CN101288078B - 最优化板型敞口反应器中的化学反应的方法 - Google Patents

Abstract

一种最优化板型敞口反应器中化学反应的方法，所述方法包括：在反应器及其换热模型的基础上，对于给定的反应建立反应器的动态模型；对该动态模型运用积分软件工具来求解上面的方程；在评价要实现的目标、要符合的约束条件、以及反应器和/或反应的变量数据的基础上，确定并且最优化反应器的尺度和/或操作参数组；根据所述最优化过的参数组构建所述类型的板型反应器；以及在构建的反应器中进行所述反应期间，测量物理参数来验证其操作。

Description

最优化板型敞口反应器中的化学反应的方法

技术领域

本发明涉及对由一组板构成的板型敞口反应器中的化学反应的最优化，在板间限定了至少一个具有反应室的模块和两个用于循环换热使用流体的侧室。 

背景技术

当前，人们常试图最优化化学反应的运转且改善其产率，所述反应通常在间歇式反应器即不连续工作的反应器中进行，所述反应器包括其中布置确定量的反应物并将其混合到一起，以及随后将其置于为促进反应而最优化的环境条件(压力、温度、pH等)下的容器。 

此类反应器的主要缺点是难以除去反应产生的热量，该热量对反应的控制和最优化产生有限制。 

发明内容

本发明的特别目的是通过最优化敞口反应器，为控制并最优化化学反应提供一种简单且有效的解决方案，该解决方案不会出现不连续反应器或者间歇式反应器的上述缺点。 

为此，本发明提供了一种在反应器中最优化化学反应的方法，所述方法的特征在于它包括： 

·使用使用由以下部分构成的敞口反应器：一组板，在板间限定了至少一个具有反应室的模块，该反应室在两个用于循环换热使用流体的换热侧室之间形成；用于向反应室中加入连续流的一种或多种反应物的装置；以及用于向两个侧室中加入连续流的使用流体的装置； 

·在反应室和所述反应室与用于循环使用流体的侧室之间换热模型的基础上，对于给定的反应建立反应器的动态模型，所述动态模型包括质量平衡和能量平衡方程以及约束方程； 

·对动态模型运用积分软件工具来求解上面的方程； 

·在评价要实现的目标、要符合的约束条件、以及反应器和/或反应的变量数据的基础上，确定并且最优化反应器的一组尺度和/或操作参数； 

·根据所述最优化过的参数组构建所述类型的板型反应器；及 

·在构建的反应器中进行所述反应期间，测量物理参数例如温度和压力来验证其操作。 

通过适当选择在反应室任一侧上循环的使用流体的温度和流速，并且还通过选择这些流体(同流、对流或者交叉流)相对于反应室中反应流体流向的流向，使用包括在两个使用流体循环室之间限定了至少一个反应室的一组板的连续或敞口反应器，可以解决在间歇类型的不连续或者封闭反应器中观察到的散热问题。 

通过提供化学反应的控制参数，并且通过准确地描述反应器内的温度分布，其还可以最优化反应器的尺度或者最佳结构，并且最优化反应器的运转或操作条件。 

通过动态模型化用于所讨论的反应的反应器，并且通过最优化作为要实现的目标和要符合的约束条件函数的反应器尺度和/或操作参数组，可以准确地确定反应器内温度变化的方式，这构成了本发明与最优化不连续反应器中的反应的在先方法之间的本质差异。 

然后，根据预先最优化过的尺度和/或操作参数组构建所述类型的板型反应器，在该反应器中进行化学反应，并进行实验测量物理参数来验证化学反应的最优化。 

本发明的方法在构建反应器后还包括： 

·基于建立的反应器建立反应器新的反应器动态模型； 

·对该新的动态模型运用积分软件工具来求解上面的方程； 

·再次最优化反应器的所述尺度和/或操作参数组；以及 

·如果需要，根据新最优化的参数组修改所述构建的反应器。 

反应器的动态模型包括质量和能量平衡方程以及约束方程，这是反应器和化学反应的特征。 

根据本发明的另一个特征，所述反应室模型包括将所述反应室再分成一系列连续的单独单元，每个单独单元包含彻底搅拌的流体介质。同样通过将其再分成数量等于反应室中单独单元的数量的单独单元来模型化使用流体循环室。 

换热模型化还考虑相对于位于所述反应室单独单元任一侧上的侧室的单独单元中使用流体(同流、对流、交叉流)流向的反应室每个单独单元中流体的流向。模型还包括涉及反应流体、限定了侧换热室的板、以及在侧室中循环的使用流体的热量平衡方程，以及用于各室的单独单元中的使用流体的质量平衡方程。 

每个反应室与入口区和出口区连接，它们与反应室的单独单元相关，并且例如是反应物加料装置和反应室加料点之间的连接部件，以及是反应室出口点和收集反应产物的装置之间的连接部件。当两个反应室串联连接在一起时，第一个室的出口部件与第二个室的入口部件重合。 

有利地，反应器的动态模型包括反应器的入口区和出口区、每个反应室的入口区和出口区、以及反应器各个模块间过渡区的模型。 

所述动态模型还可以使反应室的每个单独单元具有加料点。 

积分软件工具被用来求解构成反应器动态模型的方程系统的这些方程，并且用于模拟称作“反应器状态”的研究的化学反应的反应器行为。 

对于给定的目标和约束条件，通过调整反应器的变量特征来确定并且最优化反应器的尺度参数，所述变量特征包括反应室中的加料点数量、使用流体相对于反应介质的流向、使用流体的特性和分布、反应室的总体积、和/或用于使用流体循环的侧室的体积，并且对于给定的目标和约束条件，通过调整变量反应数据或者操作参数来确定并且最优化反应器的操作参数，该反应数据或者操作参数包括反应介质和使用流体的温度、压力、组成和/或流速。 

所述方法例如包括调整一种或多种反应物向各个单独单元中的加料速率，从而获得更好的反应产率，以及定义操作参数的极限值，从而满足安全性和/或环境约束条件。 

对于均相介质中的化学反应，反应器的动态模型包括由质量平衡、能量平衡、压力平衡和体积约束方程构成的反应器动态模型。这些方程用来限定每个单独单元中的流体介质中的状态和变化。 

为此，认为在具有彻底搅拌的内含物的反应室的单独单元中，特征量(温度、压力、流速、组成等)、物理性质(密度、粘度等)以及物理化学现象(反应、物质转移等)在每个单元中是均匀的，并且对于给定温度而言使用流体的物理性质是均匀且恒定的。 

对于反应介质是连续相和分散相的混合物的两相介质(液-液或者液-气)，以及对于两种可混溶液体的混合物的反应介质中的化学反应，从用于估计反应介质的密度、比热、导热率和粘度的方程、以及用于质量平衡、能量平衡、压力平衡和体积约束的方程来限定在每个单独单元中反应介质的状态和变化。 

认为在具有彻底搅拌的内含物的反应室的单独单元中，特征量(温度、压力、流速、组成)、物理性质(密度、粘度等)以及物理化学现象(反应、物质转移等)在每个单元中是均匀的，所述相的温度和压力是相同的，而反应介质被认为是准均相介质，通过使介质的物理性质能够与每相的性质以及还与其比例相关的关联关系来确定两相的物理性质，而各相的分布假定为在每个单独单元中是均匀的。 

两相平衡规则也可以作为分散相液滴的尺度、存在的相热动力学性质和/或流动条件的函数应用于相混合物。 

Sauter直径使得可以确定分散相液滴的尺度。还可以追踪反应室的各个单独单元的分散相中液滴尺寸的变化。 

可以添加其它模型并且精修反应器的动态模型，例如： 

·基于对反应器各部分中流体停留时间分布的实验研究，模拟反应器的流体动力学行为，限定具有彻底搅拌的内含物的单独单元的数量； 

·基于反应室的每个单独单元中的反应速率、反应组分的产生速率以及热量生成速率的方程的反应模型； 

·在两相介质的物理性质的基础上并且在分散相液滴尺寸的基础上，在两相反应介质间的两相介质中反应的传质(matter transfer)模型； 

·基于限定了侧室的板和在反应室中并且在侧室中循环的流体之间的传热系数，及估计的基于反应流体和使用流体的膜系数的传热模型；以及 

·基于实验测量的反应器中反应流体压力降的模型。 

本发明方法还包括对反应器组件以及反应流体和使用流体的物理性质的估计。 

本发明的方法提供了对于给定的操作条件预测板型反应器行为的优点，并且它还可以对于给定的反应或者一组反应来限定反应器的最优结构或者尺度，以及最优运转条件或操作。该方法还可以描述所述行为随时间的变化，它可以在最优化反应器的控制、研究安全性以及管理非生产瞬变周期方面以多种方式表示这种变化。 

附图说明

通过阅读下面借助于非限制性实施例并且参考附图给出的说明书，本发明的其它优点和特征将会显现出来，其中： 

·图1所示为本发明方法中使用的敞口式板型反应器的分解透视图； 

·图2所示为再分成单独单元的图1反应器的反应室的视图； 

·图3所示为图2反应室的单独单元的视图； 

·图4所示为与两个单独的使用流体循环单元相关的单独反应单元的视图； 

·图5a、5b和5c所示为本发明最优化方法的主要步骤的图； 

·图6和7所示为反应物浓度和流速以及使用流体流速对硫代硫酸钠氧化反应的温度和产率影响的图； 

·图8-10所示为反应物加料点的数量和布置对乙酐水解反应的温度 影响的图；且 

·图11和12所示为多个加料点处反应物加料速率对生成新戊二醇的反应温度和产率影响的图。 

具体实施方式

首先参照图1，图1是包含一组在彼此之间限定了平行室的板20、21、22、23的敞口或连续反应器。板21和22被称为“过渡”板，并且它们之间限定了反应室24，该反应室具有反应物加料点25a和用于一种或多种其它反应物的一个或多个加料点25b，以及反应产物的出口点26。板20和23是绝热板，并且它们与板21和22共同限定了用于循环换热使用流体的左侧室27和右侧室28，每个侧室27、28具有用于使用流体的入口29和出口30。 

在左侧室27中循环的使用流体可以与在右侧室28中循环的流体相同或者不同，常用的使用流体是水或者乙二醇。 

板20、21、22、23的组形成反应模块，并且板20和23用来使其与外部环境或者和与其串联连接的一个或多个反应模块隔热。 

室24、27和28一般配备了限定流体在所述室内的流动通道的装置。例如，反应室24包括形成限制反应介质在反应室29内沿着之字形流路的挡板的插槽，如图1和2中所示。 

通过适当的装置(未显示)连续地给室24、27和28进料。 

在最优的操作条件下，板型反应器的总传热系数可以是每平方米每开尔文2000瓦(W·m^-2·K^-1)-5000W·m^-2·K^-1。例如，通过适当地选择在反应室24任一侧上循环的使用流体的温度和/或流速，以及还通过适当地选择反应室中反应介质的组成、温度和/或流速，和/或通过适当地选择每个侧室中使用流体相对于反应室中反应介质的流向，可以控制反应室24中的温度。如图1中所示，如果使用流体在两个侧室27和28中在与反应介质于反应室24中流动的相同方向上流动，则作为同流；如果它在相反的方向上流动，则作为对流；如果它在一个侧室中在与反应介质相同的 方向流动，而在另一个侧室中在相反的方向流动，则作为交叉流。在本实例中，反应介质和使用流体交叉，因为反应介质沿着之字形流路水平流动，而使用流体竖直流动，但是可以采取任何其它的流动结构，例如平行结构。 

本发明方法的本质特征包括对于给定的反应建立反应器的动态模型。 

通过实验观察停留时间的分布，该模型将反应室再分成每个单元彻底搅拌的单独单元，从而可以分析流动，发现死体积和优选的通道，并且能够表征反应室24中的混合物。 

实验分析停留时间分布使得可通过平均停留时间(t)和方差(σ²)来表征它。基于这些特征，可以估计为了表示真实反应器混合程度和流体动力学所需要的单独单元的数量。举例来说，使用下面的公式计算该数量： 

$N=\frac{{\stackrel{\‾}{t}}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$

实际上，该数值具体取决于反应室24的加料速率和反应介质的速度。包含三个反应模块的板型反应器的单独单元的数量例如对于只由以每小时25升(L·h^-1)速率加入的水组成的反应介质为70，对于以50L·h^-1加入的水为100，对于以80L·h^-1加入的水为130，而对于由以50L·h^-1的速率加入的乙二醇组成的反应介质为25。 

在图1和2的实例中，反应室具有12个单独单元。这12个单独单元沿着反应介质的水平之字形流动，顺序通过反应室24，从所述室24的加料点25a、25b到出口点26标记为1-12。通过反应室24中存在的上述插槽来驱使这种流动。 

该12个单元组成四行，每行3个单元。反应物从单元1的加料点25a进入反应室24中。反应介质水平通过单元1到单元2，然后到单元3，它离开单元3，进入垂直位于其下方的单元4中，然后水平流入单元5和6中。反应介质离开单元6，进入垂直位于其下方的单元7中，然后水平进行单元8和9中。最后，反应介质离开单元9，进入垂直位于其下方的 单元10中，然后水平流入单元11和12，从而借助点26离开反应室24。也可以在第一单元中或者在第一个以外的单独单元中提供用于一种或多种反应物的其它加料点25b。 

在一个变体中，反应介质可以相对于在侧室27和28中流动的使用流体平行地在反应室24中流动。 

相似地，将侧室27和28再分成用于使用流体流动的单独单元，使得每个单独的反应器单元位于两个单独的使用流体流动单元之间。 

在图1中，左侧室27和右侧室28包括单独使用流体流动单元的各自的A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L以及A′、B¹、C、D^！、E′、F^T、G¹、H^！、I′、J′、K′、L′系列。单元字母的字母顺序与单独反应单元增加数量的顺序匹配，而不与左侧的室27中向下、在右侧的室28中向上的使用流体的流动匹配。 

通过将反应室24再分成单独单元，在每个单独反应单元中流动的反应介质就可以确定在两个相应的侧单独单元中流动、通过两个过渡板21和22而限定反应室24的使用流体的热影响。例如，可以通过板21在单独的使用流体流动单元E和单独的反应单元5之间，以及通过板22在单独使用流体流动单元E’和单独反应单元5之间交换热量。 

在图1中所示的实施方案中，通过就在反应介质流体流动反向之前的那些单元即单元来4确定单元5的热特征。相似地，分别通过位于使用流体流动方向中的E和E’前方的单元B和H’确定单元E和E’的热特征。 

将单独反应单元看作连续搅拌的反应器，从而可以使用作为大量单独反应单元数量函数的方程，以数学模型概括出反应器和化学反应的特性和平衡的方程，其中通过下面的表示式给出该数量： 

n＝[单元号]×[每单元的方程号] 

所述数学模型中的方程数量还是使用流体流动室中使用的区域号的函数。术语“使用区”用来表示具有其自身使用流体进料和出口点的使用流体流动室的一部分。因此，具有三个使用区的使用流体流动室给出了 使用流体的三个进料点和三个出口点。然后，通过下面的表示式给出数学模型中的方程数量： 

n＝[单元号]×(每单元的方程号)+(每个区域的方程号)×[使用区的号] 

根据考虑的模型，即均相介质或者两相介质，方程的数量不是相同的，而模型方程的总数量由下面的等式定义： 

·均相模型：) 

n＝[(n_{单元/模块}+3)×n_模块+1]×(16+n_组分)+3×n_区/模块×n_模块

·两相模型 

n＝[(n_{单元/模块}+3)×n_模块+1]×(21+2×n_组分)+3×n_区/模块×n_模块

其中n_组分是化学反应组分的数量，n_模块是反应模块的数量，n_区/模块是每个反应模块中使用区的数量，n_{单元/模块}是每个反应模块中单独单元的数量。 

对于均相或单相介质中的化学反应，特征方程如下，例如： 

·对于反应室的每个单独单元：总质量平衡、组分质量平衡、能量平衡、压力平衡、体积模型、摩尔焓模型、体积约束、摩尔体积模型、热环境的热平衡、过渡板的热平衡、使用流体的热平衡、绝热板的热平衡以及使用流体的质量平衡；以及 

·对于使用流体流中的每个使用区：使用流体温度约束和使用流体流速约束。 

对于两相或者异相介质中的化学反应，特征方程如下，例如： 

·对于反应室的每个单独单元：连续相和分散相的总质量平衡、连续相和分散相的组分质量平衡、连续相和分散相的能量平衡、压力平衡、体积模型、连续相和分散相的摩尔焓模型、连续相和分散相的摩尔体积模型、分散相和连续相的体积约束、热环境的热平衡、过渡板的热平衡、使用流体的热平衡、绝热板的热平衡以及使用流体的质量平衡；以及 

·对于使用流体流中的每个使用区：使用流体温度约束和使用流体流速约束。 

在反应室的动态模型和换热的动态模型基础上得到本发明的动态反应器模型，每个动态模型包含涉及在图3中由矩形图解表示的单独反应单元5的方程。 

箭头32和33分别代表反应介质在反应室24的单独单元5中的流向以及使用流体在侧室27和28的单独侧单元E和E’中的流向，与图1中所示的相反，本实例中两个室27和28中使用流体的流向相对于反应室24中反应介质的流动是同流。 

指标p和u分别用来定义反应介质和使用流体。F_p代表单独单元中反应介质的摩尔流速，并且以每秒的摩尔数(mol·s^-1)给出，T_p和T_u分别是以°K表示的反应介质和使用流体在其单独单元中的温度，H_p是以每摩尔焦耳数(J·mol^-1)表示的单独单元中反应介质的摩尔焓，V_p是以立方米(m³)表示的单独反应室的体积，u_p是单独单元中反应介质的摩尔数，x_p是单独单元中反应物或组分(i)的摩尔分数，上标k-1和k表示单独反应单元的数量(图1和2中所示反应室24的实施方案中的1-12)，或者单独的使用流体流动单元的字母(对于图1中左和右室27和28为A-L及A’-L’)。 

假定反应室24的单独单元具有彻底搅拌的内含物，然后化学反应在可以适用阿累尼乌斯方程的均匀单相液体介质中发生，则所述反应室的动态模型包括下面的方程，例如： 

·单独单元中反应介质的总质量平衡(mol·s^-1)： 

$\frac{{\mathrm{du}}_p^k}{\mathrm{dt}}=F_p^{f,k}+F_p^{k-1}-F_p^k+\mathrm{\Δ}{n}_p^k\×V_p^k$

${\mathrm{\Δn}}_p=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{n}_{p.i},$ ${\mathrm{\Δn}}_{p,i}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{i,j}{r}_j$ 并且 $r_j=k_j^0\exp \left(\frac{E_j^a}{{\mathrm{RT}}^k}\right)\underset{i}{\mathrm{\Π}}{\left(C_{p,i}^k\right)}^{{\mathrm{\β}}_{i,j}};$

·单独单元中反应介质各组分(i)的组分质量平衡(mol·s^-1)： 

$\frac{d(u_p^k\×x_{p,i}^k)}{\mathrm{dt}}=F_p^{f,k}{x}_{p,i}^{f,k}+F_p^{k-1}{x}_{p,i}^{k-1}-F_p^k{x}_{p,i}^k+{\mathrm{\Δn}}_{p,i}^k\×V_p^k;$

·单独单元中反应介质的压力平衡方程(帕斯卡(Pa))： 

$P_p^k=P_p^{k-l}-\mathrm{\Δ}{P}_p^k$

·单独单元中反应介质的体积模型方程(m³)： 

$V_p^k-m{V}_p^k=0,$ $m{V}_p^k=u_p^k\×V_p^{\mathrm{ml},k}$

·单独单元中反应介质的摩尔焓方程(J·mol^-1)： 

$H_p^k-m{H}_p^k=0$

·单独单元中反应介质的体积约束或者摩尔流速方程(m³或mol·s^-1)： 

$F_p^k=0$

在填充所有单独反应单元的阶段期间，然后： 

一旦已经填充了单元； 

其中F^f是mol·s^-1的进料速度，Δn代表生产速度，单位每立方米每秒的摩尔数(mol·m^-3·s^-1)，α是化学计量系数，r是mol·m^-3·s^-1的反应速率， k ⁰ 是指前因子，E^a是J·mol^-1的活化能，R是理想气体常数，C是mol·m^-3的反应物浓度，V是m³的体积，mV和mH分别是模量模型和焓模型(m³和J·mol^-1)，V^ml是摩尔体积，单位每摩尔立方米数(m³·mol^-1)，上标“单元”表示物理单元，上标β是反应级数，下标j是反应的数量，下标i是考虑的成分，t是时间(s)，T是温度(°K)，P是压力，ΔP是压力降低(Pa)，其由下面的方程式定义： 

$\mathrm{\ΔP}=\frac{4\mathrm{fL}}{d_h}\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2$

其中Fanning或摩擦因子f为对于通过片状单独反应单元的反应介质由f＝5.0464Re^-0.5328给出(Reynolds值Re＜2200)，或者对于湍流(Re＞2200)由f＝2.17347Re^-0.42316给出； 

L是反应介质通过反应室24的路径长度，单位米(m)，ρ是反应介质的密度，单位每立方米千克(kg·m^-3)，v是反应介质的速度，单位每秒米(m·s^-1)，而d_h是单独反应单元的等效水力直径，单位米(m)。 

假定板型反应器由一系列连续搅拌的反应器构成，并且使用流体的物理性质在给定温度下是常数且是均匀的，使用流体的动态模型包括下面的方程，例如： 

·使用流体流动的连续性方程(每秒立方米(m·s^-1))： 

·使用流体温度的连续性方程(开(K^-))： 

其中上标“入”和“出”分别表示使用流体流动室的入口和出口，“ncr”表示使用流体流动室中每行单元的单元数(在图1中，ncr对于室27和28等于3)，“nc”表示使用流体流动室中的最后单元(在图1中，室27中的nc表示L，nc-1表示K，并且nc-2表示J，并且在室28中，nc表示A’，nc-1表示B’，并且nc-2表示C’)。 

动态模型还包括单元1中反应物进料装置和进料点25a之间连接部件34(图2)中反应物的行为模型，以及单元12的出口点26和收集反应产物的装置中或者第二反应室中单元的进料点或入口(未显示并且构成第二个反应模块)之间的连接部件35中反应介质的行为模型。因为这些元件的总体积与反应室24的体积相比是不可忽略的，并且可能对化学反应收率有影响，所以当建立板型反应器的模型时考虑连接部件34和35是重要的。此外，在这种连接部件中，限制了与使用流体的热交换。 

多个板型反应器部件对换热有贡献，例如过渡板21、22，使用流体流动室27、28，绝热板20、23，以及反应介质的热环境(反应室24中存在的插槽)。 

单独反应单元中反应器介质的换热模型包括适合于在图4中由矩形图示代表的、由两个板21和22限定的单独反应单元5，以及图1中由板20、21及22、23分别限定的使用流体流动侧单元E、E’的特征方程。箭头32和33分别表示反应介质在反应室24的单独单元5中的流向，以及使用流体在侧室27、28的单独侧单元E、E’中的流向，与图1中所示的相反，使用流体在两个室27、28中的流向相对于反应介质在反应室24中的流动是同流流动。 

单独侧单元中的使用流体的温度取决于使用流体流动方向上前面的单独侧单元的温度，还取决于反应模块中使用区域的存在。因此，该温度可以代表使用流体相对于反应介质的各种流向可想象的所有热结构。 

下标u_L和u_R用来分别表示在左室27和右室28中的使用流体，其它符号具有如上所述的相同意义。 

如果假定过渡板和绝缘热以及使用流体的物理性质在给定的温度下对单独单元是恒定的，并且每块板的温度以壁中部计算，则反应介质换热模型包括下面的方程，例如： 

·单独反应单元中反应介质的能量平衡(单位每秒焦耳(J·s^-1))： 

$\frac{d(u_p^k\×H_p^k)}{\mathrm{dt}}=F_p^{k-1}{H}_p^{k-1}-F_p^k{H}_p^k+\mathrm{\Δ}{q}_p^k\×V_p^k+h_{p,u_L}^k{A}_p^k(T_{u_L}^k-T_p^k)+h_{p,u_R}^k{A}_p^k(T_{u_R}^k-T_p^k)$

$h_{p,u_L}^k=\frac{1}{(\frac{1}{h_{u_L}^k}+\frac{e_{p{u}_L}^k}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{pu}}_L}^k}+\frac{1}{h_p^k})},h_{p,u_R}^k=\frac{1}{(\frac{1}{h_{u_R}^k}+\frac{e_{{\mathrm{pu}}_R}^k}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{pu}}_R}^k}+\frac{1}{h_p^k})},$ $A_p^k=A^{\mathrm{cell}}\×\frac{V_p^k}{V^{\mathrm{cell}}}$

并且 ${\mathrm{\Δq}}_p^k=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\ΔHr}}_j\×r_j^R)$

·左室27的侧单元中使用流体的热量平衡方程(J·s^-1，相同的方程用于右室28中的侧单元)： 

${\mathrm{\ρ}}_{u_L}^k{V}_{u_L}^k{\mathrm{Cp}}_{u_L}^k\frac{{\mathrm{dT}}_{u_L}^k}{\mathrm{dt}}=F_{u_L}^k{\mathrm{\ρ}}_{u_L}^k{\mathrm{Cp}}_{u_L}^k(T_{u_L}^{k-1}-T_{u_L}^k)+h_{u_L.p}^k{A}_p^k(T_p^k-T_{u_L}^k)$

·位于单独反应单元和左室27的侧单元之间的板21的热量平衡方程(J·s^-1，相同的方程用于位于单独反应单元和右室28的侧单元之间的板22)： 

${\mathrm{\ρ}}_{p{u}_L}^k{V}_{p{u}_L}^{k}C{p}_{{\mathrm{pu}}_L}^k\frac{{\mathrm{dT}}_{{\mathrm{pu}}_L}^k}{\mathrm{dt}}=h_{{\mathrm{pu}}_L,p}^k{A}_p^k(T_p^k-T_{{\mathrm{pu}}_L}^k)+h_{{\mathrm{pu}}_L{,u}_L}^k{A}^{\mathrm{cell}}(T_{u_L}^k-T_{{\mathrm{pu}}_L}^k)$

$h_{{\mathrm{pu}}_L,p}^k=\frac{1}{(\frac{e_{{\mathrm{pu}}_L}^k}{{2\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{pu}}_L}^k}+\frac{1}{h_p^k})}$ 并且 $h_{{\mathrm{pu}}_L,u_L}^k=\frac{1}{(\frac{e_{{\mathrm{pu}}_L}^k}{{2\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{pu}}_L}^k}+\frac{1}{h_{u_L}^k})}$

其中F_p和F_u分别代表反应介质的摩尔流速(mol·s^-1)以及使用流体的体积流速(m³·s^-1)，e是限定反应室24的板21、22的厚度(m)，λ是导热率， 单位每秒每米每开焦耳(J·s^-1·m^-1·K^-1)，h是传热系数，单位每秒每平方米每开焦耳(J·s^-1·m^-2·K^-1)，T是温度(K)，C_P是介质的比热，单位每千克每开焦耳(J·kg^-1·K^-1)，ρ是介质的密度(kg·m^-3)，Δq是反应产生的热量(J·m^-3·s^-1)，ΔHr是反应的摩尔热(J·mol^-1)，A是换热面积(m²)，下标pu_L和pu_R分别表示反应室24和左室27间的板21以及反应室24和右室28间的板22。 

用于换热的上述模型扩展至包括板型反应器的热惯性。热惯性模型用来考虑板型反应器各部件的结构和组成。例如，它包括下面的方程，因为考虑各种流体的热环境，所以它与前述方程不同： 

·单独反应单元中反应介质环境的能量平衡方程(单位每秒焦耳(J·s^-1))： 

$\frac{d(u_p^k\×H_p^k)}{\mathrm{dt}}=F_p^{f,k}{H}_p^{f,k}+F_p^{k-1}{H}_p^{k-1}-F_p^k{H}_p^k+\mathrm{\Δ}{q}_p^k\×V_p^k+h_{p,{\mathrm{pu}}_L}^k{A}_p^k(T_{{\mathrm{pu}}_L}^k-T_p^k)$

$+h_{p,{\mathrm{pu}}_R}^k{A}_p^k(T_{{\mathrm{pu}}_R}^k-T_p^k)+h_{p,{\mathrm{te}}_p}^k{A}_p^k(T_{{\mathrm{te}}_p}^k-T_p^k)$

·左室27的侧单元中使用流体环境的热量平衡方程(J·s^-1，相同的方程用于右室28中的侧单元)： 

${\mathrm{\ρ}}_{u_L}^k{V}_{u_L}^{k}C{p}_{u_L}^k\frac{{\mathrm{dT}}_{u_L}^k}{\mathrm{dt}}=F_{u_L}^k{\mathrm{\ρ}}_{u_L}^{k}C{p}_{u_L}^k(T_{u_L}^{k-1}-T_{u_L}^k)$

$+h_{{\mathrm{pu}}_L,u_L}^k{A}^{\mathrm{cell}}(T_{{\mathrm{pu}}_L}^k-T_{u_L}^k)+h_{u_L,{\mathrm{te}}_{u_L}}^k{A}^{\mathrm{cell}}(T_{t{e}_{u_L}}^k-T_{u_L}^k)$

·单独反应单元中反应介质环境的热量平衡方程(J·s^-1)： 

$p_{{\mathrm{te}}_p}^k{V}_{{\mathrm{te}}_p}^k{\mathrm{Cp}}_{{\mathrm{te}}_p}^k\frac{{\mathrm{dT}}_{{\mathrm{te}}_p}^k}{\mathrm{dt}}=h_{p,{\mathrm{te}}_p}^k{A}_p^k(T_p^k-T_{{\mathrm{te}}_p}^k)$

·用于左室27的绝热板20的环境的热量平衡方程(J·s^-1，相同的方程用于右室28的绝热板28)： 

${\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{te}}_{u_L}}^k{V}_{{\mathrm{te}}_{u_L}}^k{\mathrm{Cp}}_{{\mathrm{te}}_{u_L}}^k\frac{{\mathrm{dT}}_{{\mathrm{te}}_{u_L}}^k}{\mathrm{dt}}=h_{u_L,{\mathrm{te}}_{u_L}}^k{A}_p^k(T_{u_L}^k-T_{{\mathrm{te}}_{u_L}}^k)$

其中传热系数表示如下(J·s^-1·m^-2·K^-1)： 

$h_{p,{\mathrm{pu}}_L}^k=\frac{1}{\frac{1}{h_p}+\frac{e_{p,{\mathrm{pu}}_L}}{{\mathrm{\λ}}_{p,{\mathrm{pu}}_L}}},$ $h_{p,{\mathrm{te}}_p}^k=\frac{1}{\frac{1}{h_p}+\frac{e_{p,{\mathrm{te}}_p}}{{\mathrm{\λ}}_{p,{\mathrm{te}}_p}}},$ $h_{{\mathrm{pu}}_L,u_L}^k=\frac{1}{\frac{1}{h_{u_L}}+\frac{e_{{\mathrm{pu}}_L,u_L}}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{pu}}_L,u_L}}}$ 和 $h_{u_L,{\mathrm{te}}_{u_L}}^k=\frac{1}{\frac{1}{h_{u_L}}+\frac{e_{u_L,{\mathrm{te}}_{u_L}}}{{\mathrm{\λ}}_{u_L,{\mathrm{te}}_{u_L}}}}$

其中下标te_p和te_u分别表示反应介质和使用介质的热环境，而H^f是进料流速的摩尔焓(J·mol^-1)。 

为了在动态模型中包括由于(例如不锈钢制成的)这些板引起的热惯性，对每个过渡板21、22单独考虑反应介质和使用流体之间的热交换。 

取决于反应介质热环境的温度的单独反应单元中反应介质环境的热量平衡方程使得可以考虑由于反应室24的结构和所述室中存在的插槽(例如由聚醚醚酮制成)引起的热惯性。对于给定的单独单元，可基于插槽的几何特征并且基于反应室24的结构来计算所述热环境的传热面积和质量。 

取决于使用流体热环境的温度、左侧室27和右侧室28的单独单元中的使用流体的环境热量平衡方程使得能够在动态模型中考虑由于绝缘板20和23(例如不锈钢制成的)引起的热惯性。从这些绝热板的几何特征计算热环境的特征(传热面积、质量)。 

对于在两相介质中进行的化学反应，反应器的动态模型包括对每一相建立的所有上述特征的方程以及平衡方程(能量、热量、质量等)，其中连续相是液体，而分散相是液体或气体。反应室24中的反应介质、侧室27和28中的使用流体、反应室24的入口和出口部件34和35中反应介质的行为、压力降、单独单元1-12中反应介质的换热、以及反应器的热惯性的动态模型适应于为给定的两相介质中的反应建立板型敞口反应器的动态模型。 

为此，认为每一相中的温度和压力是相同的，而反应介质被假定是准均相介质，通过与两相介质的物理性质、其每一相的性质以及它们各自的比例相关的关联关系确定相应两相介质的物理性质，假定所述相均匀地分布在每个单独单元内。下面给出关联关系的实例： 

·估计的两相介质的密度： 

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{n_i{M}_i}{m}\×\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_i}$

·估计的两相介质的比热： 

$C_p=\frac{1}{m}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{M}_i{C}_{\mathrm{pi}}$

·估计的两相介质的导热率： 

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{m}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{M}_i{\mathrm{\λ}}_i$

·估计的两相介质的粘度： 

${\mathrm{\μ}}^{1/3}=\frac{1}{m}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{M}_i{\mathrm{\μ}}_i^{1/3}$

其中n_i代表相的摩尔数(mol)，M_i代表相的摩尔质量(每摩尔千克(kg·mol^-1))，m是两相介质的总质量(千克(kg))，i是指定连续或分散相的下标，λ是介质的导热率(J·s^-1·m^-1·K^-1)，而μ是介质的粘度(帕·秒，(Pa·s))。 

用于两相介质中反应的反应器动态模型的精确性基于稳定的反应介质，并因此而基于两相间的平衡。在数学模型中使用的平衡规则是连续相中分散相液滴尺寸的函数。通过用于评价液滴数目的软件工具确定液滴的尺度和分布。 

评价数目的软件工具用来预测液滴尺寸的初始分布随时间的变化，并且因此预测板型反应器的室24的各单独反应单元中的Sauter直径。这种变化取决于液滴出现和消失时的速率，该速率与融合和破裂现象直接相关。将融合和破裂现象从依靠两相介质的物理和传输性质的相互关系引入程序中。 

传质模型依赖于分散相以平均直径等于Sauter直径的球形液滴的形式而存在的假设。在Whitman双层膜理论的基础上建立两相间的传质模型。 

在本发明的最优化方法的动态模型中，对于每个单独反应单元计算传质特性。因为传质的相互关系，所有传质特征(传质系数、界面面积、溶解度)与液-液两相介质的物理性质以及Sauter直径相关联。因此，对于给定的液-液两相介质，板型反应器行为的精确表示只需要正确估计反应室中每个单独单元的Sauter直径。 

图5a是显示了本发明最优化方法的基本步骤的图，其中板型反应器的动态模型36包括如上所述反应器的多个特征方程和平衡方程。 

对于给定的反应，基于反应器的动态模型，使用积分软件工具37模拟板型反应器的行为。该工具能够通过与数据库连接求解动态模型的代 数和微分方程系统，所述数据库包括反应器的流体动力学描述38、反应介质、使用流体、以及反应器部件(插槽、板......)材料的物理性质39、化学反应的反应热和动力学的模型40、各种流体间的传热41、以及两相介质中反应的液-液传质42或者液-气传质42。 

为了积分动态模型，该工具需要各种模型中涉及的大量参数或输入。这些参数包括反应的操作条件43，例如反应数量、反应物数量、反应物的特性、它们的流速、它们的温度、它们的压力、它们的进料持续时间、反应的特性、化学计量系数、反应级数、速率常数的指前因子、活化能、以及使用流体的流速和温度；反应器基本结构的说明44例如包括每个反应模块的单独单元数量、每行的单独单元的数量、反应模块的数量、每个反应模块的使用区的数量、板型反应器的尺度、外部介质的温度、换热面积、板的数量、它们的厚度、它们的密度、它们的热容、它们的导热率、插槽的尺度、它们的密度、它们的热容、及使用流体的特性，以及其它的积分参数，例如绝对误差的容限或者积分可获得的时间。 

本领域技术人员知道这种工具和数据库。数据库例如是Bipphy 。积分软件工具例如是DISCo，它能够高速且准确地求解具有5000个以上特征和平衡方程的动态模型。 

DISCo(Do Integrate by Software Components)是一种在使用预测器-校正器机理反向微分的Gear方法基础上的代数和微分方程的积分系统。该工具具有大量的优点，例如整体处理系统而不用区别方程和变量、能够将附加方程和由此的附加变量集成到基本系统中，从而为数学模型、检测事件的自动程序以及为计算一致性的初始条件提供了大的灵活性，当寻找管理事件(起动程序、动力学)时它是特别有用的，并且能够通过导致计算时间大大降低的稀疏矩阵来处理系统。 

对于给定的化学反应，积分软件工具37用来模拟称作“反应器状态”45的化学反应器的行为。举例来说，这种模拟可以预测化学反应的产率、反应期间的温度变化等等。 

在图5b中，操作者开始尝试定义反应器的最优尺度或结构46。为此， 操作者确定或者评价要实现的目标，例如改善生产率(反应产率)、是环境友好的(少量废料)、或者成本低，设置要符合的并且可能例如涉及安全性的约束条件48，例如给出不要超过的反应介质的最大温度，或者在预定最大或最小量反应物下的生产率或收益率，或者对于环境来说，对有毒或者有害的或者难以重新利用或者生物降解的废物的限制，并且还设置反应器结构中的变量特征49。 

这些变量特征49例如包括反应模块的数量、每个模块的使用区数量、进料点的数量和位置、反应室的尺度、相对于反应室中反应介质流动的使用流体的同流、对流或者交叉流向、以及反应室中插槽的数量、特性和几何形状。 

在一种变化的实施方式中，要实现的目标可以是包括多个定量标准的数学函数。例如，可以由下面的方程相对于生产率标准和环境标准来定义使目标用于生产线的函数： 

f＝q_p×k_p-q_x×k_x

其中q_p是从反应想要得到的产物的量，k_p是产物的单位成本，q_x是无价值的反应产物的量，而k_x是处理或者消除该产物的成本。 

操作者还可以为这些目标和约束条件定义可接受的变化，即许可的余量。 

本发明的方法使得可以从上面定义的反应器状态45、上述给定的操作条件43以及所述目标47、约束条件48和变量49来最优化反应器的结构。通过实施多个能够在满足约束条件下实现最大可能的目标数量或目标功能，及可能地还有用于目标和约束条件的余量的连续模拟50，以及通过对板型反应器结构的所有变量特征实施来获得最优化。 

通过第二种软件工具51，例如SQP 

(Successive Quadratic Programming)来最优化反应的尺度，其使得可以对于给定的反应限定用于计量反应器的尺度或者配置反应器的最佳参数。 

在图5c中，然后操作者尝试确定对于给定的反应最优化反应器操作的最佳操作条件52。要实现的目标47和要符合的约束条件48与最优化 反应器尺度时保持相同。只有变量改变，而这些变量是反应变量53，例如包括各种反应物的流速、温度、压力和组成，反应物加入反应室24中的顺序，以及使用流体的流速和温度。 

本发明的方法使得可以对于给定的反应，基于前面为反应器定义的最佳尺度或大小、上述操作条件以及上述目标、约束条件和变量，通过确定反应器的最佳操作条件来最优化反应器的操作。通过实施许多可以在符合约束条件下实现尽可能多的上述目标和目标功能，以及可能还有目标和约束条件的余量的连续模拟50，并且通过反应的所有变量特征实施来获得最优化。 

还可以通过上述软件工具51来最优化反应器的操作。最佳的操作条件使得可以例如在反应器控制、安全性和化学反应灵敏度方面进行比较研究。 

图6-12举例说明了最优化给定尺度的板型反应器行为以及最优化给定反应的实例。 

图6和7是追踪氧化硫代硫酸钠的反应的图。横坐标轴149代表以升计的反应室的体积。左边的纵坐标轴150表示以摄氏度计的温度，右边的纵坐标轴151给出了刻度直至1的反应产率。 

曲线152显示氧化反应的产率的变化，曲线153、154和155分别表示反应介质、使用流体以及限定反应室的板的温度变化。 

硫代硫酸钠通过以下反应被过氧化氢氧化，反应产物是连三硫酸钠、硫酸钠和水。 

2Na₂S₂O₃+4H₂O₂→Na₂S₃O₆+Na₂SO₄+4H₂O 

反应是高度放热的，并且在具有三个反应模块的板型反应器中在均相液体介质中发生。上述停留时间分布的实验研究使得可以将板型反应器处理成一系列91个单独的单元，反应器包含三个反应模块，每个模块包含27个单独单元，并且过渡部件在两个反应模块之间包含10个单独单元。用于这个反应的反应器动态模型中的方程数是1920个。 

在图6中，反应介质具有低的反应物浓度，硫代硫酸钠以40升/小时 (L·h^-1)浓度为0.62摩尔/升(mol·L^-1)注入，过氧化氢以10L·h^-1浓度为1.28mol·L^-1注入，在每个反应模块中的使用流体是以流速3.4m³·h^-1加入的14℃的水。 

操作者设置单一的目标，即提高最优化反应的产率，反应的变量数据是使用流体的流速及必须保持在低于45℃的反应介质的温度约束。 

在图7中，反应介质具有较高浓度的反应物，以40L·h^-1注入浓度为0.75mol·L^-1的硫代硫酸钠，以10L·h^-1注入浓度为1.59mol·L^-1的过氧化氢，使用流体在第一个反应模块中是以流速1.8m³·h^-1、在另两个反应模块中是以流速0.9m³·h^-1加入的14℃的水。 

本发明的方法使得可以通过对反应变量数据例如使用流体流速作用来为硫代硫酸钠氧化反应最优化板型反应器。 

然后，为了在最优化的使用流体流速下操作而构建的板型反应器中进行氧化硫代硫酸钠的反应，并且为了验证反应器的操作，在所述进行期间测量物理参数例如温度和压力。 

在图6和7中，菱形的点156是反应产率的实验测量值，方形的点157和三角形的点158分别是反应介质和使用流体的温度的实验测量值。 

实验结果接近相应的曲线，因此证实了在板型反应器中该化学反应的模拟，并因此能够评价所述动态模型的精度。 

所述模拟还用来准确地定位因为少量的传感器及其布置而在实验测量中不出现的图7中的温度峰158(在90℃以上)，最高测量的反应为低于60℃。 

图8-10是追踪水解乙酐的反应的图。横坐标轴159代表单独反应单元的数量。在本实施方案中，板型反应器具有三十个单独单元，并且其再分成三个反应模块，从一个反应室到下一个模块的通道由竖直的虚线160图示。纵坐标轴161代表以摄氏度计的温度。曲线162、163和164分别表示了反应介质、使用流体以及限定反应室的过渡板的温度变化。 

乙酐通过以下反应水解产生乙酸： 

CH₃-CO-O-CO-CH₃+H₂O→2CH₃-CO-OH 

为了最优化反应器的尺度，操作者设置最大生产率目标、保持低于80℃的对反应介质的温度约束、以及反应器结构的变量特征，即反应进料点的数量和布置。 

在图8中，在30℃的温度和40L·h^-1的速率下将乙酐完全注入反应室的单元1中。还在30℃的温度和10L·h^-1的速率下将水注入单元1中。因为反应是高度放热的，所以使用流体温度为15℃、流速为10,800L·h^-1。可以看出为最优化变量所选择的值不能满足要符合温度约束。 

在图9中，在30℃的温度和40L·h^-1的速率下将乙酐完全注入反应室的单元1中。在30℃的温度和5L·h^-1的速率下将水注入单元1(第一模块的第一单元)中，并且在30℃的温度和5L·h^-1的速率下将水注入单元11(第二反应模块的第一单元)中。使用流体的温度是15℃，流速为10,800L·h^-1。 

因此，在两个不同的进料点将水分两次加入反应室中。这使反应介质的最大温度降低了一点，从图8的138℃到图9的104℃。因为仍不符合温度约束，反应器中反应物进料点的数量和布置仍是不正确的。 

在图10中，在30℃的温度和40L·h^-1的速率下将乙酐完全注入反应室的单元1中。在30℃的温度和3.33L·h^-1的速率下将水注入单元1中，在30℃的温度和3.33L·h^-1的速率下将水注入单元11中，并且在30℃的温度和3.33L·h^-1的速率下将水注入单元21(第一模块的第一单元)中。使用流体的温度为15℃，流速为10,800L·h^-1。 

在此情况下，在三个不同的进料点将水分三次加入反应室中。这使反应介质的最大温度降低至80℃的约束条件以下。因此，所述最优化方法可以甄别满足生产率目标并且符合温度约束条件的适当尺度。 

图11和12是追踪生成新戊二醇的反应的图。横坐标轴165代表以升计的反应室的体积。在本实施方案中，反应室包含40个单独单元，其再分成四个10个单独单元的模块，每个单元体积为约0.035升(L)。左侧纵坐标轴166代表以摄氏度计的温度，右侧纵坐标轴167代表以百分数计的反应产率。 

曲线168表示反应产率的变化，而曲线169、170和171分别表示反 应介质、使用流体以及限定反应室的板的温度变化。 

生成新戊二醇的方程如下： 

2(甲醛)+(2-甲基丙醛)+(氢氧化钠)→(新戊二醇)+(甲酸钠) 

在图11和12中，竖直虚线172和173分别代表氢氧化钠的进料点和2-甲基丙醛的进料点。因此，仅在反应室的体积接近0.05L、相应于反应室中第二单元(每个单独单元0.035L)时一次加入氢氧化钠，并在三种场合将2-甲基丙醛加入第三单元、第十五单元和第二十八单元中。 

在图11中，假定反应是放热的，使用流体温度为50℃，流速为1.5m³·h^-1。在18℃的温度下注入反应物，对于9.14L·h^-1的总流速(以大约3.05L·h^-1的相同流速三次注入)注入浓度为2mol·kg^-1的2-甲基丙醛。实现的转化率为89.4％，反应期间反应介质的最大温度为66.6℃。 

操作者设置了增加生成新戊二醇的反应产率的目标、用于最优化反应操作的变量数据，即每个进料点的2-甲基丙醛的进料速率、以及要符合的约束条件，即不超过65℃的反应介质的最大温度。 

图12中显示了结果，其中使用流体的温度为50℃，流速为1.5m³·h^-1。在18℃的温度下注入反应物，并且对于9.14L·h^-1的总流速注入浓度为2mol·kg^-1的2-甲基丙醛。三次注入2-甲基丙醛是以不同的流速：向单元3的第一次进料为5.91L·h^-1、向单元11的第二次进料为2.73L·h^-1、向单元21的第三次进料为0.50L·h^-1。实现的转化率为95.6％，并且反应期间反应介质的最大温度达到65℃，从而符合所施加的约束条件。 

因此，通过作用于在此情况下是多个点加入反应室中的反应物进料速率的反应变量数据，所述最优化方法使得可以在符合温度约束条件下实现目标反应产率。 

Claims (20)

1.一种最优化敞口反应器中化学反应的方法，该方法的特征在于其包括：

·使用由以下部分构成的敞口反应器：一组板(20，21，22，23)，在板间限定了至少一个具有反应室(24)的模块，该反应室在两个用于循环换热使用流体的换热侧室(27，28)之间形成，所述换热侧室(27，28)分别由第一板(20)和第二板(21)、以及由第三板(22)和第四板(23)限定；用于向反应室(24)加入连续流的一种或多种反应物的装置；以及用于向两个侧室(27，28)加入连续流的使用流体的装置；

·在反应室(24)和所述反应室(24)与用于循环换热使用流体的换热侧室(27，28)之间换热模型的基础上，对于给定的反应建立敞口反应器的动态模型(36)，所述反应室(24)以及换热的模型包括将所述反应室(24)和每个侧室(27，28)再分成一系列的单独单元，每个单独单元包含彻底搅拌的流体介质，每个侧室(27，28)中单独单元的数量等于反应室(24)中单独单元的数量，并且限定侧室(27，28)每个单独单元中使用流体相对于反应室(24)的相应的单独单元中反应流体流向的流向，所述动态模型(36)包括质量平衡和能量平衡方程及约束方程；

·对动态模型(36)运用积分软件工具(37)来求解所述质量平衡和能量平衡方程及约束方程；

·在评价要实现的目标(47)、要符合的约束条件(48)、以及敞口反应器(49)和/或反应(53)的变量数据的基础上，确定并且最优化敞口反应器的尺度和/或操作参数组；

·根据所述最优化过的参数组构建由所述一组板构成的敞口反应器；以及

·在构建的所述敞口反应器中进行所述反应期间，测量物理参数来验证其操作。

2.权利要求1的方法，其特征在于在构建所述敞口反应器后它包括：

·基于构建的敞口反应器建立新的敞口反应器动态模型；

·对该新的动态模型运用积分软件工具(37)来求解所述质量平衡和能量平衡方程及约束方程；

·再次最优化所述敞口反应器的所述尺度和/或操作参数组；以及

·如果需要，根据新近最优化的参数组修改所述构建的敞口反应器。

3.权利要求1的方法，其特征在于每个单独单元中的流体介质是均匀的，并且通过质量平衡、能量平衡、压力平衡和体积约束方程来定义其状态及其变化。

4.权利要求1的方法，其特征在于所述反应室(24)的每个单独单元中包含的流体介质是包含连续相和分散相的两相介质。

5.权利要求4的方法，其特征在于从估计所述两相介质的密度、比热、导热率和粘度的方程，以及从质量平衡、能量平衡、压力平衡和体积约束的方程，在每个单独单元中限定两相介质的状态和变化。

6.权利要求1的方法，其特征在于所述换热模型还包括涉及反应流体、限定换热侧室(27，28)的板(20，21，22，23)、以及在侧室(27，28)中循环的使用流体的热量平衡方程，以及用于在所述侧室(27，28)的单独单元中使用流体的质量平衡方程。

7.权利要求1的方法，其特征在于所述敞口反应器的动态模型还包括用于敞口反应器入口区和出口区、每个反应室(24)的入口区和出口区、以及敞口反应器各模块间过渡区的模型。

8.权利要求1的方法，其特征在于它包括在对敞口反应器各部分中流体停留时间分布的实验研究的基础上，模型化敞口反应器的流体动力学行为，从而定义具有彻底搅拌过的内含物的单独单元的数量。

9.权利要求1的方法，其特征在于它还包括基于反应室(24)的每个单独单元中的反应速率、反应组分的产生速率以及热量生成速率的方程的反应模型。

10.权利要求4的方法，其特征在于它还包括在两相介质的物理性质的基础上以及在分散相液滴尺寸的基础上，模型化在两相反应介质之间的两相反应介质中的传质。

11.权利要求1的方法，其特征在于它还包括在限定侧室(27，28)的板和在反应室(24)及侧室(27，28)中流动的流体之间的传热系数，以及估计的反应流体和使用流体膜系数的定义基础上的传热模型。

12.权利要求1的方法，其特征在于它还包括基于实验测量的敞口反应器中反应流体压力降的模型。

13.权利要求1的方法，其特征在于它还包括对敞口反应器组件以及反应流体和使用流体的物理性质的估计。

14.权利要求1的方法，其特征在于它包括通过调整参数，针对给定的目标(47)和约束条件(48)来最优化敞口反应器的尺度，所述参数选自一系列单独单元的数量、反应物进入反应室(24)中的加料点的数量、使用流体相对于反应介质的流向、使用流体的特性和分布、反应室(24)的体积和用于循环换热使用流体的侧室(27，28)的体积。

15.权利要求1的方法，其特征在于它包括通过调整操作参数针对给定的目标(47)和约束条件(48)来最优化敞口反应器的操作，所述操作参数包括反应流体和使用流体的温度、压力、组成和/或流速。

16.权利要求15的方法，其特征在于对于包括多个流体入口区的敞口反应器或反应室(24)而言，所述方法包括调整注入这些流体入口区域中的流体的流速、温度、压力和/或组成。

17.权利要求4的方法，其特征在于将所述两相反应介质看成准均相介质，而两相反应介质的物理性质通过使两相介质的物理性质与每一相的性质及其比例相关的关联关系确定。

18.权利要求17的方法，其特征在于它包括以分散相液滴的尺寸、存在的相的热动力学性质和/或流动条件的函数在两相间运用相混合物平衡规则。

19.权利要求17的方法，其特征在于它包括追踪反应室(24)的单独单元中分散相液滴尺寸的变化。

20.权利要求14的方法，其特征在于它还包括对于满足安全性和/或环境约束条件的操作参数限定极限值。

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