简单水溶液在管式反应器的冷却优化范文

摘要：在化工生产中，管式反应器是经常使用且更适合大规模化工生产的装置。一般情况下，管式反应器的温度控制涉及的内容比较复杂，在不考虑催化剂活性调节和优化反应器设计及优化操作参数的这些不容易在短期内获得有效优化数据的情形下，通过计算机进行冷却优化模拟无疑是最快的办法了。工业生产的实践表明，在需要中途冷却的传导式的反应中，如果冷却不好会严重影响产品的质量进而造成巨大的损失。文章模拟了以水为溶剂，在一个非等温管式反应器中发生的连续反应。通过优化算法来找到最佳温度条件，得到最大产率，同时尽量减少副反应产物，为管式反应器进行相应的反应提供了温度控制的理论依据。

关键词：温度控制；冷却；优化

理论上讲，混合流体在管式反应器中进行化学反应时，最左端的反应物浓度在整个流程中最高，此处反应较为迅速，随之而来的热效应也最多。随着时间的推移，反应的推进，反应物的浓度逐渐降低，化学反应产生的热也逐渐减少，这样整个反应容器的温度会有明显的区域性分布。从微观上看，高浓度区域的不稳定高温使得非平衡相变随时可能发生，具体体现在反应物浓度不随空间路径线性地均匀下降，生成物浓度也不随空间路径均匀地增大。这样就很难确定哪个位置是化学反应进行的最佳区域。不妨从一个新的角度来看待这一变化：将化学反应看做是从不同层次上进行的。从微观角度来说，将整段流线分割成一定的线元，由于选择的模型长度有限，因而也将线元分成有限段数。这个动态的化学反应从左端到右端的能量无法用连续性来衡量，因此定义态矢量q，同时我们假定态矢量是空间坐标x的函数。微观上对总系统的描述为：q=q(x,t)(1)这样我们就可以假定q服从下面形式的演化方程：Q′=N(q,α)+F(t)(2)其中N是q的非线性函数，可以含有微分算符。F是反应能量的涨落。2.2模型稳定性分析及动力学方程设初始值α0，他所包含的内容为：固定的催化剂和固定的操作参数。因此满足方程q=N(q,α0)(3)当控制参数变化时，反应已经使状态发生了变化，记为α:q=q0+w(q0随α平滑地变化)代入(1)得

1概述

在现代化工业生产中，管式反应器是非常普遍的化工生产装备。管式反应器主要应用于气相或液相且发热效能较大的反应。它结构相对简单，比表面积相对较大，反应效率较高且能承受较高的反应压力，对连续的气相或液相反应尤为适用。在大规模的组件组成的反应系统中，大型管式反应器在易于操作的优点下还具有保养和维护方便的特征。使用管式反应器的核心是实现温控，使反应尽可能向利于产物生成的方向发展，进而实现产量的提升。文献[1]通过模拟得到了管式反应器的临界热点温度。文献[2]为热点温度的控制提出了一种方法。陕西兴化集团将大型的管式反应器应用于25万t/a的硝酸铵生产制造[3]。中国石化的万里平在大型列管式反应器的设计中采用了多孔板。文献[4]用矩量法对高压聚乙烯管式反应其进行了模拟，结果与生产实践的数据大体符合，但不具有太多普遍性的意义。因为在高压条件下热传导系数是需要修正的，而在文中并未作出修正。

2建模及模型稳定性分析

2.1建模任何一种比较切合实际的全局优化方法必须具备两个条件：解为全局最优解和算法的收敛速度尽可能地快[4]。取管式反应器中任意长度为2m的一条线段为研究对象，设定比热率为1，常压热熔为Cp(T[1/K]),单位为J/(kg*K)；密度：rho(T[1/K])，单位为：kg/m3；导热系数：k(T[1/K])，单位为W/(m*K)。设定，动力粘度为eta(T[1/K])[Pa*s]，电导率为5.5×10-6S/m，导热系数为k(T[1/K])[W/(m*K)，声速为cs(T[1/K])[m/s]。假设反应物质为A、B、C和H2O，反应从左端开始右端结束。q′0+w′=N(q0+w,α)(4若w为无穷小量，则可以将方程右边展开成关于w的幂级数保留前两项有q′0+w′=N(q,α0)+L(q0)w，等相相消可得w′=L(q0w，这一微分方程的一般解可写为W(t)=eλtV(λ>0)(5对所有域，进行有限元表达，可得到如下表达式(6从左端到右端化学反应的过程为：A=>B和B=>C。在A=>B过程中，设定A和B的温度下限为300K，温度中限为1000K，温度上限为5000K。在B=>C过程中，C与A和B有同样的温度限制因此，A、B、C均满足方程∇·(-Di∇cj)+U·∇cj=Ri和Ni=-Di∇cj+Ucj=Ri其中c为摩尔浓度，D为扩散系数。不考虑端点时，有-n·Ni=0。因为系统处于非平衡状态，所以把总系统分为许多准平衡状态。又由于分割后的子系统有其局域宏观量，故而这些局域宏观量仍可以满足各化学热动力方程。考虑端点时，即系统的起点区域必须设定相应的边界值或必须在有所定义的情形下才能开始计算，那么就有在左侧端点(或叫左侧边界)处A的摩尔浓度设定为cA且恒定，这样就可以确定出一种关系-cj=c0j。对模型进行全局优化，可得方程：AcρCρμ·∇T+∇·q=AcQ+q0+AcQρ+AcQvd(7以上方程中Ac为频率因数。

3结果及结论

经计算，形成了以下几个基本结论：3.1浓度随位置的变化由图1可见当反应在最左端开始时，A的初态温度最高为700k左右，B、C的温度较低。随着时间的推移和考察距离的延长，A的摩尔浓度急剧下降，B和C的摩尔浓度快速上升，在0.5m前后反应最为集中，在1m的距离以后，A和B的浓度趋于稳定，生成物C则以稳定的速率上升，说明此时的化学反应达到了平衡状态。由此可见该模拟实现了稳定生成目标产物的目的，对于后续工厂的连续化放大化反应具有理论的指导意义。3.2反应速率通过图2可见，反应1和反应2的化学反应速率起初随位置的变化特别明显。反应1在我们所研究的区域中起初位置反应速率最高，随着研究距离的位置的逐渐增加反应速率迅速降低，在距离研究的起始位置约0.5m左右化学反应速率趋于稳定，也就是达到了平衡状态。对于反应2它的反应速率随位置变化相比反应1来说较平稳，起初反应2的化学反应速率为0，随着距离的增加反应2的化学反应速率呈现先增加后缓慢趋向于恒定的变化趋势。在距离研究位置约0.5m位置时反应速率达到了平衡状态。3.3冷却过程中反应器与冷却夹套的温度变化如图3可见，冷却过程中水平管式反应器的温度在下降，冷凝套管的温度以近似直线形式上升。反应器的温度开始时下降的速率很快随后则变化的幅度开始变小，冷凝套管的温度在2m的空间线度上上升的温度不足10k。图像显示了冷却过程的顺利进行，整体情况与工业生产的实际情况比较切合。由图可见事件趋势在靠后的位置附近，反应器和冷却设备的温度趋于一致。(由于管式反应器的体积巨大，所以两者的温度绝对不会相等)。经一系列的计算获得的结论和实际情况对比可的结果：反应器的温度和冷凝夹套的温度趋于345k附近，即该类反应的最优稳定温度约为345k。

参考文献：

[1]胡述好.管式反应器反应失控的CFD技术分析[D].沈阳：东北大学，2008.

[2]肖建良，万双华，等.列管式反应器温度控制方法[J].广州化工，2013,41(2):120-121.

[3]魏有福，宁海峰，等.25万t/a硝酸铵装置建设及生产运行情况技术总结[J].化肥设计，2014(2):37-40.

[4]万里平.ASME.2多孔板弹性分析方法在大型列管式反应器设计中的应用[J].石油化工设备技术，2019,40(3):1-6.

作者：赵玉英 单位：朔州师范高等专科学校