《化工工艺学》教案第3章 反应过程和过程优化

第三章反应过程和过程优化

第一节反应过程

化学工业生产过程包括物理过程和化学反应过程，其中化学反应过程往往是生产过程关键。反应过程进行的条件对原料的预处理提出了一定的要求，反应进行的结果决定了反应产物的分离与提纯任务和未反应物的回收利用。一个产品的反应过程的改变将引起整个生产流程的改变。因此，反应过程是化工生产全局中起关键作用的部分。

化学反应过程的分类

1．按化学反应的特性分类

按照反应机理的不同，可以将化学反应分为简单反应和复杂反应两大类。

同一组反应物只生成一种特定生成物的反应叫简单反应，它不存在反应选择性问题。

复杂反应是指由一组特定反应物同时或接续进行几个反应的反应过程。复杂反应的形式很多，主要有平行反应、连串反应、平行一连串反应和共轭反应等。

根据反应的可逆与否，化学反应可分为可逆反应和不可逆反应两类。不可逆反应能进行到底，反应物几乎全部转变为产物。可逆反应则受化学平衡的限制，反应只能进行到一定程度，反应产物需要分离和提纯，未反应物应该回收和循环使用。

从化学动力学的角度，可按反应分子数和反应级数区分化学反应。有单分子反应、双分子反应和个别的三分子反应；有零级反应、一级反应、二级反应和分数级反应等。

根据反应过程的热效应，化学反应可分为吸热反应和放热反应两大类。由于两类反应热特性不同，所以，反应过程要求的温度条件完全不同，使用的反应器类型也不同。

按反应物系的相态，可将化学反应分为均相反应和非均相反应。前者指反应组分(包括反应物、产物和催化剂)在反应过程中始终处于同一相态的反应；后者是指反应组分在反左过程中处于两相或三相状态的反应。

2．按反应过程进行的条件分类．

按照过程的温度条件可将反应过程划分为等温过程、绝热过程和非绝热变温过程。由于反应过程总是伴随着一定的热量变化，并且反应器和外界常有热交换和热损失，所以严格等温过程和绝热过程都是不存在的。如果装置在保温良好的情况下操作，那么过程接近绝热。在某些场合，又分为低温、常温和高温过程。

就压力状况可将反应过程分为常压、负压和加压过程。加压过程根据压力的高低又分高压、中压和低压过程。

根据操作方式的不同，化学反应过程可分为间歇过程、连续过程和半连续过程。这是分类方法中最常用和最重要的一种。

第二节反应器的基本研究

在工业上，实现化学反应的装置称为反应器。化学反应器是化工生产的核心设备，通专应满足下列要求：

(1)反应器要有足够的反应体积，以保证反应物在反应器中有充分的反应时间，达到短定的转化率和产品质量指标：

(2)反应器的结构要保证反应物之间，反应物与催化剂之间的良好接触。

(3)反应器要保证及时有效地输入或引出热量，以使反应过程在最适宜的操作温度T

进行。

(4)反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力，以保证反应过程安全可靠，经济耐用．

(5)反应器要尽量做到易操作、易控制、易制造、易安装、易维护检修。

反应器类型和选型原则

1．反应器类型

由于化学反应种类繁多，性质各异，化学反应器的一个特点是具有相差甚远的构型和尺寸，如窑炉、锅炉、釜、塔、混合器、高炉、回转窑，甚至简单的管子。实现化学反应为其共同点，但特殊性的考虑十分重要。虽难以获得准确的分类方法，但可从影响反应的几个最重要方面大致区分。

按反应中的物相分类，可示意为

按物料流动状态分类，示意为

按操作方式分类，可示意为

按传热特征分类示意为

第八节反应的工艺参数与流程

一、主要工艺参数的确定

在确定了反应器的构型后，还必须正确选择反应器的主要工艺参数，才能使反应器i 作达到理想的技术经济指标。反应器的主要工艺参数包括反应温度或温度序列、反应压

反应物进口组成和空速。这些参数的确定和优化组合，通常需经过系统的工艺试验探j 来，或利用反应动力学模型作多种方案计算，再在工艺试验中加以检验。

1．温度

反应温度是反应工艺的十分重要的参数，确定反应温度，一般考虑下述因素。

(1)反应方程和化学平衡。温度对平衡常数的影响可用Vaflt Hoff方程表示。

式中△H。为标准反应热。例如对放热反应可在反应初期离平衡点较远时，采用高温以提高目的反应速度，到反应中后期接近平衡时，应降低温度以提高平衡转化率，实际上，许多反应连很快，对于放热反应来说，反应过程的温度要害是及时移出反应热，以使反应在一个适量的温度范围内进行。相对来说，需要加热的反应好控制一些。

而吸热反应温度升高使平衡常数增大，平衡转化率提高，应始终保持高温。但亦受多jII 它因素的制约。l

(2)反应特性。Anhenius方程表达了反应速度与温度之间的定量关系。

由上式可见，温度愈高，反应速度愈快。但是，工业上经常遇见的反应大多数伴有各硎平行、串联或平串联副反应，这时，就不能片面追求高温反应速率大，而要根据主、副反剜活化能的相对大小来选择温度：自由基聚合反应则以引发剂的活化温度为反应温度。l

(3)温度的限制条件：对于一些反应过程，温度越高越有利，或者温度越低越有利。叫一如对主反应是可逆吸热反应，且主反应的活化能高于副反应的活化能的过程，温度越高越有利。相反，若主反应是可逆放热反应，且主反应活化能低于副反应的活化能，则应尽可能矧用低温，这时适宜的温度就处于某种限制条件的边界处。

这些限制条件可能是：催化剂使用温度范围的限制；材质使用温度范围的限制；反皇z 和产物的分解，或物态变化温度的限制；反应压力的限制；加热和吸热工艺方案的限制以殳爱备的条件等等。

现将工业上若干常用反应模式的适宜温度序列列于表3—11。

表3—11若干反应模式的适宜温度序列

反应模式反应特性温度序列备注

A —，P

A+一P

A —-S

E3>EI ，E2>E J E3>E 】>E2 E2>El>E3 低温 先低后高 先高后低(高初始温度) l 2

A —'P —’S

E2>E J Ej>E2 先低后高 高温 A —，P

A —S

EI>E2 E2>EI 高温 低温 A —，M —叫?

3+4●

S1 s2 El>E2．E3>E4 E1E4

El>E2，E3

低温 先低后高 先高后低 M 为中间产品

2．压力

反应压力的选择，一般考虑下述因素。

(1)反应方程和化学平衡。对于分子数增加的反应，压力增加将使平衡转化率下降，而 对于分子数减少的反应，压力增加将使平衡转化率增加。

(2)反应速度。对于气相反应，浓度和压力近似成正比关系，因此压力增高，反应速度 加快一对于气液相反应和气液固三相反应，增加压力能增加气相组分在液相中的溶解度，对 提高反应速率也是有利的。

(3)后续分离系统的要求。例如当反应器出口物料进入分离系统后，第一个分离步骤常是将其冷却，产生气液两相后加以分离。若单纯冷却不足以使其产生气液两相就要考虑加压。有时连续的分离过程，有一系列压降，考虑能克服它则应在反应器出口有一定压力等等。

(4)压力的限制因素。主要是设备的费用，运行的可靠性和安全性，还有压力对反应温 受的影响，对原料和产物的影响等等。有时压力得在一个有限的范围内实施。

3．原料配比

对于化学反应A+B>，其进料组成A 和B 的比例是一个需决策的变量。根据化学反 应方程式，可知其投料配比的理论值。

在下列几种情况下使A(或B)过量可能对反应是有利的。

(1)某一反应物要求有很高的转化率可提高其反应速度。若反应的动力学方程式为一，。 =k~AcB ，当反应物组成CA=cB 时，则一rA=kC2，即该反应成为A 的二级反应。若要求A 的转化率为99％He ，反应末期的反应速度仅为反应初期的万分之一，因此应使A 过量以提 高末期的反应速度。

而当某一反应物可能有毒有害或价格昂贵，在反应中当使另一种反应原料过量

(2)反应物和产物分离、若B 和产品P 分离很困难，而反应是可逆反应或者是一 级数大于零，这时可以采用A 气过量的方法提高B 的转化率。

例如苯加氢生成环已烷的反应为可逆反应：

苯的沸点为353．1K ．环已烷为353．9K ，因此用精馏的方法分离是极其困难的，甚至 不可能的。因此苯加氢反应除加压和保持较低的温度外，还采用很高的氢苯比以提高苯转 化率。

又例如用C0和Cl ：生成光气．C0+Cl ：一COCl2。光气是生产二异氰酸酯的原料．要求氯。因此采取使C0过量的措施使原料C12的转化率尽可能接近100％。

有时是原料中某一组分过量时．回收循环比较容易，工艺上好操作，则采取该组分过量：

(3)反应的浓度效应。

如环氧丙烷P0水解生成主产品丙二醇PG和副产品一缩丙二醇DPG的反应：主反应和副反应都是P0的一级反应，加大P0浓度对反应选择性并无益处，因此，采用加大水与环氧丙烷比例的方法提高选择性。

(4)分离循环费用。

若有串联反应A+B—ps，A或B过量都能提高P的选择性，究竟取A过量或B过I 量，视A和B的反应级数、价格和产品分离的难易程度以及循环费用而定。

上述任何一种原料过量带来的利益都是以过量原料的分离和循环为代价的，因此，必需权衡得失，进行参数优化的工作后确定。

4．反应时间和转化率 1

反应器的功能是生产产仕，一般希望增加反应停留时间以求有较高的转化率，但转化幸并非越高越好。对于非零级的化学反应，随着转化率的提高，单位产品所需的反应器体积急第九节反应器优化

反应器最优化的基本概念

反应器的最优化问题可概括地叙述为就是要寻找出既能满足反应器约束条件，又能使反应过程的某些目标(如质量、产量或技术经济指标等)达到最佳结果(如优质、高产、低消耗)，且影响反应的诸因素(如操作条件、设备条件等)的数值为最优点，从而使反应器稳定在该组数值下进行最优化操作，以达到最优反应效果。它通常分为最优化计算和最优化控制两个互相联系的两个独立部分，也就是说，首先通过最优化计算决定最优操作条件，然后进行最优控制，使操作尽可能快地转移到计算出来的新的最优点，并且使过程在任何干扰下仍稳定在此条件下操作。

一般说来，一个反应过程可在由单一反应器组成的系统，也可在由反应器和分离塔系组成的系统中进行。反应过程用状态变量(不独立变量)，控制或操作变量(独立变量)和扰动变量描述。反应器的最优化计算和控制可用计算机，也可以不用计算机。当不用计算机进行最优化计算和控制时，操作人员直接从反应过程取得数据，并把最优化决策直接传输给过程。若采用计算机进行最优化计算和控制，并且操作人员介入到过程和计算机之间，称为开环最

优化。计算机从过程取得有关数据，在计算机上进行最优化，并把计算结果经仪表显示给操

作人员，由操作人员对计算出来的最优化条件作出“是”或“否”的判断。如果判断“是”，则经人工调节，把数据传递给过程，并使过程稳定在这一组条件下操作。否则重新进行新的最优化计算。若把计算机和过程直接联系起来，计算机从过程取得有关数据并进行最优化计算后，经计算机控制直接把最优化计算结果传递给过程，这称为闭环最优化。

(1)反应器开环最优化。在最优化程序中，计算机要进行一系列在线开环最优化计算。最优化计算是为了取得一组新的最优操作条件。把变量

调整到新的最优值并用十分谨慎的调节手段，使过程在

任何外界干扰条件下仍稳定在此条件下操作。

(2)反应器闭环最优化。在反应器开环最优化方案

中，操作人员在系统的一个适当的部位，通过信号加进

他要对系统作出的最优化决策，并在最优化计算终点把

计算结果显示出来，但是它不能自动地将计算结果传递

到过程中去。在闭环最优化方案中，则排除了操作人员

的加入，直接由计算饥将最优化决策传递给过程。当然，

昕要求的决策逻辑应当送进主要程序以便计算机能作出

与操作人员相同的决策。一般它是在预备性过程计算的

终点和在最优化搜索的终点，在最优化结果输入过程之

前编入主要程序中。

图3—63示意闭环最优化和控制的简单框图。在闭环

最优化方案中，过程的控制十分重要，并且还要建立特

殊的调节控制程序，以使变量保持在所要求的范围内。

(3)建立反应器的最优化方案。建立反应器最优化系统，一般要作如下四个方面的工作：

①反应器的分析和模拟。通过反应器的分析和模拟，建立反应器的最优化模型，确定最优化方法，收集和核对最优化所需要的有关数据，并将其贮存于计算机中。同时建立调节控制用的监督程序和事故切断程序。

②有关事故分析和核对过程模型的有效性。根据基础试验和计算机模拟试验导出的模型，应与实际过程进行对比、核算和校正，以便对一些过程参数作相应调整。一般地说，这种调整的工作量不是很大的，因为大幅度调整说明所导出的模型是不准确的。在这种情况下，应着眼于分析模型的正确性。当然在核对模型之前，应对有关数据的有效性进行检查和怍必要的调整。

⑧研究反应器的动态特性以及实现在线开环最优化。为使反应器在最优条件下稳定操作，需要了解反应器在稳态操作时各参数的定量关系。例如，当一个或几个参数发生阶跃变后，反应过程需要多长时间才能达到稳定条件?又如过程的各个参数的测量不是在同一时间进行的，那么完成所要求的静态数据的全部测量，所需的最短时间间隔是多少呢?这些数据并不单纯是自动控制系统设计的依据，同时也是使反应器在最优化条件下操作所必需的。

④把在线开环最优化过渡到闭环最优化。

二、反应器的最优化模型

为了获得反应器的最优化结果，其关键是建立一个正确的反应过程的最优化模型，选择

切实可行的最优化处理方法。一个最优化问题或称最优化模型应该包括这样一些内容：

①要有一个能正确描述反应器特性的数学模型。

②必须给出数学模型的初始状态的值。

③必须给出规定的终止状态。

④必须规定一个性能指标，即确定切实可行的比较准则或称之为目标函数，并且要建

立目标函数与操作参数之问的函数关系。

⑤状态变量和控制变量要加上约束条件。

(1)反应器的数学模型。

用数学模型描述反应器的特性，其主要目的是便于研究和确定反应器的稳态和动态特性，稳态的存在条件及其性质和数目，以便为实现最优化操作和控制提供依据。

对于某些大型的复杂的化工系统，过程的数学模型有时是未知的，或者有一部分是未知的，即只知道状态方程的基本形式，其中的一些参数未知，这样就要通过模拟试验，记录输入和得出的测量值，用适当的数学方法求出数学模型或者数学模型中的未知部分。例如对于一个乏应器，通过对反应过程的理论分析，确定了反应过程的数学模型，然后根据实际生产的需要和口可能，对数学模型作合理的简化。而这样一个模型中仍然有一些系数是未知的，在这个简化模型的基础上，应用计算机进行数学试验或通过对试验装置和生产装置的实测数据作统计分析_干，或者作有计划的因子试验，确定数学模型中各个未知的系数。这是一种很实用的方法。

应该指出，应用计算机对反应过程实行最优设计和最优控制，必须求出一个尽可能简单可又能满足反应工艺要求的精确度的数学模型，并且这一数学模型能与已有的最优化方法联系起来求解。

(2)最优化目标函数。

所谓最优化的目标函数是指事先规定的最优化比较准则，也就是所研究过程要达到的目的的函数表达式。用最优化方法选择最优化条件，首先要求在任意两组条件之间可以比较位劣，而优劣的判别是根据最优化要达到的目标函数决定的。目标函数根据具体情况不同而夸不同的形式，例如它可以要求反应器的原料和产品的综合利用率、设备的利用率、装置的歪济收益、产品的产量指标最大；也可以要求反应器的操作费用、产品成本、原材料的消耗

基本建设投资最小等等。如果以装置的经济收益为最大值作为目标函数，则其函数可写成：

目标函数=产品的总价值一(原材料费用+公用工程费用)

有了目标函数之后，就要使它与反应器的变量关联起来，当然，这种函数关系往往是比较复杂的，有时它不是一个简单的显函数的关系，而是要通过一些简化假定求出。

在确定最优化目标函数时，要注意下列几点：

①一个过程的不同目标之间不是孤立的。

②在确定最优化比较准则时，可能涉及不止一个目标的问题，在多目标的情况下，或用“解决主要问题，并适当兼顾其它要求”的方法处理；或者设法把多个目标化为一个目标的问题。

③目标函数与操作参数有一定的内在联系，受到操作参数的综合影响。有时它们之间的关系是很复杂的，往往要经过多次试差才能得到最优解。

④目标函数实质上是一项经过综合分析后确定的技术经济指标，因此它与不同的国家、不同时期的技术经济政策密切相关。

⑤目标函数中的自变量，有些可能是连续变化的，有些可能是不连续变化的。

(3)最优化约束条件。

约束条件是指求目标函数最优解的限制因素。这种限制因素有反应器本身的约束条件，即反应器的工艺条件、设备条件对反应器最优操作的限制；也有与反应器相关的原料配制和产品分离系统的约束条件对反应器最优操作的限制；还有客观因素如机械设备制造水

平、冶金材料性能、原料供应和产品的需求等等对反应器的最优操作的限制等等。

实际上，约束条件是综合考虑了当前技术水平的各种制约关系后，对各种工艺过程的限制因素所作的折中，它不是固定不变的。在确定最优化操作条件时，不能片面的束缚于原来的约束条件，而应该深入研究反应过程的机理，摸清反应过程的客观规律，设法改变原来的约束条件，扩大最优化的许可范围，使最优值向目标函数更高的数值方向扩展，并在此新的基础上选择新的最优值，使生产向深度和广度进军，不断提高技术水平。

三、最优化方法

建立了最优化模型，只说明我们初步掌握了系统的客观规律，这不是最终目的，一旦我们建立了最优化模型之后，就应该以这一模型为基础，研究各个变量变化时对系统操作的影响，也就是要探索目标函数的变化规律．并采用一定的最优化方法，找到最优条件。按照目标函数的性质，可把最优化问题分为离散最优化和连续最优化问题，如表3—16所示。

若从计算方法来区分，最优化方法可分为间接最优化方法，直接最优化方法和大型问题的分解等三大类。

t (1)间接最优化方法，也称为解析最优化方法。也就是过程的最优化模型可以用数学方程式描述，然后从最优化所要满足的必要条件出发，用数学解析方法，寻找满足必要条件的解，从这样的解中根据间接的实际意义或充分条件找出最优解。这一类方法收敛速度较快，计算程序的结构比较简单。但是要求较好的初值，计算的可靠性较差。

(2)直接最优化方法，也称数值计算方法。如果过程很复杂，最优化模型不能用直接解

析函数描述，对于这种情形，可通过大量试验，构造一类函数来逼近这些试验数据，然后再

从函数求最优解，并通过试验校验。

表3—16最优化问题分解

(3)大型问题的分解法。当最优化问题包含的变量很多，变量的相互关系又比较复杂

，无论是用直接最优化方法还是用间接最优化方法都难以解决。对于这一类问题，目前一

可以采用的比较有效的方法就是将一个大型的最优化问题分解为若干个小型的最优化问题，

而这些小型的最优化问题可以用已知的最优化方法求解，然后再综合求解原来大型的最

大化问题。这种处理复杂最优化问题的方法就是所谓分解法。例如动态规划法，能行状态方

法等。

在化工中最常用的最优化方法有：微分法、变分法、拉格朗日因子法、线性规划法、动

态规划法、最大值原理法和梯度法等。限于篇幅，对各种最优化方法的详细叙述读者

可参阅有关文献。

项目离散最优化问题连续最优化问题

变量独立变量为日f问和一／-或多个空间变量的函数

过程的数学模型对一个独立变量的情况为常微分方程对一个独立变量为常微分方程或积分方

对多于两个独立变量的情况为微分一差程

分方程对多于两个独立变量的情况为偏微分方程或微

分一积分方程

目标函数函数式泛函数

约束条件等式或不等式等式或不等式．微分方程式

近似解法，泛函分析

最优化方法变分法，最大值原理，动态规划法以及其

它直接方法如梯度法、共轭方向法、能行方

向法等

举例釜式反应器，蒸馏、吸收一类多级过程等化学反应器，热交换器等