反应器动态仿真系统开发研究

发布时间：2020-08-28 17:14

　　反应器是化学工业的核心,其效率和稳定操作直接影响反应器的上下游单元。由于许多反应体系复杂、反应条件苛刻,反应器中某些关键参数如反应温度、反应物或者产物浓度分布难以实时测量。此外,实际生产中反应器常会受到外界一些或大或小扰动,这些扰动可能会引起反应器效率降低、偏离正常运行状态,但由于某些复杂反应体系的关键参数无法实时测量致使低效或者偏离状态无法确定,将可能引起整个过程停车、甚至爆炸。若利用反应器可测量的实时数据对其进行动态模拟,以获取反应器内部的关键参数如温度、浓度等实时数据即可有效地识别反应器的运行状态,从而可有效监管复杂的反应体系。当前,化工仿真模拟软件如Aspen Plus、Hysys、PRO Ⅱ等在稳态模拟、化工设计以及优化等方面具有广泛应用。但针对实际过程(尤其复杂反应体系)的在线模拟具有一定的局限性,为此反应器实时仿真系统的开发具有非常重要的意义,本文以反应器动态仿真系统的开发展开讨论。首先,以理想反应器的动态模型为基础分析其求解方法。分析发现:搅拌釜反应器动态模型用常微分方程组描述,较容易求解;而平推流反应器动态模型用偏微分方程组描述,因模型中变量数多于方程数,导致模型方程组无法求解。针对具有气体进料的平推流反应过程的动态模型的求解问题,提出改进解法,以气体状态方程为基础来推导气体组分浓度为其摩尔流量和温度的函数从而增加方程数,以达到其模型方程组可以求解的目的。并将所提出的改进解法与常规解法的模拟结果进行比对,结果显示该改进解法有效地解决了气体进料平推流反应器动态模型的求解问题。其次,介绍动态仿真系统的开发。仿真系统要实现图形化建模、引导用户输入参数、仿真模型的存储与加载、模型求解计算等功能。基于面向对象和模块化编程的思想,将仿真软件分为单元设备、物流线、流程显示、导航、数据管理、模型计算、文件存储模块等七个子模块并对各子模块的设计展开说明。最后,简述所开发的动态仿真系统的应用实例。以皂化反应(全混流反应器,CSTR)、盐酸与辛醇及十二醇混合液反应(进料为液体的平推流反应器,LPFR)及丙酮气相裂解反应(进料为气体的平推流反应器,GPFR)过程的动态模型为对象,利用构建的仿真系统对其进行仿真研究。并将动态模拟模拟结果与文献数据对比,结果显示所开发的系统的有效性。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ052
【部分图文】：

平推流反应器,分割图,偏微分方程组

相对于有限差分法，ＭＯＬ法计算量更小，故首选ＭＯＬ法进行求解。逡逑ＭＯＬ法对偏微分方程组中的空间变量离散化，仅保留时间变量的微分，使逡逑偏微分方程组转为常微分方程组。其离散方式如图２．３所示，整个平推流反应器逡逑１３逡逑

矩形网格,放大图,蛙跳格式

式格式和蛙跳格式等［６９］。一般来说显示格式求解简单，但由于解的稳定性等原因逡逑对时间步长有诸多限制；蛙跳格式为三层格式，求解过程相对复杂。综合考虑解逡逑的稳定性和计算复杂程度，本文选隐式格式作为差分格式。以图２．４（ｂ）中的（／，々）逡逑点为例来说明此差分格式在（／，／ｔ）点处各组分浓度和温度等参数的求解。经网格逡逑划分后，（／，幻点处原模型方程中气体的摩尔流量和温度随空间的导数可用横坐逡逑标轴上相邻两空间点的一阶差分近似如式（２．１７）和式（２．１８）；邋（／，幻点处模型方逡逑程中浓度和温度随时间的导数可用纵坐标轴上相邻两时间点的一阶差分近似如逡逑式（２．１９）和式（２．２０）：逡逑ｍ逦（，ｎ）逡逑ｄＶ逦ＡＶ逦ｖ邋；逡逑ｋ邋ｋ邋ｋ逡逑—＾－邋＝邋－———逦（２．１８）逡逑ｄＶ邋ＡＶ逦Ｋ邋Ｊ逡逑ｄｃ．ｋ邋ｃ．ｋ－ｃｋＡ逡逑十＾邋／邋＝邋１，２，…爪．逦（２．１９）逡逑ａｔ逦Ｍ逡逑ｄＴｋ邋Ｔｋ－Ｔｋ￣］逡逑十＝１邋／逦Ｐ．２０）逡逑ｄｔ邋Ａｔ逡逑式中：逡逑１６逡逑

示意图,三层架构,示意图

图３．１三层架构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｈｒｅｅ－ｔｉｅｒ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ逡逑三层架构如图３．１所示，其中表现层（ＵＩ，也称界面层）是用户可见的操作逡逑界面，用户通过该层与系统进行信息交互。业务逻辑层（ＢＬＬ）处于表现层和数逡逑据访问层之间，起着承上启下的作用，在这一层中制定关于数据的处理规则机制。逡逑数据访问层（ＤＡＬ）所做事务通过Ａｄｏ邋（数据访问技术）直接操作数据库，对数逡逑据库内数据进行增加、删除、更新、查找等［７３】。Ｍｏｄｅｌ层为构造模型，用于存放逡逑２１逡逑

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