1、 毕 业 论 文题 目：连串平行及连串反应的等温优化学 院： 物理与化学学院年级、专业： 2009 级、化学学 生： 黄芮学 号： 312009070301236指 导 教 师 ： 彭昌荣 完 成 日 期 ： 2013 年 5 月 20 日西华大学本科毕业论文2目 录摘 要 .3Abstract .4前 言 .51 等温优化计算实例 .51.1 等温优化结果 .72 非等温优化计算实例 .122.1 对该反应作等温搜索的计算结果 .153 结果与讨论 .16总结与体会 .18谢 辞 .19参考文献 .20附 MATLAB 程序 .21西华大学本科毕业论文3摘 要在精细化工生产中，以复杂反应系统
2、为特征的、能生成不希望的最终产物的连串- 平行反应或连串反应是俯拾皆是的，而这一类反应的目标又常常是希望获得高质量和高纯度的产品，根据反应的特点和约束条件，进行操作条件的优化是必要的。本文首先对一个连串-平行反应实例的操作条件进行了等温优化并编写了相应的 Matlab 程序；其次对一个经典的连串反应的温度控制问题，采用各间隔反应时间内等温的方法进行了目标产物浓度最大问题的优化并编写了相应的Matlab 程序；第二个计算实例中提供的优化算法比庞特里亚金极大值原理要简单的多，尽管其优化的温度分布是次优的，但是，可以通过改变程序中间隔反应时间的数目来逼近最优。关键词：连串-平行反应 连串反应 等温反
3、应时间间隔 庞特里亚金极大值原理西华大学本科毕业论文4AbstractConsecutive-parallel or consecutive reaction is still widely used in fine chemical production which is characterized by quite complex reaction system which can produce undesirable end products. As the aim of the fine chemical industry is to produce high quality and
4、 purity products,It is essential to optimize operating conditions， taking into account constrains and reations characteristics. In this work, the first part of this paper dealed with the optimal isothermal operating conditions of a consecutive-parallel and the corresponding Matlab program for this t
5、ype of reaction was programmed. Then the optimal temperature profile of a classical consecutive, taking into account the mximum concentration of objective product, and the corresponding Matlab program for this type of reaction were carried out by the several isothermal subintervals of reaction time
6、on the basis of the characteristics of the studied reaction. The second computing examples method proposed by myself compared with Pontryagin maximum principle was relatively simple. By Increasing the number of isothermal subintervals of reaction time, Im sure the optimal results can approach to Pon
7、tryagin maximum principles computing results.Keywords: Consecutive-parallel reaction; Consecutive reaction; Isothermal subintervals of reaction time;Pontryagin maximum principle.西华大学本科毕业论文5前 言连串(平行 )反应是反应产物可以进一步反应生成其他产物的反应, 它是化学工业中常见的一类复杂反应 1,2。如氯化苯合成、烷基苯合成、以硝基苯为原料的对氨基苯酚的电解合成等均属于此类反应 3。在实际工艺生产中, 未反应
8、的原料总是要回收利用。 连串反应工艺优化的基本目标是使消耗的原料尽可能多的得到目的产物根据优化的具体目标不同, 有不同的优化处理方法，连串反应优化问题有 4,5：等温优化，即给定反应时间，优化反应温度。非等温优化 6、最佳进料比优化以及成本最低优化法 7。本文讨论给定反应时间，要求目的产物浓度最大时优化反应温度，即求出反应温度与反应时间的对应（数值）关系。1 等温优化计算实例采用氨( ) 与环氧丙烷(PO) 为原料, 以高氨环比(NH 3/PO) 先选择性制备3NH一异丙醇胺(MIPA), 再由MIPA 与PO 合成二异丙醇胺( DIPA) 是最近发展起来的新工艺 8 , 它与传统的生产工艺相
9、比能有效地提高DIPA 的生产选择性, 降低副产三异丙醇胺( TIPA) 的生成。蒋旭峰 , 曾崇余 , 任晓乾等研究了由一异丙醇胺合成二异丙醇胺的反应规律 9,10 , 在文献 9,10的基础上对该反应进行了动力学方程方面初步研究, 为工业化放大提供基础数据 11，得出MIPA与PO的反应为一连串- 平行反应（consecutive-parallel or consecutive-competitive reaction）， 如下所示：MIPA+ PO DIPA 1k（1）DIPA+ PO TIPA 2k（2）体系中各组分反应级数均为一级，体系中各组份的反应速度可表示为：西华大学本科毕业论文
10、6简记为： 1MIPAIPAIPOdcrkct112=dckt（3） 简记为： 12POMIPAODIPAOrdt2123ckdt（4）简记为： 12DIPAI IPODIAPOcrkckct 3123=t（5）其中： 123,MIPAIPAc初始条件： 010220330()(,()(,()(tctctc（6）412 11 19.7.9expexpaEk ARTRT（7）单位为：1A31mindol412 22 29.04.680expexpaEk ARTRT（8）单位为：2A31indol适用范围：MIPA 与PO 的摩尔比在1：1 1：3, 反应温度在3070 的实验数据作为拟合样本的，
11、经检验，实验值与模型计算值能较好地吻合， 其相对偏差小于6% ， 说明该动力学方程是可靠的。其中，PO：表示环氧丙烷；MIPA：表示一异丙醇胺；DIPA ：表示二异丙醇胺；TIPA：表示三异丙醇胺。：表示体积摩尔浓度， 。3moldA1：表示反应（1） 的指前因子， 。1minolA2：表示反应（2） 的指前因子， 。3：表示反应（1） 的活化能， 。aE1Jl西华大学本科毕业论文7：表示反应（2） 的活化能， 。aE1JmolR：表示通用气体常数， 8. 314 。KT：表示温度，K。这样得状态方程（浓度或质量平衡方程）：11223312102030=(),(),()dcktcdcktcc初
12、 始 条 件 ：（9）1.1 等温优化结果优化参数为给定反应物初始浓度条件下的温度（温度区间20 70）和反应时间，在反应物初始浓度条件为:的条件下，3 3 31020 30(),()5,()cmoldcmoldcmold使得目的产物 B 的浓度（以下以 表示）最大的最佳反应温度。2式（9）是一个一阶常微分方程的初值问题，在计算机普及的今天，有好几种数学软件可以求解此类问题 12，本文应用 MATLAB 来解此类问题，编程和作图都相对简单。若反应温度为 30，反应时间 500min，通过计算得 的分布见123ct， ，图 1，反应时间 250min， 才接近最大值，以后反而下降，见图 2。3c
13、西华大学本科毕业论文80 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50000.511.522.533.544.55reaction time/minc1,c2 andc3/mol/dm3c1c2c3c10=3mol/dm3c20=5mol/dm330图1 反应温度30，反应时间500min时系统中各组分浓度-时间分布0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50000.20.40.60.811.21.4reaction time/minc3/(mol/dm3)c10=3mol/dm3c20=5mol/dm330图2 反应温度30，反
14、应时间500min时 浓度-时间分布3c若反应温度为 50，反应时间 40min， 的分布见图 3，反应时12t， ，间 30min， 才接近最大值，以后反而下降，见图 4。可见反应温度的提高使得3c西华大学本科毕业论文9反应时间大大缩短，而 都接近 1.43maxc3oldm0 5 10 15 20 25 30 35 4000.511.522.533.544.55reaction time/minc1, c2and c3/mol/dm3c1c2c3c10=3mol/dm3c20=5mol/dm350图3 反应温度50，反应时间40min时系统中各组分浓度-时间分布0 5 10 15 20 2
15、5 30 35 4000.20.40.60.811.21.4c3/(mol/dm3)reaction time/minc10=3mol/dm3c20=5mol/dm350图4 反应温度50，反应时间40min时 浓度-时间分布3c若反应温度为 60，反应时间 40min， 的分布见图 5，反应时间t西华大学本科毕业论文1010min， 接近最大值，以后反而下降。可见反应温度的提高使得反应时间大大3c缩短，而 都接近 1.4 ，所以，优化温度可以取 60，达到 的max3oldm 3maxc反应时间不会超过 10min。0 5 10 15 20 25 30 35 4000.20.40.60.81
16、1.21.4c3/(mol/dm3)reaction time/minc10=3mol/dm3c20=5mol/dm360图5 反应温度60，反应时间40min时 浓度-时间分布3c若取反应时间为 10min，可以计算各反应温度下的 最大值 ， 与反3maxca应温度 T()的关系即 的分布见图 6，由图 6 可见反应时间 10min，温度3maxcT大于 60以后提高温度对增加 效果甚微。于是该初始浓度条件下的优化温度3可以取 60，反应时间取 10min，而 都接近 1.4 ，所以，优化温度maxc3old可以取 60，达到 的反应时间不会超过 10min。反应温度 60，反应时间3maxc10min 时系统各组分浓度分布见图 7， 最大值 。其余初3 33ax1.89ml始浓度条件下的优化温度和反应时间的优化仿此。
