应过程的开发设计,具有可靠性强、开发周期短等特点。
符号说明 A 1 , A 2 ———反应速率常数指前因子 CA、CA0 ———反应组份A的浓度和初始浓度,kmol/ m3 E1 , E2 ———化学反应活化能,kJ/ kmol FA0 ———反应组份A的初始摩尔速率,kmol/ h FR , FQ ———反应产物R及Q的输出速率,kmol/ h k ———化学反应速率常数 m , n ———反应级数 Rg ———气体常数,J/ mol·K T ———反应温度, K V R ———反应器的反应体积,m 3 xA ———组分A的反应率 YQA ———目的产物Q的收率ΦQA ———目的产物Q的瞬时选择性＄t ———反应系统操作总费用,＄/ h＄m ———反应器费用(包括设备费、操作费、管理费、折旧费 , ＄/ m3·h＄A ———初始浓度为CA0的反应物A的消耗费用,＄/ kmol＄r ———未反应物A的回收费用,＄/ kmol 器适宜大小比率。
需要出的是指,满足使矩形面积最大的点取决于动力学曲线的形状 ,可能出现多个点 ,但总可找到一个恰当的点使得矩形面积最大。
4. 2多级串联全混流釜式反应器的最优中间反应率对于多级串联全混流釜式反应器 ,在釜数和最终反应率已有规定的情况下 ,各级中间反应率存在最优分配 ,使得反应器总尺寸为最小。
多级串联全混流反应器总体积为 : 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 ++ . + (12 ri +1 rm 据此得到反应器总尺寸最小所须遵循的条件 : 1 11 9 ri ,i = 1 ,2 , ..,m -1 -=(xi-xi-1 ri +1 ri 9 xi (13 由此条件采用解析法或图解法 ,即可确定各级中间最优反应率。
5全混流釜式反应器的适宜操作温度在全混流反应器中进行竞争反应 1Q, rQ= k1 CA m A2,则目的产物 Q的瞬时选择性 S, rs= k2 CA n 为[4] : 1 (14 ΦQA = A2 E1 -E2 -m -m Cn 1+ exp A0 (1-xA n A1 Rg T 1 在全混流反应器中进行连串一级反应 AQ 2 S,则目的产物Q的收率为 : xA(1 -xA (15 YQA = A2 E1 -E2 exp ·xA + (1-xA A1 Rg T 由此可见 ,当反应率一定时 ,竞争反应的瞬时选择性及连串反应目的产物 Q的收率随温度变化情况 ,与主副反应活化能的相对大小有关[5]。
当 E1= E2时 ,虽然竞争反应的瞬时选择性及连串反应目的产物 Q的收率与温度无关 ,但实际生产中仍应选择较高的操作温度以提高反应器生强度产;当 E1> 王国军等全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案 ·11·参考文献 1984 :84 [1] Levenspiel O. Chemical Reaction Engineering. 2nd Edi2 [4]中国化工学会教育工作委员会 .化学工程 [M].北京 : tion[M] .JohnWileyNew York,1972.130～132 化学工业出版社 ,1991 :190 [2]李绍芬 .反应工程 [M].北京 :化学工业出版社 ,1990: [5]王国军 ,熊洁羽 .第八届全国化学工程论文集 [C].北 136 京 :中国化工学会化学工程专业委员会 ,1996 : 963～ [3]陈甘棠 .化学反应工程 [ M].北京 :化学工业出版社 , 966 简讯化学学科国家重点实验室、部门开放实验室评估结果 1999年化学学科国家重点实验室、部门开放实验室评估结果近日揭晓。