全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案

1、·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

2、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

3、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 Rm+ FA0A = 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 ·

4、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 Rm F+ RFA0A 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 Rm+ FA0A FQ( k1 +k2 ·FQ = k1 CA0

5、(1 + xA ·m+ k1 xA ·A (3 据此得到最优反应率 : ( k1 +k2CA0A-( k1 +k2CA0Am x Aopt = ( k1 +k2CA0A-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 Rm F+ Q F

6、A0A 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

7、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 Rm F+ Q FA0A 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/k

8、1 -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 Rm+ FA0A+ FA i(1 -xAr = kv Cn FR xA n ·m+ FRAA0 (1 + 1- xA xA FR

9、83;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 Rm+ FRA+ FA i(1 -xAoptr 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

10、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

11、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

12、 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 QA 目的产物Q的瞬时选择性 t 反应系统操作总费用,/ hm 反应器费用(包括设备费、操作费、管理费、折旧费 , / m3·hA 初始浓度为CA0的反应

13、物A的消耗费用,/ kmolr 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 + . +

14、(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 QA = 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

15、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

16、Engineering. 2nd Edi2 4中国化工学会教育工作委员会 .化学工程 M.北京 : tionM .JohnWileyNew York,1972.130132 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。其中,优秀类

17、5个,良好类19 个,不予资助类5个,详见下表。 化学学科国家重点实验室、部门开放实验室评估结果 类别序号名称 承接单位 1固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学 优2金属有机化学开放实验室中科院上海有机化学所 秀3高分子物理联合开放实验室中科院化学所、长春应化所 类 4无机合成与化学制备开放实验室吉林大学 5稀土材料化学与应用国家重点实验室北京大学 1催化基础国家重点实验室中科院大连化物所 2煤转化国家重点实验室中科院山西煤炭化学所 3配位化学国家重点实验室南京大学 4羰基合成和选择氧化国家重点实验室中科院兰州化物所 良5电分析化学开放实验室中科院长春应化所 6元素有机化学国家重点实验室南开

18、大学 7结构化学国家重点实验室中科院福建物质结构所 8聚合物分子工程开放实验室复旦大学 9分子反应动力学国家重点实验室中科院大连化物所、化学所 好 10生命有机化学国家重点实验室中科院上海有机化学所 11化学工程联合国家重点实验室清华大学、天津大学、华东理工大学、浙江大学 12多相反应开放实验室中科院化工冶金所 13应用化学国家重点实验室兰州大学 14有机固体开放实验室中科院化学所 类 15理论化学计算国家重点实验室吉林大学 16稀土化学与物理开放实验室中科院长春应化所 17超分子结构与谱学开放实验室吉林大学 18分子动态与稳态结构国家重点实验室中科院化物所、北京大学 19重质油加工国家重点实

19、验室中国石油天然气集团公司石油大学 1吸附分离功能高分子材料国家重点实验室南开大学 不予 2染料及表面活性剂精细加工合成国家重点实验室大连理工大学 资3胶体与界面化学开放实验室山东大学 助 类 4生命有机分子工程开放实验室北京大学 5一碳化学国家重点实验室天津大学、清华大学 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