一种动态连续搅拌釜反应器的建模方法及装置与流程

本发明涉及过程控制领域，尤其涉及一种动态连续搅拌釜反应器的建模方法及装置。

背景技术：

反应器模型的设计对反应器的设计、生产操作条件的优化及工艺的改进具有重要影响，因此，建立能准确计算反应速率的动态连续搅拌釜反应器的建模模型意义重大，现有动态连续搅拌釜反应器的建模方法存在计算速度慢、计算精度不高的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种动态连续搅拌釜反应器的建模方法及装置，其能解决现有技术计算速度慢、计算精度不高的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种动态连续搅拌釜反应器的建模方法，包括：

获取反应器内各进料流股的摩尔流量值、各气相出料的摩尔流量值、各液相出料的摩尔流量值、各进料流股的摩尔焓值、各液相出料的摩尔焓值、各气相出料的摩尔焓值、反应器热量值、液相出料流股中各组分的摩尔分数值、气体出料流股中各组分的摩尔分数值、进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值；

获取初始温度值、初始压力值、各反应物质的初始组分及各反应物质的化学计量关系；

根据闪蒸算法计算出反应器中的初始总摩尔数及初始摩尔焓值；

根据所述初始温度值及所述各反应物质的化学计量关系，计算出各反应物质的当前反应速率值；

根据所述初始总摩尔数、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述反应器的总体积值、所述各反应物质的当前反应速率值计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数；

根据所述初始总摩尔数、所述初始摩尔焓值、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述各进料流股的摩尔焓值、所述各液相出料的摩尔焓值、所述各气相出料的摩尔焓值、所述反应器热量值、所述经过预设时间间隔后的总摩尔数计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值；

根据所述初始总摩尔数、所述各反应物质的初始组分、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述液相出料流股中各组分的摩尔分数值、所述气体出料流股中各组分的摩尔分数值、所述进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分；

根据所述经过预设时间间隔后的总摩尔数、所述经过预设时间间隔后的摩尔焓值、所述经过预设时间间隔后的各反应物质的组分计算出经过预设时间间隔后的温度值；

根据所述经过预设时间间隔后的温度值计算出经过预设时间间隔后各反应物质的反应速率值。

优选的，所述根据所述初始温度值及所述各反应物质的化学计量关系，计算出各反应物质的当前反应速率值包括：

根据公式k＝a*exp(-e/r*t)*t^b计算出反应速率r；

根据反应速率r及所述各反应物质的化学计量关系计算出各反应物质的当前反应速率值，其中，k、a、e、b为常量，t为初始温度值，ri为第i个反应物质的反应速率，i为i＝1到nc，nc为反应器中反应物质的个数。

优选的，所述根据所述初始总摩尔数、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述反应器的总体积值、所述各反应物质的当前反应速率值计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数包括：

根据公式mt+δt＝mt+δt*(∑fin-fv-fl+v*σri)计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数，其中，δt为预设时间间隔，mt为初始总摩尔数、fin为各进料流股的摩尔流量值、fv为各气相出料的摩尔流量值、fl为各液相出料的摩尔流量值、v为反应器的总体积值、ri为各反应物质的当前反应速率值，mt+δt为经过预设时间间隔后的总摩尔数。

优选的，所述根据所述初始总摩尔数、所述初始摩尔焓值、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述各进料流股的摩尔焓值、所述各液相出料的摩尔焓值、所述各气相出料的摩尔焓值、所述反应器热量值、所述经过预设时间间隔后的总摩尔数计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值包括：

根据公式

计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值，其中，ht为初始摩尔焓值、hin为各进料流股的摩尔焓值、hl为各液相出料的摩尔焓值、hv为各气相出料的摩尔焓值、q为反应器热量值，ht+δt为经过预设时间间隔后的摩尔焓值。

优选的，所述根据所述初始总摩尔数、所述各反应物质的初始组分、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述液相出料流股中各组分的摩尔分数值、所述气体出料流股中各组分的摩尔分数值、所述进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分包括：

根据公式

计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分，其中，ci(t)为第i个反应物质的初始组分，ci(l)为液相出料流股中各组分的摩尔分数值，ci(v)为气体出料流股中各组分的摩尔分数值，为ci(in)进料流股中各组分的摩尔分数值、ci(t+δt)为经过预设时间间隔后的各反应物质的组分。

本发明还涉及一种动态连续搅拌釜反应器的建模装置，其特征在于，包括：第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块、第四计算模块、第五计算模块、第六计算模块及第七计算模块；

所述第一获取模块，用于获取反应器内各进料流股的摩尔流量值、各气相出料的摩尔流量值、各液相出料的摩尔流量值、各进料流股的摩尔焓值、各液相出料的摩尔焓值、各气相出料的摩尔焓值、反应器热量值、液相出料流股中各组分的摩尔分数值、气体出料流股中各组分的摩尔分数值、进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值；

所述第二获取模块，用于获取初始温度值、初始压力值、各反应物质的初始组分及各反应物质的化学计量关系；

所述第一计算模块，用于根据闪蒸算法计算出反应器中的初始总摩尔数及初始摩尔焓值；

所述第二计算模块，用于根据所述初始温度值及所述各反应物质的化学计量关系，计算出各反应物质的当前反应速率值；

所述第三计算模块，用于根据所述初始总摩尔数、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述反应器的总体积值、所述各反应物质的当前反应速率值计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数；

所述第四计算模块，用于根据所述初始总摩尔数、所述初始摩尔焓值、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述各进料流股的摩尔焓值、所述各液相出料的摩尔焓值、所述各气相出料的摩尔焓值、所述反应器热量值、所述经过预设时间间隔后的总摩尔数计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值；

所述第五计算模块，用于根据所述初始总摩尔数、所述各反应物质的初始组分、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述液相出料流股中各组分的摩尔分数值、所述气体出料流股中各组分的摩尔分数值、所述进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分；

所述第六计算模块，用于根据所述经过预设时间间隔后的总摩尔数、所述经过预设时间间隔后的摩尔焓值、所述经过预设时间间隔后的各反应物质的组分计算出经过预设时间间隔后的温度值；

所述第七计算模块，用于根据所述经过预设时间间隔后的温度值计算出经过预设时间间隔后各反应物质的反应速率值。

优选的，所述第二计算模块，还用于根据公式

k＝a*exp(-e/r*t)*t^b计算出反应速率r；

根据反应速率r及所述各反应物质的化学计量关系计算出各反应物质的当前反应速率值，其中，k、a、e、b为常量，t为初始温度值，ri为第i个反应物质的反应速率，i为i＝1到nc，nc为反应器中反应物质的个数。

优选的，所述第三计算模块，还用于根据公式

mt+δt＝mt+δt*(∑fin-fv-fl+v*σri)计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数，其中，δt为预设时间间隔，mt为初始总摩尔数、fin为各进料流股的摩尔流量值、fv为各气相出料的摩尔流量值、fl为各液相出料的摩尔流量值、v为反应器的总体积值、ri为各反应物质的当前反应速率值，mt+δt为经过预设时间间隔后的总摩尔数。

优选的，所述第四计算模块，还用于根据公式

计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值，其中，ht为初始摩尔焓值、hin为各进料流股的摩尔焓值、hl为各液相出料的摩尔焓值、hv为各气相出料的摩尔焓值、q为反应器热量值，ht+δt为经过预设时间间隔后的摩尔焓值。

优选的，所述第五计算模块，还用于根据公式

计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分，其中，ci(t)为第i个反应物质的初始组分，ci(l)为液相出料流股中各组分的摩尔分数值，ci(v)为气体出料流股中各组分的摩尔分数值，为ci(in)进料流股中各组分的摩尔分数值、ci(t+δt)为经过预设时间间隔后的各反应物质的组分。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过设定初始值，计算出预设时间间隔后反应器中的总摩尔数、摩尔焓值及各反应物质的组分，计算速度快且计算精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的动态连续搅拌釜反应器的建模方法流程图；

图2为本发明实施例提供的动态连续搅拌釜反应器的建模装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的动态连续搅拌釜反应器的建模方法，包括：

步骤s101：获取反应器内各进料流股的摩尔流量值、各气相出料的摩尔流量值、各液相出料的摩尔流量值、各进料流股的摩尔焓值、各液相出料的摩尔焓值、各气相出料的摩尔焓值、反应器热量值、液相出料流股中各组分的摩尔分数值、气体出料流股中各组分的摩尔分数值、进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值。

具体的，反应器模型与其他模型配合使用，上述变量从其他模型计算获取或根据反应物质本身的特性获取。

步骤s102：获取初始温度值、初始压力值、各反应物质的初始组分及各反应物质的化学计量关系。

步骤s103：根据闪蒸算法计算出反应器中的初始总摩尔数及初始摩尔焓值。

具体的，可以设定初始压力和总摩尔数初值，通过闪蒸计算，对反应器进行初始化，得到初始总摩尔数及初始摩尔焓值。所述闪蒸计算为现有技术，在此不再赘述。

步骤s104：根据所述初始温度值及所述各反应物质的化学计量关系，计算出各反应物质的当前反应速率值。

具体的，根据公式k＝a*exp(-e/r*t)*t^b计算出反应速率r；

根据反应速率r及所述各反应物质的化学计量关系计算出各反应物质的当前反应速率值，其中，k、a、e、b为常量，可以选择标准值，也可以重新设定，t为初始温度值，ri为第i个反应物质的反应速率，i为i＝1到nc，nc为反应器中反应物质的个数。以aa+bb＝cc+dd反应为例，a、b、c、d各反应物质的化学计量系数，

步骤s105：根据所述初始总摩尔数、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述反应器的总体积值、所述各反应物质的当前反应速率值计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数。

具体的，根据公式mt+δt＝mt+δt*(∑fin-fv-fl+v*σri)计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数，其中，δt为预设时间间隔，mt为初始总摩尔数、fin为各进料流股的摩尔流量值、fv为各气相出料的摩尔流量值、fl为各液相出料的摩尔流量值、v为反应器的总体积值、ri为各反应物质的当前反应速率值，mt+δt为经过预设时间间隔后的总摩尔数。

步骤s106：根据所述初始总摩尔数、所述初始摩尔焓值、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述各进料流股的摩尔焓值、所述各液相出料的摩尔焓值、所述各气相出料的摩尔焓值、所述反应器热量值、所述经过预设时间间隔后的总摩尔数计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值。

具体的，根据公式

计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值，其中，ht为初始摩尔焓值、hin为各进料流股的摩尔焓值、hl为各液相出料的摩尔焓值、hv为各气相出料的摩尔焓值、q为反应器热量值，ht+δt为经过预设时间间隔后的摩尔焓值。

步骤s107：根据所述初始总摩尔数、所述各反应物质的初始组分、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述液相出料流股中各组分的摩尔分数值、所述气体出料流股中各组分的摩尔分数值、所述进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分。

具体的，根据公式

计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分，其中，ci(t)为第i个反应物质的初始组分，ci(l)为液相出料流股中各组分的摩尔分数值，ci(v)为气体出料流股中各组分的摩尔分数值，为ci(in)进料流股中各组分的摩尔分数值、ci(t+δt)为经过预设时间间隔后的各反应物质的组分。

步骤s108：根据所述经过预设时间间隔后的总摩尔数、所述经过预设时间间隔后的摩尔焓值、所述经过预设时间间隔后的各反应物质的组分计算出经过预设时间间隔后的温度值。

具体的，采用闪蒸算法计算出经过预设时间间隔后的温度值。

步骤s109：根据所述经过预设时间间隔后的温度值计算出经过预设时间间隔后各反应物质的反应速率值。

具体的，反应速率的计算方法与步骤s104相同，根据预设时间间隔后各反应物质的反应速率值，重新计算出经过下一个预设时间间隔后的总摩尔数、摩尔焓值、及各反应物质的组分，不断重复计算，对反应器动态特性进行模拟和分析，从而优化生产。

本发明实施例提供的动态连续搅拌釜反应器的建模方法通过设定初始值，预设时间间隔内通过反应速率动态计算反应器中的总摩尔数、摩尔焓值及各反应物质的组分，计算速度快且计算精度高。

本发明实施例还提供一种动态连续搅拌釜反应器的建模装置，如图2所示，装置包括：

第一获取模块11、第二获取模块12、第一计算模块13、第二计算模块14、第三计算模块15、第四计算模块16、第五计算模块17、第六计算模块18及第七计算模块19；

第一获取模块11，用于获取反应器内各进料流股的摩尔流量值、各气相出料的摩尔流量值、各液相出料的摩尔流量值、各进料流股的摩尔焓值、各液相出料的摩尔焓值、各气相出料的摩尔焓值、反应器热量值、液相出料流股中各组分的摩尔分数值、气体出料流股中各组分的摩尔分数值、进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值；

第二获取模块12，用于获取初始温度值、初始压力值、各反应物质的初始组分及各反应物质的化学计量关系；

第一计算模块13，用于根据闪蒸算法计算出反应器中的初始总摩尔数及初始摩尔焓值；

第二计算模块14，用于根据所述初始温度值及所述各反应物质的化学计量关系，计算出各反应物质的当前反应速率值；

第三计算模块15，用于根据所述初始总摩尔数、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述反应器的总体积值、所述各反应物质的当前反应速率值计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数；

第四计算模块16，用于根据所述初始总摩尔数、所述初始摩尔焓值、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述各进料流股的摩尔焓值、所述各液相出料的摩尔焓值、所述各气相出料的摩尔焓值、所述反应器热量值、所述经过预设时间间隔后的总摩尔数计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值；

第五计算模块17，用于根据所述初始总摩尔数、所述各反应物质的初始组分、所述各进料流股的摩尔流量值、所述各气相出料的摩尔流量值、所述各液相出料的摩尔流量值、所述液相出料流股中各组分的摩尔分数值、所述气体出料流股中各组分的摩尔分数值、所述进料流股中各组分的摩尔分数值、反应器的总体积值计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分；

第六计算模块18，用于根据所述经过预设时间间隔后的总摩尔数、所述经过预设时间间隔后的摩尔焓值、所述经过预设时间间隔后的各反应物质的组分计算出经过预设时间间隔后的温度值；

第七计算模块19，用于根据所述经过预设时间间隔后的温度值计算出经过预设时间间隔后各反应物质的反应速率值。

优选的，第二计算模块14，还用于根据公式

k＝a*exp(-e/r*t)*t^b计算出反应速率r；

根据反应速率r及所述各反应物质的化学计量关系计算出各反应物质的当前反应速率值，其中，k、a、e、b为常量，t为初始温度值，ri为第i个反应物质的反应速率，i为i＝1到nc，nc为反应器中反应物质的个数。

优选的，第三计算模块15，还用于根据公式

mt+δt＝mt+δt*(∑fin-fv-fl+v*σri)计算出经过预设时间间隔后的总摩尔数，其中，δt为预设时间间隔，mt为初始总摩尔数、fin为各进料流股的摩尔流量值、fv为各气相出料的摩尔流量值、fl为各液相出料的摩尔流量值、v为反应器的总体积值、ri为各反应物质的当前反应速率值，mt+δt为经过预设时间间隔后的总摩尔数。

优选的，第四计算模块16，还用于根据公式

计算出经过预设时间间隔后的摩尔焓值，其中，ht为初始摩尔焓值、hin为各进料流股的摩尔焓值、hl为各液相出料的摩尔焓值、hv为各气相出料的摩尔焓值、q为反应器热量值，ht+δt为经过预设时间间隔后的摩尔焓值。

优选的，所述第五计算模块17，还用于根据公式

计算出经过预设时间间隔后的各反应物质的组分，其中，ci(t)为第i个反应物质的初始组分，ci(l)为液相出料流股中各组分的摩尔分数值，ci(v)为气体出料流股中各组分的摩尔分数值，为ci(in)进料流股中各组分的摩尔分数值、ci(t+δt)为经过预设时间间隔后的各反应物质的组分。

本实施例中的装置与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的装置的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供的动态连续搅拌釜反应器的建模方法及装置通过设定初始值，计算出预设时间间隔后反应器中的总摩尔数、摩尔焓值及各反应物质的组分，计算速度快且计算精度高。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。