基于CSTR的反应器网络综合研究

【摘要】：反应器网络综合问题是过程综合的关键性子课题,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。另外,它与换热网络综合、分离序列综合等其他过程综合的子课题相比起步较晚。因此它不仅是可持续发展的需要,还是实现化工全流程过程综合的瓶颈问题。虽然已有许多学者作了大量的工作,并取得了一定的进展,但由于问题的复杂性,在理论上和应用上仍需要进一步的探讨。本文综述了反应器网络综合的研究进展,并在这一领域开展了研究,主要工作如下: (1) 以反应器系统为主要研究对象,对反应器网络综合问题的分类方法进行了研究。为了降低复杂反应体系综合问题的求解难度,本文在阐述了全混流反应器(Continuous Stirred Tank Reactor—CSTR)对平推流反应器(Plug Flow Reactor—PFR)等常用类型反应器替代性的基础上,以全混流反应器为基本反应器类型,构造了基于CSTR的反应器网络通用模型,并将其表述为仅含有代数方程的非线性规划数学模型。 (2) 分别采用通用代数模型系统(General Algebraic Modeling System—GAMS)和遗传算法对基于CSTR的通用模型的求解方法进行了研究。通过对复杂反应体系的实例研究结果表明,两者都可以得到与文献一致的优化结果。但采用GAMS求解此问题要比采用遗传算法更为方便有效。 (3) 基于PFR和CSTR两种有代表性的反应器类型,构造了一个反应器网络的超结构模型,并将超结构的数学模型表述为代数方程的形式。同时给出了求解此超结构模型的两次优化策略,即首先以较少的CSTR替代PFR,并通过初次优化来确定网络结构;然后以尽可能多的CSTR来逼近PFR,通过再次优化得到问题的最优解。该方法大大减小了问题的规模,从而有效地降低了求解难度。对第Ⅱ类及第Ⅲ类反应体系的实例研究表明,采用本文构造的超结构模型和两次优化策略,可得到与文献相一致或较优的反应器网络结构