连串—平行及连串反应的等温优化.doc

毕毕 业业 论论 文文题题 目：连串目：连串——平行及连串反应的等温优化平行及连串反应的等温优化学学 院：院： 物理与化学学院物理与化学学院西华大学本科毕业论文2目目 录录摘 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摘摘 要要在精细化工生产中，以复杂反应系统为特征的、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：关键词：连串-平行反应 连串反应 等温反应时间间隔 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 purity products,It is essential to optimize operating conditions，taking into account constrains and reation’s 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 type 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 on the basis of the characteristics of the studied reaction. The second computing example’s method proposed by myself compared with Pontryagin maximum principle was relatively simple. By Increasing the number of isothermal subintervals of reaction time, I’m sure the optimal results can approach to Pontryagin maximum principle’s 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前前 言言连串(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 1 等温优化计算实例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(NH3/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+ PODIPA 1k （1）DIPA+ POTIPA 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6简记为： 1MIPA MIPAMIPAPOdcrk ccdt 1 1 1 2=dck c cdt－（3） 简记为： 12PO POMIPAPODIPAPOdcrk cck ccdt 2 1 1 222 3=dck c ck c cdt－（4）简记为： 12DIPA DIPAMIPAPODIPAPOdcrk cck ccdt3 1 1 222 3=dck c ck c cdt（5）其中：123,,MIPAPODIPAcccccc初始条件： 101102022030330(0)(0),(0)(0),(0)(0)c tccc tccc tcc（6）4 121 119.141 107.967 10 expexpaEkARTRT（7）单位为：1A311mindmmol4 122 229.130 104.682 10 expexpaEkARTRT（8）单位为：2A311mindmmol适用范围：MIPA 与PO 的摩尔比在1：1~ 1：3, 反应温度在30~70℃ 的实验数据作为拟合样本的，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ｃ：表示体积摩尔浓度， 3mol dmA1：表示反应（1） 的指前因子，311mindmmolA2：表示反应（2） 的指前因子，311mindmmol：表示反应（1） 的活化能， 1aE1J mol西华大学本科毕业论文7：表示反应（2） 的活化能，2aE1J molR：表示通用气体常数， 8. 31411J molKT：表示温度，K这样得状态方程（浓度或质量平衡方程）：1 1 1 22 1 1 222 33 1 1 222 3110220330==(0),(0),(0)dck c cdt dck c ck c cdt dck c ck c cdt cccccc     －－初始条件：（9）1.11.1 等温优化结果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，333 110220330(0)3,(0)5,(0)0ccmol dmccmol dmccmol dm使得目的产物 B 的浓度（以下以表示）最大的最佳反应温度。

2c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123ccct，，图 1，反应时间 250min，才接近最大值，以后反而下降，见图 23c西华大学本科毕业论文805010015020025030035040045050000.511.522.533.544.55reaction time/minc1,c2 andc3/mol/dm3c1c2c3c10=3mol/dm3 c20=5mol/dm3℃ ℃ ℃ ℃ 30℃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05010015020025030035040045050000.20.40.60.811.21.4reaction time/minc3/(mol/dm3)c1。