專利名稱：以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模仿真加工廠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，用于以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模仿真加工廠(processplant)的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性。
背景技術(shù)：
用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)的加工廠被用在幾種工業(yè)領(lǐng)域，例如化學(xué)、制藥或生物工業(yè)。加工廠或?yàn)樘囟康亩ㄔ煲杂糜谔囟ǖ姆磻?yīng)，或設(shè)計(jì)為多用途設(shè)備。多用途加工廠特別適合于顧客特定的生產(chǎn)，或適合于具有快速改變的生產(chǎn)線和產(chǎn)品的工業(yè)領(lǐng)域。因此，多用途加工廠經(jīng)常間斷地運(yùn)行，并且也不得不對(duì)多用途加工廠和/或反應(yīng)加以調(diào)整。
任何化學(xué)和/或物理反應(yīng)通常首先在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模進(jìn)行研究，然后逐漸從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)大到工作臺(tái)規(guī)模、到試驗(yàn)廠規(guī)模，然后到完整規(guī)模的加工廠。這樣的擴(kuò)大過(guò)程可能花費(fèi)巨大，同時(shí)也非常耗時(shí)，特別在擴(kuò)大過(guò)程的每步中的必須再次確定某些方面的時(shí)候。這些方面例如包括反應(yīng)的生產(chǎn)率和選擇性、產(chǎn)品的質(zhì)量以及與安全和環(huán)境保護(hù)相關(guān)的方面。現(xiàn)今，特別是安全方面以及與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的方面變得越來(lái)越重要。
在化學(xué)和/或物理反應(yīng)逐漸擴(kuò)大的經(jīng)典方法之外，還發(fā)展了理論方法。例如，M.Bollyn等人建立了一種基于動(dòng)力反應(yīng)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型(“Schneller Scale-up，Reaktionskalorimetrie und Reaktorsimulation inKombination”，Chemie Anlagen und Verfahren，4(1996)95-100)。所述模型容許對(duì)工業(yè)反應(yīng)器或加工廠進(jìn)行數(shù)值仿真。動(dòng)力反應(yīng)參數(shù)必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下用反應(yīng)量熱器確定，而數(shù)值仿真的質(zhì)量取決于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)確定的質(zhì)量。只要反應(yīng)本身簡(jiǎn)單，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的確定就會(huì)簡(jiǎn)單。對(duì)于那些具有幾個(gè)反應(yīng)步驟和/或副產(chǎn)品的反應(yīng)，這樣的確定會(huì)變得非常復(fù)雜，因而更加耗時(shí)。
對(duì)于使用多用途加工廠的工業(yè)，擁有簡(jiǎn)單快速并且準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下給定反應(yīng)的規(guī)模擴(kuò)大特性的方法，將是非常有意義并有用的。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種方法，用于在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性。

發(fā)明內(nèi)容
加工廠包括至少一個(gè)具有工業(yè)反應(yīng)容器的工業(yè)反應(yīng)器，化學(xué)和/或物理反應(yīng)可在工業(yè)反應(yīng)容器中進(jìn)行，且該工業(yè)反應(yīng)容器可與工業(yè)溫度控制設(shè)備相互作用，而工業(yè)傳熱單元可與該工業(yè)溫度控制設(shè)備相互作用。依據(jù)所用的溫度控制設(shè)備的類型，可以直接和/或間接地控制該反應(yīng)容器特別是其容納物的溫度。該加工廠尤其是工業(yè)溫度控制設(shè)備由控制設(shè)備控制。
建立了類似的用于實(shí)現(xiàn)仿真方法的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，但是其尺存小得多。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器；與該實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相互作用的實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備；與該實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相互作用的實(shí)驗(yàn)室傳熱單元；以及用于操作和控制該實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的控制器。優(yōu)選地，所述控制器包括具有溫度控制算法的程序。所述控制器主要通過(guò)預(yù)置溫度分布并/或通過(guò)設(shè)置溫度設(shè)定值以控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。
術(shù)語(yǔ)“工業(yè)”和“實(shí)驗(yàn)室”主要涉及所描述物體的尺寸、應(yīng)用規(guī)模和/或應(yīng)用場(chǎng)合。
諸如反應(yīng)量熱器、自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器以及溫度控制的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可用于在小規(guī)模下進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)和過(guò)程。普通實(shí)驗(yàn)室設(shè)備具有從幾毫升甚至更小到幾升的反應(yīng)容器容量。通常地，它們被用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)，并用于確定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和/或反應(yīng)的熱力學(xué)特性和參數(shù)。
大部分的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備是非常通用的，因而反應(yīng)甚至可以在極端的溫度和/或壓力條件下得以安全地進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室傳熱單元的特征在于它們都是功能強(qiáng)大的，并且可以快速精確地控制反應(yīng)混合物的溫度。這樣的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以非?？焖俚馗櫤?或達(dá)到溫度分布和/或溫度設(shè)定值。普通實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度幾乎是理想的。
對(duì)任何化學(xué)和/或物理反應(yīng)而言，反應(yīng)溫度都是重要的參數(shù)。反應(yīng)溫度的輕微改變例如會(huì)導(dǎo)致不同的產(chǎn)品和/或不同的反應(yīng)產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備主要受控并運(yùn)行于與該實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的至少一部分相關(guān)的至少一個(gè)溫度下?？刂破饕越o定的時(shí)間間隔提供預(yù)設(shè)的溫度分布和/或溫度設(shè)定值。溫度分布表征為溫度-時(shí)間曲線。它可以是連續(xù)的分布和/或可以包括離散的溫度設(shè)定值。控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的溫度直接和/或間接地與反應(yīng)溫度相關(guān)，該反應(yīng)溫度諸如為放置在實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器的反應(yīng)混合物的溫度或溫度控制設(shè)備的溫度。
當(dāng)溫度分布和/或設(shè)定值由控制器提供時(shí)，與實(shí)驗(yàn)室傳熱單元相互作用的實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備根據(jù)給定的溫度分布和/或設(shè)定值開始改變它的溫度，并且當(dāng)達(dá)到給定的溫度時(shí)，此溫度保持一段同樣預(yù)定的時(shí)間。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備也與實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相互作用，所以相應(yīng)地反應(yīng)容器的溫度將發(fā)生改變，而所述反應(yīng)容器的任何容納物的溫度同樣也將發(fā)生改變。
作為安全措施，通常采用合適的溫度探測(cè)器，按一定的時(shí)間間隔對(duì)所提供的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
加工廠要比實(shí)驗(yàn)室設(shè)備大得多，其反應(yīng)容器容量為幾升到幾立方米。由于它們的尺寸以及所用的材料，建造具有理想動(dòng)態(tài)溫度特性的加工廠幾乎是不可能的。
當(dāng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備被用于仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性時(shí)，加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性強(qiáng)加在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上，這樣實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的性能不再理想。因此，了解加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性是非常必要的。加工廠的溫度動(dòng)態(tài)至少部分地由加工廠和反應(yīng)間交換的熱量和能量控制。
為了仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以由以給定時(shí)間間隔提供的溫度分布和/或溫度設(shè)定值控制。所述的溫度分布和/或所述溫度設(shè)定值來(lái)自數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型描述了加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性。因而，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，特別是其動(dòng)態(tài)溫度，被迫隨加工廠的動(dòng)態(tài)溫度變化。數(shù)學(xué)模型用于決定溫度設(shè)定值隨時(shí)間的變化，該變化可以是溫度分布和/或離散的溫度設(shè)定值。溫度分布和/或設(shè)定值可以由控制器使用來(lái)控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。
這樣，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以仿真并模仿加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性。如果在用于仿真加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)，反應(yīng)的速率、產(chǎn)率、選擇性以及其它的特性將非常類似在加工廠中以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行反應(yīng)時(shí)所能取得的特性。
這樣的仿真是非常有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)橛糜谝?guī)模擴(kuò)大過(guò)程的時(shí)間將能獲得極大地縮短，同時(shí)成本也能得到有效地控制。例如與安全、質(zhì)量、數(shù)量、選擇性和/或環(huán)境保護(hù)相關(guān)的方面可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模得以確定，在該規(guī)模下反應(yīng)質(zhì)量很小并易于處理。
對(duì)于放熱或溫度敏感的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，這是特別有意義的，因?yàn)閷?duì)這些反應(yīng)而言，任何規(guī)模擴(kuò)大不僅非常耗時(shí)、昂貴，甚至還將是危險(xiǎn)的，特別是當(dāng)在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)的熱量效應(yīng)被誤判時(shí)。
根據(jù)所需的反應(yīng)溫度和任何預(yù)設(shè)的安全裕量，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)容器的容納物的溫度來(lái)操作習(xí)知的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。因此，溫度分布和/或溫度設(shè)定值被用于控制與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的至少一部分相關(guān)的至少一個(gè)溫度，優(yōu)選地，該溫度為直接和/或間接地與反應(yīng)溫度相關(guān)的溫度。該溫度可以是與實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相關(guān)的溫度，例如，反應(yīng)容器內(nèi)的實(shí)際溫度和/或它的容納物的溫度、或與實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相關(guān)的溫度。該實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備可以被設(shè)計(jì)為用于直接和/或間接地進(jìn)行溫度控制。
實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下用于仿真加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性的主要問(wèn)題是建立用于描述所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的正確的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)榧庸S可以用不同的材料、部件和方法等多種方式進(jìn)行組合，所以對(duì)要被仿真的每個(gè)加工廠或至少對(duì)加工廠的至少一部分必須單獨(dú)地確定數(shù)學(xué)模型。特別地，仿真工業(yè)反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)溫度特性。
從數(shù)學(xué)模型獲得的溫度變化分布和/或溫度設(shè)定值被實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的溫度控制算法和/或控制程序利用。數(shù)學(xué)模型可以包括至少一個(gè)特性或來(lái)自所述特性的至少一個(gè)化學(xué)和/或物理參數(shù)，所述特性是加工廠的至少一部分的特征并與其動(dòng)態(tài)溫度相關(guān)。例如，這個(gè)特性可以是加工廠特別是工業(yè)反應(yīng)器的至少一部分的配置、幾何形狀和/或材料。
優(yōu)選地，數(shù)學(xué)模型至少部分包括加工廠的那部分的熱平衡，加工廠的該部分的動(dòng)態(tài)溫度特性是待仿真的。熱平衡是表征流向和流出加工廠的所述部分的總熱流或總能流。
反應(yīng)器的熱平衡最通用的形式將總熱流描述為時(shí)間的函數(shù)，其考慮到任何流入和流出的熱量或能量分量。工業(yè)反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)溫度特性可以至少部分地由其熱平衡描述。
描述反應(yīng)器的熱平衡的方程包括用于任何流入和/或流出熱量或能量的項(xiàng)。這些項(xiàng)中的一些可以利用已知的特性和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或估算，而例如室外傳熱系數(shù)等的其它項(xiàng)只能用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。
優(yōu)選地，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由在加工廠中進(jìn)行的加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)獲得。當(dāng)對(duì)每個(gè)加工廠進(jìn)行至少兩個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，這是非常有利的。該兩個(gè)實(shí)驗(yàn)具有包括至少一個(gè)反應(yīng)物或化合物的反應(yīng)混合物且反應(yīng)容器為至少兩個(gè)不同的填充水平。然而，對(duì)大量的仿真而言單個(gè)實(shí)驗(yàn)就足夠了。
工業(yè)反應(yīng)器的熱平衡包括與工業(yè)溫度控制設(shè)備相關(guān)的溫度項(xiàng)，特別是與它的動(dòng)態(tài)溫度演變相關(guān)的項(xiàng)。工業(yè)溫度控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度演變由幾個(gè)參數(shù)和特性控制。動(dòng)態(tài)溫度演變很大程度上依賴于工業(yè)傳熱單元的配置和動(dòng)態(tài)，特別依賴于如何控制溫度以及如何設(shè)置溫度設(shè)定值。一般而言，當(dāng)給定溫度分布和/或溫度設(shè)定值時(shí)，傳熱單元相應(yīng)地開始發(fā)生作用，升高或降低與溫度控制設(shè)備相關(guān)的溫度。
優(yōu)選地，對(duì)待仿真的加工廠的每部分，與工業(yè)溫度控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度演變相關(guān)的項(xiàng)或表達(dá)式用實(shí)驗(yàn)方法單獨(dú)確定。所述表達(dá)式可以通過(guò)用于估算諸如室外傳熱系數(shù)等與反應(yīng)器的熱平衡相關(guān)的項(xiàng)的相同的加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)獲得。
當(dāng)待仿真的加工廠的特征得到充分描述、且用于描述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的數(shù)學(xué)模型被建立時(shí)，該模型被用于確定溫度分布和/或溫度設(shè)定值，該溫度分布和/或溫度設(shè)定值用于與溫度控制算法相結(jié)合，并使可用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真相應(yīng)的加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性。
采用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性包括幾個(gè)步驟。必須確定描述加工廠的至少所述部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的數(shù)學(xué)模型，且必須確定所研究的反應(yīng)的熱力學(xué)特性。
化學(xué)和/或物理反應(yīng)的熱力學(xué)特性可以通過(guò)在至少兩個(gè)不同的反應(yīng)溫度下在經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行該反應(yīng)確定。但是，在一個(gè)反應(yīng)溫度下的單個(gè)實(shí)驗(yàn)也是足夠的。“經(jīng)典”一詞描述沒(méi)有仿真加工廠的任何零件的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。
對(duì)在經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行的反應(yīng)，溫度分布和/或設(shè)定值根據(jù)的給定反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全裕量進(jìn)行選擇。在反應(yīng)的過(guò)程中，以給定的時(shí)間間隔測(cè)量至少一個(gè)溫度，所述監(jiān)測(cè)的溫度或監(jiān)測(cè)的溫度分布與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的至少一部分和/或化學(xué)和/或物理反應(yīng)相關(guān)。例如，該溫度可以是與反應(yīng)容器、反應(yīng)容器中的反應(yīng)混合物、溫度控制設(shè)備和/或與傳熱單元相關(guān)的溫度相關(guān)的溫度。
監(jiān)測(cè)的溫度和/或監(jiān)測(cè)的溫度分布隨后可用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并用于確定與在經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行的反應(yīng)相關(guān)的至少一個(gè)熱力學(xué)特性或參數(shù)。例如，要被確定的熱力學(xué)特性可以是伴隨任意物理過(guò)程的熱容、反應(yīng)熱或熱量。完成這個(gè)的目的是獲得關(guān)于反應(yīng)本身的信息。此外，可以確定反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性。優(yōu)選地，對(duì)在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行的反應(yīng)的評(píng)測(cè)可以由用于控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的相同程序或通過(guò)將所有的監(jiān)測(cè)和預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)傳送到包括合適的評(píng)測(cè)程序的外部計(jì)算機(jī)中進(jìn)行。
在確定加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性以及所研究的反應(yīng)的熱力學(xué)特性后，在用于仿真加工廠的動(dòng)態(tài)溫度特性的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中再次進(jìn)行該反應(yīng)。這次，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用取自數(shù)學(xué)模型的溫度分布和/或溫度設(shè)定值。因此，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度特性模擬并模仿待仿真的加工廠的那部分的動(dòng)態(tài)溫度特性。
在反應(yīng)過(guò)程中，以給定的時(shí)間間隔再次測(cè)量和監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的至少一部分和/或該反應(yīng)相關(guān)的至少一個(gè)溫度。監(jiān)測(cè)的溫度分布和/或監(jiān)測(cè)的溫度值被用于決定與反應(yīng)的至少一部分相關(guān)的至少一個(gè)熱力學(xué)特性。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性，所以所取得的熱力學(xué)特性與工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)相關(guān)。
重復(fù)監(jiān)測(cè)至少一個(gè)溫度分布和確定至少一個(gè)熱力學(xué)特性的步驟，直到反應(yīng)結(jié)束。以達(dá)到與反應(yīng)相關(guān)的任何預(yù)定的特性或參數(shù)的停止值來(lái)指示化學(xué)和/或物理反應(yīng)的結(jié)束。優(yōu)選地，所述的預(yù)定特性或參數(shù)取自該反應(yīng)的預(yù)設(shè)的最大或最小溫度、至少一個(gè)反應(yīng)物的消耗率、生產(chǎn)率、產(chǎn)量或預(yù)設(shè)的時(shí)間期限或它們的組合。所列的特性和參數(shù)只是舉例而言，也可以使用與該反應(yīng)相關(guān)的其它參數(shù)或特性。
實(shí)驗(yàn)室設(shè)備只能同時(shí)仿真加工廠的一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性，但是能夠預(yù)先建立幾個(gè)數(shù)學(xué)模型并將確定的溫度分布和/或溫度設(shè)定值提供到控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的程序中。例如，在與該程序相互作用的合適存儲(chǔ)器裝置中，也能夠存儲(chǔ)與加工廠的不同部分和/或不同的加工廠相關(guān)的多個(gè)模型、多個(gè)溫度分布和/或多個(gè)設(shè)定的溫度設(shè)定值。
以給定的時(shí)間間隔跟蹤并監(jiān)測(cè)溫度分布和/或溫度設(shè)定值，以控制與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相關(guān)的至少一個(gè)實(shí)際溫度。溫度分布和/或設(shè)定值可以根據(jù)實(shí)際的測(cè)量溫度加以調(diào)整和改變。
在優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)加工廠和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備間的差別，所述的熱力學(xué)特性按一個(gè)比例因子變化，優(yōu)選地，所述差別與容積和/或反應(yīng)質(zhì)量相關(guān)。通過(guò)按比例變化這些特性，在加工廠中進(jìn)行的反應(yīng)可以被調(diào)整適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，反之亦然。
溫度分布和/或設(shè)定值從數(shù)學(xué)模型中計(jì)算或獲得，并由包括溫度控制算法的程序利用。在反應(yīng)的過(guò)程中，獲得的分布和/或設(shè)定值是可適應(yīng)的，這對(duì)避免實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中的過(guò)高溫度和/或過(guò)高壓力將是必要的，同時(shí)也能用于控制該反應(yīng)，例如用于優(yōu)化它。
用于進(jìn)行該仿真方法的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，特別是反應(yīng)量熱器、自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器和/或溫度控制的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器等，包括與實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相互作用的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器；與該實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相互作用的實(shí)驗(yàn)室傳熱單元；至少溫度探測(cè)器和用于控制該實(shí)驗(yàn)室設(shè)備并包括具有溫度控制算法的程序的控制器。
優(yōu)選地，攪拌器被配置在反應(yīng)容器中，用于攪拌反應(yīng)混合物。該攪拌器可以是任何可用于加工廠和/或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備的攪拌器，例如螺旋槳式攪拌器、錨槳式攪拌器、葉輪式攪拌器或臥輪式攪拌器等。
優(yōu)選地，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備至少可以控制攪拌器的轉(zhuǎn)速，并能非常精確快速地直接和/或間接控制放置在反應(yīng)容器中的反應(yīng)混合物的溫度。
實(shí)驗(yàn)室以及工業(yè)溫度控制設(shè)備可以設(shè)計(jì)用于直接和/或間接進(jìn)行溫度控制。例如，直接溫度控制設(shè)備可以是類似環(huán)繞反應(yīng)容器的雙璧裝置的護(hù)套以及配置在反應(yīng)容器周圍的線圈或補(bǔ)償加熱器。通常采用傳熱介質(zhì)填充該護(hù)套或線圈，傳熱介質(zhì)的溫度可由傳熱單元控制，該傳熱單元包括至少一個(gè)自動(dòng)調(diào)溫器和/或至少一個(gè)低溫保持器，用于加熱和/或冷卻傳熱介質(zhì)。取代自動(dòng)調(diào)溫器和/或低溫保持器，傳熱單元也可以包括利用例如純凈水、自來(lái)水、熱蒸汽和/或液化氣等，用于進(jìn)行溫度控制的裝置。
例如，直接溫度控制設(shè)備可以是一種線圈，特別是直接與反應(yīng)物接觸的加熱線圈。這種線圈可以或者是實(shí)心的，或者是中空的。加熱線圈的溫度可以電控制，優(yōu)選地，中空的加熱線圈還可以包含傳熱介質(zhì)，并與傳熱單元相互作用。當(dāng)傳熱單元包括至少一個(gè)自動(dòng)調(diào)溫器和至少一個(gè)低溫保持器或冷卻和/或加熱裝置時(shí)，溫度控制設(shè)備還可以結(jié)合以上兩者，例如用于間接冷卻的護(hù)套和用于直接加熱的加熱線圈。傳熱介質(zhì)可以是任何已知的用在自動(dòng)調(diào)溫器和低溫保持器中的介質(zhì)，和/或在任何實(shí)驗(yàn)室和/或工業(yè)溫度控制設(shè)備中的用于此目的的介質(zhì)。
優(yōu)選地，至少有一個(gè)測(cè)量和/或溫度探測(cè)器被配置在反應(yīng)容器和/或溫度控制設(shè)備中。以給定時(shí)間間隔監(jiān)測(cè)到的溫度值被送到控制器，并被例如用于檢查預(yù)設(shè)溫度是否已經(jīng)達(dá)到和/或被保持以及用于從中導(dǎo)出一定的熱力學(xué)特性。優(yōu)選地，溫度傳感器被設(shè)計(jì)為用于直接和/或間接地監(jiān)測(cè)反應(yīng)混合物的實(shí)際溫度。
在優(yōu)選實(shí)施例中，程序被設(shè)計(jì)為使用來(lái)自數(shù)學(xué)模型的溫度分布和/或設(shè)定值。例如，包括該程序的控制器可以被集成在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中和/或是外部計(jì)算機(jī)或兩者的結(jié)合。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該程序被設(shè)計(jì)為用于控制任意溫度設(shè)定值或溫度分布以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的其它所有可控制的參數(shù)，并且也可以用于記錄和評(píng)測(cè)從化學(xué)和/或物理反應(yīng)中得到的任何數(shù)據(jù)(其中主要是溫度數(shù)據(jù))。
在優(yōu)選實(shí)施例中，用于進(jìn)行仿真的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以包括設(shè)計(jì)為用于控制和記錄的控制器，以及用于估算至少任意預(yù)設(shè)和/或監(jiān)測(cè)的溫度分布和/或溫度設(shè)定值。具體地，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以是反應(yīng)量熱器。
所描述的方法可以利用具有所描述特征的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性。優(yōu)選地，包括在加工廠中的工業(yè)反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)溫度特性被仿真。
因此，能夠用單個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真幾個(gè)加工廠的幾部分的動(dòng)態(tài)溫度特性，每次仿真一個(gè)。


以下通過(guò)具體例子并結(jié)合附圖對(duì)以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的方法及確定熟悉模型進(jìn)行詳細(xì)描述。附圖為圖1是具有溫度控制護(hù)套、傳熱單元和控制器的反應(yīng)容器的示意圖；和圖2是仿真方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下，將對(duì)利用合適的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的方法進(jìn)行描述。優(yōu)選地，諸如Mettler-Toledo公司的RC1等的反應(yīng)量熱器被用作實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，在下文中，術(shù)語(yǔ)“反應(yīng)量熱器”將用以代替“實(shí)驗(yàn)室設(shè)備”。然而，相應(yīng)地，可以使用任何合適的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行仿真。
在利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(優(yōu)選地為反應(yīng)量熱器)對(duì)加工廠的任意部分進(jìn)行仿真前，必須確定加工廠的動(dòng)態(tài)特性，尤其是它的動(dòng)態(tài)溫度特性。以下，描述幾個(gè)工業(yè)反應(yīng)器的特性，且確定它們各自的動(dòng)態(tài)溫度特性。
反應(yīng)器的通常表示包括如圖1所示的具有溫度控制設(shè)備2的反應(yīng)容器1、傳熱單元3以及控制單元或控制器4。反應(yīng)器可以或者是加工廠的一部分，或者是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的一部分，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備優(yōu)選為反應(yīng)量熱器。因此，在圖1的說(shuō)明將省略術(shù)語(yǔ)“工業(yè)”和“實(shí)驗(yàn)室”。
在反應(yīng)容器1中，配置攪拌器5，其用于攪拌反應(yīng)容器1中的反應(yīng)混合物6。因?yàn)榉磻?yīng)容器只是部分地被反應(yīng)混合物6填充，所以可以觀測(cè)到渦流的形成。反應(yīng)容器1包括幾個(gè)法蘭7(flange)，用于引入測(cè)量探測(cè)器8和108；并/或包括攪拌器5，用于向容器1中的反應(yīng)混合物6中進(jìn)一步增添反應(yīng)物和/或附著回流冷凝器13。
反應(yīng)容器1由護(hù)套3形式的溫度控制設(shè)備環(huán)繞，該護(hù)套3填充有傳熱介質(zhì)。護(hù)套3具有與具有入口9和出口10，以將該護(hù)套與傳熱單元2相連。傳熱單元2包括自動(dòng)調(diào)溫器11和低溫保持器12，用于提供和保持給定的溫度設(shè)定值和/或給定的溫度分布。自動(dòng)調(diào)溫器和/或低溫保持器可以利用何護(hù)套3相同或不同的傳熱介質(zhì)。通過(guò)控制傳熱介質(zhì)的溫度，可以對(duì)護(hù)套3中的溫度以及反應(yīng)容器1中的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
反應(yīng)器被用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)或過(guò)程。用于進(jìn)行反應(yīng)的說(shuō)明至少包括一種反應(yīng)物或多種反應(yīng)物的種類、添加這些反應(yīng)物的順序、添加這些反應(yīng)物的速度以及至少一個(gè)反應(yīng)溫度和保持此溫度的時(shí)間。通常，同時(shí)也給出攪拌的時(shí)間周期和攪拌強(qiáng)度。
因此，控制單元4用于控制攪拌機(jī)5的速度、隨時(shí)間變化的反應(yīng)溫度，以及適用的情況下控制至少一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物的添加。溫度可以被直接和/或間接地控制。反應(yīng)溫度可以或者通過(guò)直接監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器中的溫度Tr加以確定，或者測(cè)量護(hù)套3的入口9處傳熱介質(zhì)的溫度Tj，in和/或出口10處傳熱介質(zhì)的溫度Tj，out加以確定。這些溫度以給定的時(shí)間間隔監(jiān)測(cè)，這樣確定了檢測(cè)的溫度分布。分別根據(jù)實(shí)際的或所需的反應(yīng)溫度，控制單元4通過(guò)調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)溫器Th和/或低溫保持器的溫度Tc的溫度，和/或通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)自傳熱單元2的傳熱介質(zhì)的流速，來(lái)調(diào)整流入護(hù)套3的傳熱介質(zhì)的溫度。
為了控制、監(jiān)測(cè)和評(píng)估反應(yīng)量熱器和溫度分布，控制器包括具有溫度控制算法的程序。
通常，控制單元4會(huì)設(shè)置溫度分布和/或第一溫度設(shè)定值以及一時(shí)間段τ，在此時(shí)間段τ期間，所述第一溫度得以保持。傳熱單元2會(huì)相應(yīng)地起作用，加熱反應(yīng)混合物6，或者將其冷卻，直到達(dá)到一定的溫度值或溫度分布點(diǎn)，并在給定的時(shí)間段中保持該溫度。在所述第一時(shí)間段后，在另一時(shí)間段中通過(guò)控制單元4設(shè)置第二溫度設(shè)定值等，直到反應(yīng)結(jié)束。此外，以給定的時(shí)間間隔監(jiān)測(cè)至少一個(gè)溫度(優(yōu)選地，用作設(shè)定值的溫度)，這樣控制單元4與包括在其中的程序可以將設(shè)定的溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較，并且如果必要，可以相應(yīng)地調(diào)整下一個(gè)溫度設(shè)定值。
例如，溫度分布和/或設(shè)定值可以與反應(yīng)混合物6的溫度Tr或護(hù)套的入口或出口溫度Tj，in或Tj，out相關(guān)。因而，反應(yīng)器由隨時(shí)間變化的Tr或Tj控制。
反應(yīng)器的能量平衡確定加工廠尤其是給定的工業(yè)反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)溫度特性的常用方法包括其熱平衡的確定。在化學(xué)和/或物理反應(yīng)的過(guò)程中，能量大部分以熱量的形式從工業(yè)反應(yīng)器中增加或移走。
反應(yīng)器的熱平衡描述了能量或熱量流入和流出間的差別。反應(yīng)器的熱平衡的通常表達(dá)式由方程1表示(Σimi·Cpi+CW‾)·dTrdt=(qrx+qdos+qmix+qst)+(qex+qloss+qreflux)---(1)]]>其中，mi和Cpi是反應(yīng)混合物中的第i個(gè)組分或反應(yīng)物的質(zhì)量和熱容。 代表跟隨反應(yīng)混合物溫度Tr變化的工業(yè)反應(yīng)容器的平均熱容。 是兩種影響的結(jié)果由傳熱介質(zhì)濕潤(rùn)的反應(yīng)容器壁和插入反應(yīng)混合物中的物體。用于描述流入的項(xiàng)在第一括號(hào)(qrx+qdos+qmix+qst)中被給出。其包括反應(yīng)能量qrx，其是隨時(shí)間變化的反應(yīng)熱量；由于添加配料產(chǎn)生的輸入能量qdos，其是在添加反應(yīng)物后將實(shí)際溫度調(diào)整到預(yù)設(shè)溫度所需的能量；由于混合焓產(chǎn)生的能量qmix以及攪拌器的能量qst，該攪拌器的能量是通過(guò)攪拌器的運(yùn)動(dòng)加入到反應(yīng)混合物中的能量。用于描述流出的項(xiàng)在第二括號(hào)(qex+qloss+qreflux)中被給出，其包括qex，與傳熱介質(zhì)交換的能量；qloss，向周圍環(huán)境散失的能量；以及qreflux，其是如果反應(yīng)在回流下進(jìn)行時(shí)，在回流冷凝器中耗散的能量。
對(duì)于用于對(duì)給定的工業(yè)反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)溫度特性進(jìn)行仿真的實(shí)驗(yàn)方法，該反應(yīng)器填充有給定量的諸如水或甲苯等惰性化學(xué)液體，方程1可以簡(jiǎn)化為方程2，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)、至少一個(gè)反應(yīng)物的添加和物理變化都不會(huì)發(fā)生。
(mr·Cpr+CW‾)·dTrdt=qst+qex+qloss---(2)]]>其中，mr和Cpr代表工業(yè)反應(yīng)容器中的化學(xué)惰性液體的質(zhì)量和比熱容。
關(guān)于給定的加工廠的某些部分，方程2的多個(gè)參數(shù)可以容易地從文獻(xiàn)中得到，這些文獻(xiàn)包括與加工廠的任何部分相關(guān)的任何科技文獻(xiàn)、圖表以及技術(shù)文檔和說(shuō)明書。其它的參數(shù)必須例如通過(guò)隨后描述的加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定或估算。
反應(yīng)混合物的質(zhì)量mr可以通過(guò)在將其加入工業(yè)反應(yīng)容器前稱量任何反應(yīng)物加以確定。，時(shí)，可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)完成或中斷后稱量剩余反應(yīng)物的量進(jìn)行更精確地確定，這適于只使用少數(shù)反應(yīng)物的情況。
比熱容Cpr是依賴于溫度的，且對(duì)于多種化學(xué)化合物以及一些反應(yīng)混合物，其已經(jīng)被確定。這些數(shù)據(jù)或者可以從文獻(xiàn)中獲得，或者可以利用經(jīng)典的反應(yīng)量熱器預(yù)先進(jìn)行確定。
對(duì)應(yīng)于方程3Cw‾=Σimw,iCpw,i---(3)]]>其關(guān)于隨Tr而變化的反應(yīng)容器的第i個(gè)分量的質(zhì)量mw，i和比熱容Cpw，i。對(duì)包括工業(yè)反應(yīng)器的大部分部分和材料而言，Cpw，i的值是已知的，其可以從文獻(xiàn)中或者從加工廠各自的技術(shù)說(shuō)明書中獲得。因?yàn)閮蓚€(gè)質(zhì)量對(duì)mw，i有貢獻(xiàn)，因此mw，i只能被估算。一個(gè)貢獻(xiàn)是由傳熱介質(zhì)濕潤(rùn)的反應(yīng)容器壁的質(zhì)量，另一個(gè)貢獻(xiàn)是配置在反應(yīng)混合物中的各種組成部分和物體的總質(zhì)量，這些組成部分和物體例如包括攪拌器、測(cè)量探測(cè)器、折流板等。第一個(gè)貢獻(xiàn)可以看作為常量，而第二個(gè)貢獻(xiàn)可以例如通過(guò)所建議的加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)加以確定，或者通過(guò)估算得到。
優(yōu)選地，反應(yīng)混合物的溫度Tr、在護(hù)套入口的溫度Tj，in和/或在護(hù)套出口的溫度Tj，out以及它們隨時(shí)間的變化通過(guò)在反應(yīng)的過(guò)程中監(jiān)測(cè)它們實(shí)際的溫度分布進(jìn)行確定。
攪拌器的能量qst等于由攪拌器加到反應(yīng)混和物中的能量。qst是依賴于溫度的，并且可以用公知的能量方程4進(jìn)行計(jì)算[例如V. Uhl，J.Gray，“Mixing，Theory and Practice”，Vol.1 1966Academic Press，New York]qst(T)=Ne·ρr(T)·n3·da5---(4)]]>其中，Ne代表能量級(jí)數(shù)，pr(T)代表反應(yīng)混合物的依賴于溫度的密度，n代表攪拌速度以及da代表攪拌器直徑。對(duì)于各種類型和尺寸的普通攪拌器，能量級(jí)數(shù)Ne已經(jīng)被確定并可以從文獻(xiàn)中獲得。
傳熱介質(zhì)和反應(yīng)混和物間交換的能量qex可以根據(jù)方程5進(jìn)行計(jì)算qex＝U·A·△Tm(5)U代表總傳熱系數(shù)，A代表包括任何形成的回流的熱交換面積。ATm代表反應(yīng)混和物和傳熱介質(zhì)間的平均溫差。
U的倒數(shù)U-1代表反應(yīng)混和物和傳熱介質(zhì)問(wèn)的總的熱傳導(dǎo)阻抗。U-1由方程6給出U-1=hr-1+dwλw+hj-1=Φ(Tr)+hr-1---(6)]]>其中，hr為內(nèi)部傳熱系數(shù)。hr依賴于反應(yīng)容器的特性、攪拌器速度以及反應(yīng)混和物的熱力學(xué)特性相關(guān)，它們都是依賴于溫度的。對(duì)于工業(yè)反應(yīng)器，λw是反應(yīng)容器壁的導(dǎo)熱率，dw是壁厚，hj是外部傳熱系數(shù)，以及Φ(Tr)是由工業(yè)反應(yīng)器引起的溫度依賴阻抗。
Φ(Tr)通過(guò)先前的實(shí)驗(yàn)或通過(guò)各個(gè)加工廠的技術(shù)說(shuō)明書為已知的，或者可以用實(shí)驗(yàn)方法確定。
hr采用眾所周知的Nusselt方程7進(jìn)行估算(T.Chilton et al.，“HeatTransfer Coefficients in Agitated Vessels”，Industrial & EngineeringChemistry，36(6)，(1944)510-516)hr=C·n2/3·da4/3dr·g1/3·3ρr2·λr2·Cpr·gμr---(7)]]>其中，ρr表示反應(yīng)混和物的密度，λr是它的導(dǎo)熱率，μr是其粘滯率。ρr、λr和μr可以根據(jù)公知的文獻(xiàn)采用四階多項(xiàng)式擬合進(jìn)行估算。C是與攪拌器相關(guān)的常量，它也可以從各類攪拌器的文獻(xiàn)中獲得。g是重力加速度常量，dr是反應(yīng)容器的直徑。
反應(yīng)容器壁產(chǎn)生的阻抗dw/λw(方程6)用壁厚和它的導(dǎo)熱率進(jìn)行估算。
外部傳熱系數(shù)hj可以根據(jù)方程8進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)地估算hj＝a·Tj+b (8)參數(shù)a和b可以利用諸如MathWorks的Matlab等合適的程序通過(guò)最小二乘法擬合取得。用于估算參數(shù)a和b的類似的方程已經(jīng)在如VisiMix公司的Visimix或ProSim的BatchReactor等的仿真程序中被使用。
對(duì)于給定的工業(yè)反應(yīng)器，參數(shù)a和b假定為常數(shù)，因而和反應(yīng)混和物、引入混和物中元素的質(zhì)量以及攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)。
三項(xiàng)對(duì)反應(yīng)混和物和傳熱介質(zhì)間的熱交換面積有貢獻(xiàn)，分別為反應(yīng)容器的底面積、側(cè)面積和回流面積。當(dāng)給定的反應(yīng)容器只是部分填充時(shí)，回流面積變得更加重要。在那種情況中，高的攪拌器速度在反應(yīng)混和物中導(dǎo)致回流的形成，實(shí)際的熱交換面積類似于完全填充的反應(yīng)容器的熱交換面積。形成的回流也依賴于反應(yīng)容器的幾何形狀，而對(duì)于每個(gè)給定的工業(yè)反應(yīng)容器，且對(duì)不同的填充水平和不同的攪拌器速度(優(yōu)選地，至少使用了兩種不同的填充水平和至少兩種不同的攪拌器速度)，形成的回流必須以實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行確定。
方程5的最后一個(gè)參數(shù)是反應(yīng)混和物和傳熱介質(zhì)間的溫差ΔTm，它可以根據(jù)方程9或10進(jìn)行計(jì)算，該溫差ΔTm依賴于在護(hù)套入口測(cè)得的溫度Tj，in、在護(hù)套出口測(cè)得的溫度Tj，out以及反應(yīng)混和物的溫度Tr
通常ΔTm=(Tj,in-Tr)-(Tj,out-Tr)ln(Tj,in-TrTj,out-Tr)---(9)]]>而當(dāng)(Tj，in-Tr)/(Tj，out-Tr)＜0時(shí)ΔTm=(Tj,in+Tj,out)2-Tr---(10)]]>方程1或2中的一項(xiàng)為能量損失qloss引起的能量它的重要性分別隨反應(yīng)混合物和工業(yè)反應(yīng)器或反應(yīng)容器之間的溫度差和反應(yīng)混合物與周圍環(huán)境間的溫度差增加而增加。qloss也依賴于用于反應(yīng)容器的隔離類型。它由方程11表示qloss＝Uloss·Aloss·(Tamb-Tr) (11)其中，Uloss·Aloss是能量損失的有效傳熱系數(shù)，而Tamb是環(huán)境空氣溫度。通過(guò)將hj替換為空氣中的傳熱系數(shù)hj，air，Uloss可以由方程6所示的方法進(jìn)行估算。對(duì)于具體的方法，hj，air可以由方程12進(jìn)行確定hj，air＝8+0.04·(Tw-Tamb) (12)其中，Tw是反應(yīng)容器壁的溫度。
根據(jù)上述的方程，對(duì)五個(gè)不同的工業(yè)反應(yīng)器，包括外部傳熱系數(shù)hj的反應(yīng)器的熱平衡根據(jù)方程2到12進(jìn)行確定。外部傳熱系數(shù)hj的參數(shù)a和b以及形成回流的參數(shù)可以以實(shí)驗(yàn)方法確定和/或從至少一個(gè)加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行估算。
溫度控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度演變護(hù)套溫度Tj構(gòu)成工業(yè)反應(yīng)器的熱平衡，并可以采用合適的測(cè)量探測(cè)器監(jiān)測(cè)其隨時(shí)間的變化。通常，在反應(yīng)的過(guò)程中確定護(hù)套的入口溫度Tj，in和出口溫度Tj，out隨時(shí)間的變化。
在加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)中，溫度的測(cè)量結(jié)果顯示各個(gè)加工廠的傳熱單元在加熱和冷卻期間表現(xiàn)不同。因此，在描述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的數(shù)學(xué)模型中，有必要不僅包括護(hù)套溫度，同時(shí)也要包括護(hù)套的動(dòng)態(tài)溫度演變。
每個(gè)加工廠以及每個(gè)反應(yīng)量熱器具有其自己的動(dòng)態(tài)溫度演變或特性，這種變化或特性依賴于例如所用的溫度控制算法的幾個(gè)參數(shù)以及溫度控制設(shè)備、傳熱單元的特性，并依賴于反應(yīng)容器的尺寸。
只要由控制單元提供了新的溫度設(shè)定值，即使具有非?？焖倨鹱饔玫膫鳠釂卧诜磻?yīng)混和物的溫度達(dá)到所述的設(shè)定值之前都會(huì)有時(shí)間的延遲。這個(gè)時(shí)間延遲類似溫度增加，并依賴于例如控制算法、傳熱單元的功率、傳熱介質(zhì)和它的流速，以及依賴于反應(yīng)容器和護(hù)套的物理特性。為了計(jì)算護(hù)套的動(dòng)態(tài)溫度演變，必須考慮控制每個(gè)單獨(dú)的工業(yè)反應(yīng)器的算法，這是因?yàn)閷?duì)不同的溫度控制設(shè)備傳熱單元和護(hù)套溫度的操作和控制分別可以極端地發(fā)生變化。
例如，一些溫度控制設(shè)備(這里為護(hù)套)以如下方式進(jìn)行控制當(dāng)提供了新的溫度設(shè)定值時(shí)，在護(hù)套和傳熱單元間的閥首先被完全打開。只有當(dāng)已達(dá)到該設(shè)定值時(shí)，該閥才會(huì)再次被部分或完全關(guān)閉。因此，在文獻(xiàn)[W.Luyben“Process Modeling，Simulation，and Control forChemical Engineers”，(1990)McGraw-Hill]中提出的根據(jù)方程13的簡(jiǎn)單一階方法沒(méi)有充分地模擬護(hù)套溫度y(t)=G·[1-exp(-tτ)]---(13)]]>在文獻(xiàn)中假定在設(shè)定值溫度Tj，set和護(hù)套溫度Tj間的傳遞函數(shù)y(t)遵循一階模型，其中，y(t)為歸一化輸出函數(shù)，G為控制增益，τ為時(shí)間常量。
對(duì)于具有溫度控制設(shè)備的加工廠，該溫度控制設(shè)備在加熱和/或冷卻期間起不同作用，必須對(duì)方程13加以調(diào)整，以描述在每個(gè)單獨(dú)的加工廠中所用的溫度控制算法。例如，在加熱或冷卻過(guò)程中具有不同作用的P帶控制器可以由方程14描述加熱過(guò)程，類似地描述冷卻過(guò)程(見(jiàn)表3)如果|Tj-Tj，set|＞c·(Tj，set-Tj，0)那么dTjdt=Tj,max-TjTh---(14)]]>否則dTjdt=Tj,set-TjTh]]>
其中c是參數(shù)，它可以由與方程8的a和b的確定類似的方法通過(guò)最小二乘法擬合確定。
和方程14不同，護(hù)套動(dòng)態(tài)特性的完整描述將需要求解并計(jì)算方程15和方程16兩個(gè)方程，以分別確定Tj和Tj，in。
mj·Cpj·dTjdt=m·j·Cpj·(Tj,in-Tj,out)-U·A·(Tj-Tr)+qloss---(15)]]>其中m為傳熱介質(zhì)的總質(zhì)量， 為它的流率，Cpj為傳熱介質(zhì)的比熱容用于Tj的計(jì)算，以及mj,in·Cpj·dTj,indt=qhx+qloss---(16)]]>其中，mj，in是傳熱單元中的傳熱介質(zhì)的質(zhì)量，qhx是由傳熱單元提供的能量用于確定Tj，in。傳熱單元可以利用例如電、蒸汽、冷水和/或海水等進(jìn)行反應(yīng)混和物的溫度控制。
能夠?qū)γ總€(gè)給定的工業(yè)反應(yīng)器以及傳熱單元的幾何結(jié)構(gòu)和控制閥的幾何結(jié)構(gòu)，確定參數(shù)mj，in和qhx，同時(shí)能夠確定蒸汽壓力、用于冷卻傳熱介質(zhì)的如冷水或海水等媒質(zhì)溫度以及由傳熱單元提供的用于加熱的能量。
對(duì)于實(shí)驗(yàn)的方法，根據(jù)方程14確定溫度控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度演變是足夠的。
加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)在前述的針對(duì)五個(gè)工業(yè)反應(yīng)器A到E中的每個(gè)進(jìn)行的加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)中，至少監(jiān)測(cè)在反應(yīng)容器中反應(yīng)混和物的溫度Tr隨時(shí)間的變化，這樣可以確定溫度分布。優(yōu)選地，也監(jiān)測(cè)護(hù)套出口溫度Tj，out和護(hù)套入口溫度Tj，in隨時(shí)間的變化。
這些分別從每個(gè)工業(yè)反應(yīng)器監(jiān)測(cè)得到的溫度數(shù)據(jù)與關(guān)于每個(gè)工業(yè)反應(yīng)器的各自的溫度控制算法的信息相結(jié)合，用于確定隨時(shí)間變化的護(hù)套的動(dòng)態(tài)溫度演變。因?yàn)榇蟛糠旨庸S的傳熱單元包括用于加熱的裝置以及用于冷卻的裝置，所以必須對(duì)加熱和冷卻階段確定各自的表達(dá)式。
對(duì)于加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)，五個(gè)工業(yè)反應(yīng)器中的每個(gè)的反應(yīng)容器分別以三種不同質(zhì)量的甲苯或水填充。三個(gè)質(zhì)量相應(yīng)于反應(yīng)容積1/3、2/3或3/3的填充水平。對(duì)每種質(zhì)量的甲苯或水，進(jìn)行具有不同攪拌速度的三個(gè)實(shí)驗(yàn)。甲苯或水在預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)被加熱，然后再在另一預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)被冷卻。依靠各個(gè)加工廠的能力，使用溫度在大約20℃和大約95℃間的水以及溫度在大約-30℃和大約105℃間的甲苯。
在五個(gè)不同的工業(yè)反應(yīng)器A到E中，進(jìn)行了這些加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)，這些反應(yīng)器A到E所具有的特性總結(jié)于下表1中。
表1

五個(gè)反應(yīng)器A到E具有的體積非常不同，同時(shí)它們?cè)趲缀谓Y(jié)構(gòu)、材料種類、所用的傳熱介質(zhì)以及特別是它們的溫度控制設(shè)備等方面也不相同。
在加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)期間，監(jiān)測(cè)例如反應(yīng)混和物的溫度Tr以及護(hù)套入口溫度Tj，in和/或護(hù)套出口溫度Tj，out等不同的溫度隨時(shí)間的變化。
對(duì)于工業(yè)反應(yīng)器的熱平衡，根據(jù)方程1到方程12，由加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定的以下參數(shù)總結(jié)在表2中表2

工業(yè)反應(yīng)器A到E對(duì)應(yīng)與包括在各個(gè)加工廠中的各個(gè)工業(yè)反應(yīng)器。參數(shù)a和b構(gòu)成外部傳熱系數(shù)hj(方程8)。
對(duì)于某些應(yīng)用，必須進(jìn)一步考慮附加的項(xiàng)以用于諸如蒸發(fā)能量qvap等反應(yīng)器的熱平衡的確定，尤其是當(dāng)溶劑的沸點(diǎn)和/或非常低的護(hù)套溫度屬于有意義的溫度區(qū)域時(shí)。
對(duì)于五個(gè)工業(yè)反應(yīng)器A到E，根據(jù)方程14確定的護(hù)套的動(dòng)態(tài)溫度演變?cè)谙卤?種給出
表3 優(yōu)選地，最大護(hù)套溫度Tj，max和最小護(hù)套溫度Tj，min以及用于加熱狀態(tài)的時(shí)間常量τh和用于冷卻狀態(tài)的時(shí)間常量τc和參數(shù)c采用多次最小二乘法擬合確定。特別地，使用了多次最小二乘法擬合，該擬合與普通的Rosenbrock集成方法相關(guān)，包括優(yōu)化算法，并與R.Macey和G.Oster的伯克利Madonna軟件相結(jié)合。
仿真到此為止示出了能夠?qū)⒓庸S的至少一部分尤其是它的工業(yè)反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)溫度特性描述為所述反應(yīng)器的熱平衡和其溫度控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度演變的結(jié)合，該溫度控制設(shè)備也稱為護(hù)套。
基于一組完整的加熱/冷卻曲線，確定每個(gè)工業(yè)反應(yīng)器如a、b、c、Tj，min、Tj，max、τh和τc等各個(gè)參數(shù)，對(duì)每個(gè)單獨(dú)的工業(yè)反應(yīng)器，建立用于其描述動(dòng)態(tài)溫度特性的完整數(shù)學(xué)模型。完整的數(shù)學(xué)模型被用于確定溫度分布和/或溫度設(shè)定值，以控制反應(yīng)量熱器。
反應(yīng)量熱器的控制器包括具有溫度控制算法的程序，并利用以溫度-時(shí)間形式的曲線和/或離散的溫度設(shè)定值形式的溫度分布，來(lái)控制反應(yīng)量熱器和在其中進(jìn)行的任何反應(yīng)。該程序控制任何設(shè)定值溫度以及所有其它可控制的參數(shù)。優(yōu)選地，該程序也可用于記錄和估算在化學(xué)和/或物理反應(yīng)過(guò)程中取得的任何數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是溫度數(shù)據(jù)。這個(gè)程序的實(shí)例是由Mettler Toledo開發(fā)的WinRC軟件，尤其是Mettler Toledo的RC1，用于控制反應(yīng)量熱器，以及估算任何記錄的數(shù)據(jù)。
當(dāng)預(yù)設(shè)的溫度分布和/或設(shè)定值來(lái)自描述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的數(shù)學(xué)模型時(shí)，反應(yīng)量熱器模仿動(dòng)態(tài)溫度，并且在類似加工廠的那些溫度條件下進(jìn)行反應(yīng)。
數(shù)學(xué)模型或者是該程序的一部分，或者至少能與該程序交換數(shù)據(jù)，尤其是具有溫度控制算法的程序。
以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模對(duì)加工廠的至少一部分的進(jìn)行仿真遵循如圖2所示的圖表。
首先，反應(yīng)量熱器必須被初始化，且已知的參數(shù)必須輸入程序中。這些參數(shù)包括固定參數(shù)和用戶定義的參數(shù)，例如與待仿真的加工廠的至少一部分、尤其是工業(yè)反應(yīng)器和它的各個(gè)部分(dR，da，dw，λw， C，Ne)的比例和特性相關(guān)的參數(shù)，例如，與要進(jìn)行的反應(yīng)相關(guān)的參數(shù)(mr，n)、初始溫度(Tr，0，Tj，0)、溫度分布和/或溫度設(shè)定值(Tr，set，Tj，set)以及最小和/或最大絕對(duì)溫度(Tsafe)等。
與用經(jīng)典的反應(yīng)量熱器進(jìn)行的反應(yīng)相關(guān)的更多參數(shù)也要送入程序中。這些參數(shù)在開始任何仿真前通過(guò)在經(jīng)典的反應(yīng)量熱器中進(jìn)行所研究的反應(yīng)獲得，這些參數(shù)主要是熱力學(xué)參數(shù)和特性。優(yōu)選地，在不同的反應(yīng)溫度下，至少進(jìn)行兩次反應(yīng)。
初始化后在反應(yīng)量熱器中開始反應(yīng)，同時(shí)反應(yīng)量熱器由來(lái)自數(shù)學(xué)模型的溫度分布控制。
在對(duì)應(yīng)于定時(shí)器事件k的第一時(shí)間間隔Δt后，至少一個(gè)溫度被測(cè)量。優(yōu)選地，確定反應(yīng)混合物的溫度Tr(k)、護(hù)套溫度Tj(k)和預(yù)設(shè)溫度Tset(k)(可以是Tj，set(k)或Tr，set(k))，這些溫度每個(gè)由配置在反應(yīng)量熱器中的不同測(cè)量探測(cè)器測(cè)量。反應(yīng)混合物的質(zhì)量mr(k)也可以通過(guò)稱量裝置測(cè)量。時(shí)間間隔Δt可由用戶設(shè)定，優(yōu)選地，其范圍在1秒和幾分鐘間。
在第一時(shí)間間隔后確定的溫度和質(zhì)量用于計(jì)算和更新方程1到16中涉及的一些參數(shù)，即隨Tr變化的熱轉(zhuǎn)換X、隨Tr和X變化的有效傳熱系數(shù)U·A、隨Tr變化的損耗引起的能量qloss、隨Tr和X變化的反應(yīng)混合物的比熱容Cpr以及隨Tr變化的由于配料產(chǎn)生的能量qdos。
這些更新的參數(shù)值和溫度值用于計(jì)算反應(yīng)量熱器(RC)本身的第一熱平衡，用以根據(jù)方程17在給定的定時(shí)器事件k中計(jì)算反應(yīng)熱qrRCqrRC=mrRC·CprRC·ΔTrRCΔt+U·A·(TrRC-TjRC)+qdosRC-qlossRC---(17)]]>根據(jù)方程17在給定的定時(shí)器事件中取得的反應(yīng)熱qrRC(k)按乘以比例因子以得到qrind(k)。優(yōu)選地，該比例因子與把反應(yīng)量熱器中的反應(yīng)質(zhì)量與在工業(yè)反應(yīng)器的假定反應(yīng)質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)。
然后，對(duì)仿真的工業(yè)反應(yīng)器(ind)計(jì)算第二熱平衡，并且根據(jù)方程18計(jì)算在時(shí)間間隔Δt中工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)混合物的溫度的假定變化。
ΔTrind=qrind+qexind+qstind+qlossind(mrind·Cprind)+Cwind‾·Δt---(18)]]>方程18中的各項(xiàng)根據(jù)上述的方程1到17求出。
此外，確定qrind(k)、Trind(k)和Tjind(k)。這些溫度與為反應(yīng)量熱器設(shè)定的安全裕量Tj，safeRC(k)和Tr，safeRC(k)進(jìn)行比較。當(dāng)計(jì)算的溫度值在安全裕量之上，反應(yīng)終止。
當(dāng)溫度仍處于預(yù)設(shè)的安全裕量中時(shí)，反應(yīng)量熱器(RC)的護(hù)套溫度Tj，setRC的新的設(shè)定值值從工業(yè)反應(yīng)器的反應(yīng)混合物的溫度Trind計(jì)算得出。Tj，setRC可以用根據(jù)方程19的傳統(tǒng)PI控制器函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)量熱器的控制動(dòng)態(tài)特性的預(yù)期Tj,setRC=Trind+K·((Trind-TrRC)+I-1·∫0t(Trind-TrRC)·dt)---(19)]]>其中，K和I分別是比例參數(shù)和積分參數(shù)。
所用的熱平衡方程可以對(duì)工業(yè)反應(yīng)器中的溫度演變進(jìn)行很好的描述。不僅如此，把護(hù)套的動(dòng)態(tài)溫度演變作為兩個(gè)動(dòng)態(tài)一階系統(tǒng)處理允許跟隨設(shè)定值的變化對(duì)溫度演變進(jìn)行描述。
設(shè)定新的溫度設(shè)定值Tj，setRC，定時(shí)器相加k＝k+1。
測(cè)量溫度、計(jì)算qrRC、按比例變化及決定新的溫度設(shè)定值Tj，setRC的程序被遵循或被重復(fù)，直到反應(yīng)到達(dá)由kreact所定義的結(jié)束時(shí)刻為止，或者因?yàn)檫_(dá)到預(yù)設(shè)的安全裕量，反應(yīng)不得不中止時(shí)為止。
優(yōu)選地，護(hù)套溫度TjRC被用作設(shè)定值溫度Tj，setRC，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)，當(dāng)新的設(shè)定值溫度發(fā)送到反應(yīng)量熱器時(shí)，反應(yīng)溫度不會(huì)立即進(jìn)行調(diào)整，TrRC與它的設(shè)定值Tr，setRC間具有與瞬態(tài)的溫度增加成比例的延遲。
因此，通?？刂谱o(hù)套溫度TjRC而不是反應(yīng)混和物的溫度TrRC，因?yàn)門jRC的變化比TrRC要快得多，尤其當(dāng)使用如Mettler Toledo的RC1等的反應(yīng)量熱器時(shí)，該反應(yīng)量熱器具有強(qiáng)大的傳熱單元。
這種仿真方法非常寶貴的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)動(dòng)態(tài)特性不是預(yù)測(cè)加工廠熱特性的前提，而只是預(yù)測(cè)加工廠特別是工業(yè)反應(yīng)器的溫度動(dòng)力學(xué)的必要前提。
這種仿真方法極其有用，尤其是對(duì)發(fā)熱或溫度依賴的反應(yīng)和過(guò)程的規(guī)模擴(kuò)大而言非常有用，這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)尚且處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模時(shí)，就可以預(yù)測(cè)工業(yè)規(guī)模下該反應(yīng)的特性以及生產(chǎn)率。反應(yīng)的方法和反應(yīng)動(dòng)態(tài)特性都不必為本專業(yè)的技術(shù)人員所明確知曉重點(diǎn)只在于熱量數(shù)據(jù)和溫度控制。
用所提供的仿真方法，可以用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行反應(yīng)并預(yù)測(cè)該反應(yīng)的工業(yè)規(guī)模的特性。當(dāng)所用的反應(yīng)混和物的組成非常類似工業(yè)條件下所使用的情況時(shí)，該預(yù)測(cè)會(huì)更加準(zhǔn)確。
參考標(biāo)號(hào)1反應(yīng)容器2傳熱單元3溫度控制設(shè)備4控制單元5攪拌器6反應(yīng)混合物7法蘭8，108 測(cè)量探測(cè)器9入口10 出口11 自動(dòng)調(diào)溫器12 低溫保持器13 回流冷凝器符號(hào)A熱交換區(qū)域(包括渦流形成) [m2]a變量 [Wm-2K-2]b變量 [Wm-2K-1]c變量 [-]or[℃]C攪拌器常數(shù) [-]Cpi反應(yīng)混合物第i個(gè)組分的熱容[Jkg-1K-1]
Cpj傳熱液體的熱容 [Jkg-1K-1]Cpr反應(yīng)混合物的熱容[Jkg-1K-1] 反應(yīng)器的平均熱容[JK-1]da攪拌器直徑 [m]dr反應(yīng)容器直徑[m]dw反應(yīng)容器壁厚[m]g重力加速度常量 [ms-2]G控制增益[-]hj外部傳熱系數(shù)[Wm-2K-1]hj，air由空氣引起的外部傳熱系數(shù)[Wm-2K-1]hr內(nèi)部傳熱系數(shù)[Wm-2K-1]K比例項(xiàng) [-]I積分項(xiàng) [s]mi反應(yīng)混合物第i個(gè)組分的質(zhì)量 [kg]mj傳熱介質(zhì)總質(zhì)量 [kg]mj傳熱介質(zhì)質(zhì)量流速[kgs-1]mr反應(yīng)混合物質(zhì)量 [kg]mw，i反應(yīng)容器壁中第i個(gè)組分的質(zhì)量 [kg]n攪拌器旋轉(zhuǎn)速度 [s-1]Ne 能量級(jí)數(shù)[-]qdos由于添加配料產(chǎn)生的輸入能量 [W]qex與傳熱介質(zhì)交換的能量[W]
qhx由傳熱單元提供的能量 [W]qloss向周圍環(huán)境散失的能量 [W]qmix由于混合焓產(chǎn)生的能量 [W]qrx反應(yīng)能量 [W]qreflux在回流冷凝器中耗散的能量 [W]qst攪拌器的能量 [W]qvap蒸發(fā)能量 [W]t 時(shí)間 [s]T 溫度 [K]Tamb環(huán)境空氣溫度 [K]Tj護(hù)套溫度 [K]Tj，0初始平均護(hù)套溫度 [K]Tj，in護(hù)套液體的入口溫度[K]Tj，max模型的最大護(hù)套溫度[K]Tj，min模型的最小護(hù)套溫度[K]Tj，out護(hù)套液體的出口溫度[K]Tj，set護(hù)套設(shè)定值溫度[K]Tr反應(yīng)混合物溫度[K]Tr，0反應(yīng)化合物的初始溫度 [K]Tr，set反應(yīng)化合物的設(shè)定值溫度[K]Tw反應(yīng)容器壁的溫度 [K]U 總傳熱系數(shù) [Wm-2K-1]
X 熱轉(zhuǎn)換 [-]希臘符號(hào)ΔTm反應(yīng)混和物和傳熱介質(zhì)間的平均溫差 [K]Δt時(shí)間間隔[K]λr反應(yīng)混合物的熱傳導(dǎo)率 [Wm-1K-1]λw反應(yīng)容器壁的熱傳導(dǎo)率 [Wm-1K-1]μr反應(yīng)混合物的粘滯率 [kgm-1s-1]ρr反應(yīng)混合物的密度 [kgm-3]τ 時(shí)間常數(shù) [s]τc冷卻時(shí)間常數(shù) [s]τh加熱時(shí)間常數(shù) [s]Φ(Tr) 反應(yīng)器引起的溫度依賴阻抗 [m2KW-1]
權(quán)利要求
1.一種使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的方法，所述加工廠包括工業(yè)反應(yīng)器，其具有用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)的工業(yè)反應(yīng)容器；工業(yè)溫度控制設(shè)備，其與所述工業(yè)反應(yīng)容器相互作用；工業(yè)傳熱單元，其與所述工業(yè)溫度控制設(shè)備相互作用；以及控制單元，其至少用于控制所述工業(yè)溫度控制設(shè)備；所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器，用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備，其與所述實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相互作用；實(shí)驗(yàn)室傳熱單元，其與所述實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相互作用；以及控制器，其用于操作和控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。所述方法的特征在于以給定的時(shí)間間隔提供溫度分布和/或溫度設(shè)定值，用于控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備；其中所述溫度分布和/或溫度設(shè)定值從數(shù)學(xué)模型導(dǎo)出，所述數(shù)學(xué)模型用于描述所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性；以及，其中所述溫度分布和/或所述溫度設(shè)定值被所述控制器利用以控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溫度分布和/或溫度設(shè)定值被用于控制與所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相關(guān)的至少一個(gè)溫度，尤其是與所述實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相關(guān)的溫度或與所述溫實(shí)驗(yàn)室度控制設(shè)備相關(guān)的溫度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的數(shù)學(xué)模型至少部分地從所述工業(yè)反應(yīng)器的至少一個(gè)特征特性導(dǎo)出和/或由所述特征特性導(dǎo)出的至少一個(gè)物理或化學(xué)參數(shù)導(dǎo)出，所述特性包括所述加工廠的至少一部分的配置、幾何形狀和/或材料。
4.如權(quán)利要求1到3中的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述的數(shù)學(xué)模型至少部分地從所述加工廠的至少一部分的熱平衡導(dǎo)出，其中，所述熱平衡是描述隨時(shí)間變化的總熱流的表達(dá)式。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，形成所述加工廠的至少一部分的熱平衡的至少一個(gè)參數(shù)通過(guò)至少一個(gè)加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)方法被估計(jì)，所述加熱/冷卻實(shí)驗(yàn)在所述工業(yè)反應(yīng)容器中至少用一個(gè)組件進(jìn)行，優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)用工業(yè)反應(yīng)器的至少兩個(gè)不同的填充水平進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，形成所述加工廠的至少一部分的熱平衡的至少一個(gè)參數(shù)與所述溫度控制設(shè)備的至少一個(gè)特征特性相關(guān)，尤其是與它的動(dòng)態(tài)溫度演變相關(guān)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對(duì)所述加工廠的至少一部分，所述溫度控制設(shè)備的動(dòng)態(tài)溫度演變用實(shí)驗(yàn)方法單獨(dú)進(jìn)行確定。
8.一種方法，具體是如權(quán)利要求1到7中的任意一項(xiàng)所述的方法，用于使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性，所述加工廠包括工業(yè)反應(yīng)器，其具有用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)的工業(yè)反應(yīng)容器；工業(yè)溫度控制設(shè)備，其與所述工業(yè)反應(yīng)容器相互作用；工業(yè)傳熱單元，其與所述工業(yè)溫度控制設(shè)備相互作用；以及控制單元，其至少用于控制所述工業(yè)溫度控制設(shè)備；所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器，其用于進(jìn)行化學(xué)和/或物理反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備，其與所述實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相互作用；實(shí)驗(yàn)室傳熱單元，其與所述實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相互作用；以及控制器，其用于操作和控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，其中，所述控制器包括具有溫度控制算法的程序；其特征在于，所述方法包括以下步驟a.確定用于描述所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的數(shù)學(xué)模型；b.以給定的時(shí)間間隔，從用于描述所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的所述數(shù)學(xué)模型中導(dǎo)出溫度分布和/或溫度設(shè)定值；c.在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行仿真所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的化學(xué)和/或物理反應(yīng)；d.利用以給定時(shí)間間隔提供的且從所述數(shù)學(xué)模型中導(dǎo)出的所述溫度分布和/或所述設(shè)定值控制以所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性；e.以給定的時(shí)間間隔測(cè)量至少一個(gè)溫度，所述溫度與所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的至少一部分相關(guān)和/或與所述化學(xué)和/或所述物理反應(yīng)相關(guān)；f.以給定的時(shí)間間隔，用測(cè)得的至少一個(gè)溫度計(jì)算與所述化學(xué)和/或所述物理反應(yīng)相關(guān)的至少一個(gè)熱力學(xué)特性。g.重復(fù)d到f的步驟，直到與所述化學(xué)和/或所述物理反應(yīng)相關(guān)的預(yù)定的特性或參數(shù)值表明所述反應(yīng)結(jié)束為止。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，用于定義所述化學(xué)和/或所述物理反應(yīng)結(jié)束的預(yù)定特性或參數(shù)由與所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的至少一部分和/或所述化學(xué)和/或所述物理反應(yīng)相關(guān)的預(yù)設(shè)的最大溫度或最小溫度、所述反應(yīng)的至少一個(gè)反應(yīng)物的消耗率、生產(chǎn)率、產(chǎn)量、熱釋放率或預(yù)設(shè)的反應(yīng)時(shí)間或它們的組合導(dǎo)出。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，對(duì)用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性時(shí)所取得的熱力學(xué)特性的值，通過(guò)施加對(duì)應(yīng)于所述加工廠和所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備間的差別，尤其是對(duì)應(yīng)于反應(yīng)容器的體積和/或反應(yīng)質(zhì)量的比例因子而進(jìn)行比例變化。
11.如權(quán)利要求1到10中的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述化學(xué)和/或物理反應(yīng)的過(guò)程中，所述溫度分布和/或所述溫度設(shè)定值是可適應(yīng)的。
12.一種用于執(zhí)行如權(quán)利要求1到11中的任意一項(xiàng)所述方法的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器；實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備，其與所述實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器相互作用；實(shí)驗(yàn)室傳熱單元，其與所述實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備相互作用；至少一個(gè)溫度探測(cè)器；以及控制器，其用于控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并包括具有溫度控制算法的程序。
13.如權(quán)利要求12所述的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括直接和/或間接操作的溫度控制設(shè)備。
14.如權(quán)利要求12或13所述的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，其特征在于，至少有一個(gè)所述溫度探測(cè)器配置于所述反應(yīng)容器中和/或所述溫度控制設(shè)備中。
15.如權(quán)利要求12到14中任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，其特征在于，所述程序被設(shè)計(jì)為利用自所述數(shù)學(xué)模型導(dǎo)出的溫度分布和/或溫度設(shè)定值。
16.如權(quán)利要求12到15中的任意一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括設(shè)計(jì)為用于控制、檢測(cè)以及用于評(píng)估至少任意的預(yù)設(shè)和/或監(jiān)測(cè)的溫度分布和/或溫度設(shè)定值的控制器。
17.如權(quán)利要求1到11中的任意一項(xiàng)所述的采用根據(jù)權(quán)利要求12到15中任意一項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性的方法的使用。
全文摘要
提供了一種方法、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備以及兩者的結(jié)合使用，以采用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備仿真加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性，該加工廠尤其指工業(yè)反應(yīng)器。該方法的特征在于以給定的時(shí)間間隔提供溫度分布和/或溫度設(shè)定值，用于控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備；其中所述溫度分布和/或溫度設(shè)定值由數(shù)學(xué)模型導(dǎo)出，所述數(shù)學(xué)模型描述所述加工廠的至少一部分的動(dòng)態(tài)溫度特性；以及，其中所述溫度分布和/或所述溫度設(shè)定值被程序采用以控制所述實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。
文檔編號(hào)G05B17/02GK1932702SQ20061015349
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者伯努瓦·祖菲雷伊, 弗朗西斯·斯托塞爾, 烏爾斯·格羅特 申請(qǐng)人:梅特勒-托利多公開股份有限公司