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β—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—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(CSTR)和平推流反应器(PFR)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CSTR或PFR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CSTR区、PFR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β—氨基丙酸的合