装置的稳定性,显然在设计它的控制系统时,是极为重要的问题,而化学反应器在这方面则提供了很多重要的实例。根据反应器设计得紧凑、完善这一要求而制作的设备,在正常运转时是完全有利可图的,但它往往极难控制。例如,它们对外部条件的微小变化可能十分敏感,如果由此而被迫停车的话,那么,设备的收益就会急剧下降。因此,在考虑反应器设计方案时,必须注意到反应器的稳定性及其控制问题。
化学工程中的最优化,意味着采用某些数学方法,以寻找从某种意义上是“最佳”的设计变量或操作变量的特定值。通常,最佳的实现仅是很不全面的,但只要所选用的理想数学模型能与现实足够接近,最优化方法仍然能使设计或操作得到很大的改善。本书前已提及的几个设计反应器的例子,可作为计算的依据。
在某些情况下,对连续搅拌釜式反应器中进行放热反应所作的物料衡算和热量衡算式,是怎样出现三个交点的。这三个交点的中间一个代表不稳定态,只要和d点稍有偏离,系统便会向二个稳定态c点或e点移动。
这种存在有稳定态的反应系统,最根本的是在交点处移热曲线的斜率应大于放热曲线的斜率。对稳定性来说它是一个必要条件,但不是充分条件。在某些情况下,对连续搅拌釜式反应器来说,例如在交点e处会显示出振荡型的不稳定性。在绝热操作时,亦即没有传热项时,上述情况就不会发生。但当浓度和温度的变化不协调时,这种情况还会发生。对任何运转中的设备来说,振幅的不断增大,显然是不能容许的事。这种振荡的范围若比较窄时,通常可按定常态时的线性问题来处理,而当振荡变得很大时,它的型式就要按非线性问题来处理。在实际上,重要的问题是在特定的环境下,这种振荡究竟是否会发生。