裝置的穩(wěn)定性,顯然在設(shè)計它的控制系統(tǒng)時,是極為重要的問題,而化學(xué)反應(yīng)器在這方面則提供了很多重要的實例。根據(jù)反應(yīng)器設(shè)計得緊湊、完善這一要求而制作的設(shè)備,在正常運轉(zhuǎn)時是完全有利可圖的,但它往往極難控制。例如,它們對外部條件的微小變化可能十分敏感,如果由此而被迫停車的話,那么,設(shè)備的收益就會急劇下降。因此,在考慮反應(yīng)器設(shè)計方案時,必須注意到反應(yīng)器的穩(wěn)定性及其控制問題。
化學(xué)工程中的最優(yōu)化,意味著采用某些數(shù)學(xué)方法,以尋找從某種意義上是“最佳”的設(shè)計變量或操作變量的特定值。通常,最佳的實現(xiàn)僅是很不全面的,但只要所選用的理想數(shù)學(xué)模型能與現(xiàn)實足夠接近,最優(yōu)化方法仍然能使設(shè)計或操作得到很大的改善。本書前已提及的幾個設(shè)計反應(yīng)器的例子,可作為計算的依據(jù)。
在某些情況下,對連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中進行放熱反應(yīng)所作的物料衡算和熱量衡算式,是怎樣出現(xiàn)三個交點的。這三個交點的中間一個代表不穩(wěn)定態(tài),只要和d點稍有偏離,系統(tǒng)便會向二個穩(wěn)定態(tài)c點或e點移動。
這種存在有穩(wěn)定態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng),最根本的是在交點處移熱曲線的斜率應(yīng)大于放熱曲線的斜率。對穩(wěn)定性來說它是一個必要條件,但不是充分條件。在某些情況下,對連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器來說,例如在交點e處會顯示出振蕩型的不穩(wěn)定性。在絕熱操作時,亦即沒有傳熱項時,上述情況就不會發(fā)生。但當濃度和溫度的變化不協(xié)調(diào)時,這種情況還會發(fā)生。對任何運轉(zhuǎn)中的設(shè)備來說,振幅的不斷增大,顯然是不能容許的事。這種振蕩的范圍若比較窄時,通常可按定常態(tài)時的線性問題來處理,而當振蕩變得很大時,它的型式就要按非線性問題來處理。在實際上,重要的問題是在特定的環(huán)境下,這種振蕩究竟是否會發(fā)生。