簡單水溶液在管式反應器的冷卻優化范文

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摘要：在化工生產中，管式反應器是經常使用且更適合大規模化工生產的裝置。一般情況下，管式反應器的溫度控制涉及的內容比較復雜，在不考慮催化劑活性調節和優化反應器設計及優化操作參數的這些不容易在短期內獲得有效優化數據的情形下，通過計算機進行冷卻優化模擬無疑是最快的辦法了。工業生產的實踐表明，在需要中途冷卻的傳導式的反應中，如果冷卻不好會嚴重影響產品的質量進而造成巨大的損失。文章模擬了以水為溶劑，在一個非等溫管式反應器中發生的連續反應。通過優化算法來找到最佳溫度條件，得到最大產率，同時盡量減少副反應產物，為管式反應器進行相應的反應提供了溫度控制的理論依據。

關鍵詞：溫度控制；冷卻；優化

理論上講，混合流體在管式反應器中進行化學反應時，最左端的反應物濃度在整個流程中最高，此處反應較為迅速，隨之而來的熱效應也最多。隨著時間的推移，反應的推進，反應物的濃度逐漸降低，化學反應產生的熱也逐漸減少，這樣整個反應容器的溫度會有明顯的區域性分布。從微觀上看，高濃度區域的不穩定高溫使得非平衡相變隨時可能發生，具體體現在反應物濃度不隨空間路徑線性地均勻下降，生成物濃度也不隨空間路徑均勻地增大。這樣就很難確定哪個位置是化學反應進行的最佳區域。不妨從一個新的角度來看待這一變化：將化學反應看做是從不同層次上進行的。從微觀角度來說，將整段流線分割成一定的線元，由于選擇的模型長度有限，因而也將線元分成有限段數。這個動態的化學反應從左端到右端的能量無法用連續性來衡量，因此定義態矢量q，同時我們假定態矢量是空間坐標x的函數。微觀上對總系統的描述為：q=q(x,t)(1)這樣我們就可以假定q服從下面形式的演化方程：Q′=N(q,α)+F(t)(2)其中N是q的非線性函數，可以含有微分算符。F是反應能量的漲落。2.2模型穩定性分析及動力學方程設初始值α0，他所包含的內容為：固定的催化劑和固定的操作參數。因此滿足方程q=N(q,α0)(3)當控制參數變化時，反應已經使狀態發生了變化，記為α:q=q0+w(q0隨α平滑地變化)代入(1)得

1概述

在現代化工業生產中，管式反應器是非常普遍的化工生產裝備。管式反應器主要應用于氣相或液相且發熱效能較大的反應。它結構相對簡單，比表面積相對較大，反應效率較高且能承受較高的反應壓力，對連續的氣相或液相反應尤為適用。在大規模的組件組成的反應系統中，大型管式反應器在易于操作的優點下還具有保養和維護方便的特征。使用管式反應器的核心是實現溫控，使反應盡可能向利于產物生成的方向發展，進而實現產量的提升。文獻[1]通過模擬得到了管式反應器的臨界熱點溫度。文獻[2]為熱點溫度的控制提出了一種方法。陜西興化集團將大型的管式反應器應用于25萬t/a的硝酸銨生產制造[3]。中國石化的萬里平在大型列管式反應器的設計中采用了多孔板。文獻[4]用矩量法對高壓聚乙烯管式反應其進行了模擬，結果與生產實踐的數據大體符合，但不具有太多普遍性的意義。因為在高壓條件下熱傳導系數是需要修正的，而在文中并未作出修正。

2建模及模型穩定性分析

2.1建模任何一種比較切合實際的全局優化方法必須具備兩個條件：解為全局最優解和算法的收斂速度盡可能地快[4]。取管式反應器中任意長度為2m的一條線段為研究對象，設定比熱率為1，常壓熱熔為Cp(T[1/K]),單位為J/(kg*K)；密度：rho(T[1/K])，單位為：kg/m3；導熱系數：k(T[1/K])，單位為W/(m*K)。設定，動力粘度為eta(T[1/K])[Pa*s]，電導率為5.5×10-6S/m，導熱系數為k(T[1/K])[W/(m*K)，聲速為cs(T[1/K])[m/s]。假設反應物質為A、B、C和H2O，反應從左端開始右端結束。q′0+w′=N(q0+w,α)(4若w為無窮小量，則可以將方程右邊展開成關于w的冪級數保留前兩項有q′0+w′=N(q,α0)+L(q0)w，等相相消可得w′=L(q0w，這一微分方程的一般解可寫為W(t)=eλtV(λ>0)(5對所有域，進行有限元表達，可得到如下表達式(6從左端到右端化學反應的過程為：A=>B和B=>C。在A=>B過程中，設定A和B的溫度下限為300K，溫度中限為1000K，溫度上限為5000K。在B=>C過程中，C與A和B有同樣的溫度限制因此，A、B、C均滿足方程∇·(-Di∇cj)+U·∇cj=Ri和Ni=-Di∇cj+Ucj=Ri其中c為摩爾濃度，D為擴散系數。不考慮端點時，有-n·Ni=0。因為系統處于非平衡狀態，所以把總系統分為許多準平衡狀態。又由于分割后的子系統有其局域宏觀量，故而這些局域宏觀量仍可以滿足各化學熱動力方程。考慮端點時，即系統的起點區域必須設定相應的邊界值或必須在有所定義的情形下才能開始計算，那么就有在左側端點(或叫左側邊界)處A的摩爾濃度設定為cA且恒定，這樣就可以確定出一種關系-cj=c0j。對模型進行全局優化，可得方程：AcρCρμ·∇T+∇·q=AcQ+q0+AcQρ+AcQvd(7以上方程中Ac為頻率因數。

3結果及結論

經計算，形成了以下幾個基本結論：3.1濃度隨位置的變化由圖1可見當反應在最左端開始時，A的初態溫度最高為700k左右，B、C的溫度較低。隨著時間的推移和考察距離的延長，A的摩爾濃度急劇下降，B和C的摩爾濃度快速上升，在0.5m前后反應最為集中，在1m的距離以后，A和B的濃度趨于穩定，生成物C則以穩定的速率上升，說明此時的化學反應達到了平衡狀態。由此可見該模擬實現了穩定生成目標產物的目的，對于后續工廠的連續化放大化反應具有理論的指導意義。3.2反應速率通過圖2可見，反應1和反應2的化學反應速率起初隨位置的變化特別明顯。反應1在我們所研究的區域中起初位置反應速率最高，隨著研究距離的位置的逐漸增加反應速率迅速降低，在距離研究的起始位置約0.5m左右化學反應速率趨于穩定，也就是達到了平衡狀態。對于反應2它的反應速率隨位置變化相比反應1來說較平穩，起初反應2的化學反應速率為0，隨著距離的增加反應2的化學反應速率呈現先增加后緩慢趨向于恒定的變化趨勢。在距離研究位置約0.5m位置時反應速率達到了平衡狀態。3.3冷卻過程中反應器與冷卻夾套的溫度變化如圖3可見，冷卻過程中水平管式反應器的溫度在下降，冷凝套管的溫度以近似直線形式上升。反應器的溫度開始時下降的速率很快隨后則變化的幅度開始變小，冷凝套管的溫度在2m的空間線度上上升的溫度不足10k。圖像顯示了冷卻過程的順利進行，整體情況與工業生產的實際情況比較切合。由圖可見事件趨勢在靠后的位置附近，反應器和冷卻設備的溫度趨于一致。(由于管式反應器的體積巨大，所以兩者的溫度絕對不會相等)。經一系列的計算獲得的結論和實際情況對比可的結果：反應器的溫度和冷凝夾套的溫度趨于345k附近，即該類反應的最優穩定溫度約為345k。

參考文獻：

[1]胡述好.管式反應器反應失控的CFD技術分析[D].沈陽：東北大學，2008.

[2]肖建良，萬雙華，等.列管式反應器溫度控制方法[J].廣州化工，2013,41(2):120-121.

[3]魏有福，寧海峰，等.25萬t/a硝酸銨裝置建設及生產運行情況技術總結[J].化肥設計，2014(2):37-40.

[4]萬里平.ASME.2多孔板彈性分析方法在大型列管式反應器設計中的應用[J].石油化工設備技術，2019,40(3):1-6.

作者：趙玉英 單位：朔州師范高等?？茖W校