[科普中國(guó)]-非定態(tài)操作

過(guò)程從嚴(yán)格意義上說(shuō)都是非定態(tài)的。模型化是處理非定態(tài)操作的主要工具。非定態(tài)操作可以用于實(shí)現(xiàn)多種目標(biāo),如用于進(jìn)行過(guò)程的鑒別,強(qiáng)制的非定態(tài)操作以改善過(guò)程的性能,作為對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的手段等等。另外,間歇操作作為一種非定態(tài)操作,其控制和優(yōu)化非常值得重視。

簡(jiǎn)介過(guò)程的操作方式可分為間歇和連續(xù)。間歇顯然是一種非定態(tài)（或時(shí)變）的操作方式。連續(xù)操作傳統(tǒng)地視作是一種定態(tài)（或非時(shí)變）操作，但這只是一種簡(jiǎn)化的或不得已的處理方法，因?yàn)閹缀跛械倪B續(xù)過(guò)程在嚴(yán)格意義上都不是定態(tài)的:過(guò)程不可避免地會(huì)有擾動(dòng)，原料狀態(tài)可能出現(xiàn)變化，催化劑會(huì)失活，熱交換器會(huì)結(jié)垢，等等。即使經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)控制，過(guò)程的狀態(tài)還是不斷地變化。特別是，實(shí)施先進(jìn)過(guò)程控制（APC）的結(jié)果必然會(huì)不斷地使原先并非優(yōu)化的操作向優(yōu)化的操作狀態(tài)過(guò)渡，連續(xù)過(guò)程的非定態(tài)性質(zhì)顯而易見(jiàn)。通常意義下的定態(tài)只是相對(duì)的、簡(jiǎn)化后的，或虛擬的，以稱作擬定態(tài)更為確切。定態(tài)實(shí)際上只是非定態(tài)的一個(gè)特例。

除了上述間歇的非定態(tài)操作和連續(xù)操作中的非定態(tài)性質(zhì)外，近年來(lái)還發(fā)展了強(qiáng)制的（或外加的）非定態(tài)操作。這種操作既可以作為一種測(cè)試手段，也可以用作優(yōu)化過(guò)程，技術(shù)上已達(dá)到實(shí)用化的程度。過(guò)程無(wú)所不在，過(guò)程的非定態(tài)操作亦無(wú)所不在。我們面臨的問(wèn)題是如何對(duì)待這個(gè)難題，并從中得益。1

特點(diǎn)（1）非定態(tài)問(wèn)題比定態(tài)問(wèn)題更需要數(shù)學(xué)模型的幫助，其中一個(gè)重要原因是化學(xué)過(guò)程常常表現(xiàn)很強(qiáng)的非線性性質(zhì)。近代的計(jì)算技術(shù)為這些非線性模型的數(shù)值計(jì)算提供了可能，因而模型化就具備了更為實(shí)際的意義。模型是以對(duì)過(guò)程的簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)的。建立模型的方法可以基于機(jī)理，即白箱模型；另一種與其對(duì)應(yīng)，基于輸入一輸出關(guān)系，既黑箱模型。若將這兩種方法并用，則為灰箱模型。不論用哪一種方法建模，使用時(shí)均有模型參數(shù)估計(jì)問(wèn)題。

（2）將非定態(tài)方法用于過(guò)程性能測(cè)定已有很長(zhǎng)歷史。在本世紀(jì)50年代，曾廣泛應(yīng)用示蹤法，即在系統(tǒng)的某處外加一個(gè)脈沖信號(hào)或階躍信號(hào)作為示蹤，觀察對(duì)這一信號(hào)的響應(yīng)，以求取物料的停留時(shí)間分布，并進(jìn)而確定返混大小的方法。推而廣之，加人的可以是正弦信號(hào)或任何其它信號(hào)。這種信號(hào)一響應(yīng)方法已成為一種經(jīng)典方法。

同樣重要的是用非定態(tài)進(jìn)樣測(cè)定催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。這一方法與傳統(tǒng)的定態(tài)方法相比有明顯的優(yōu)點(diǎn):可以了解定態(tài)法難以揭示的反應(yīng)機(jī)理，如控制步驟等。當(dāng)有多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)模型，存在多個(gè)模型參數(shù)時(shí)，非定態(tài)方法十分有利于從多個(gè)模型中鑒別以獲得合理的模型，并準(zhǔn)確估計(jì)模型參數(shù)。

當(dāng)然，非定態(tài)測(cè)試是以在線測(cè)量技術(shù)和必要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)為基礎(chǔ)的。目前計(jì)算機(jī)采樣和一些在線分析技術(shù)，如質(zhì)譜和紅外，已可提供足夠的手段。

（3）在化學(xué)工程中已有多種強(qiáng)制的非定態(tài)操作法。在60-70年代人們已注意到，對(duì)于一個(gè)氣固相催化反應(yīng)，強(qiáng)制的反應(yīng)物進(jìn)口濃度振蕩可能對(duì)于提高時(shí)均的轉(zhuǎn)化率和選擇性有利。這時(shí)濃度振蕩的振幅和頻率就成為兩個(gè)新的過(guò)程操作變量，可以因各種不同的反應(yīng)而異。但對(duì)于不同性質(zhì)的反應(yīng)，濃度振蕩的作用機(jī)理顯然不同。

在80年代，Mators實(shí)現(xiàn)了另一種強(qiáng)制的非定態(tài)操作，即強(qiáng)制的換向操作。通過(guò)反應(yīng)器進(jìn)出口定期的變換，使諸如氧化反應(yīng)得以在低溫下進(jìn)料，但通過(guò)催化劑層的蓄熱作用，使反應(yīng)器中部保存一段往返移動(dòng)的高溫區(qū)。兩端的低溫區(qū)保證了放熱可逆反應(yīng)的高轉(zhuǎn)化率。這種反應(yīng)器省材料，省能耗，操作簡(jiǎn)便，在工業(yè)中的使用十分成功。

進(jìn)一步將強(qiáng)制非定態(tài)操作拓展到其它過(guò)程，所用的手段可以是多種多樣的。涓流床反應(yīng)器中當(dāng)氣液量較低時(shí)催化劑表面的完全潤(rùn)濕歷來(lái)是一個(gè)困難問(wèn)題。在高流量下，床層達(dá)到了脈沖操作區(qū)，雖可解決潤(rùn)濕問(wèn)題，但這不符合工藝過(guò)程需要，又帶來(lái)高的△P。我們?cè)脷怏w強(qiáng)制非定態(tài)（脈沖）操作，實(shí)現(xiàn)了在低流量下的床層脈沖狀態(tài)，解決了催化表面潤(rùn)濕問(wèn)題。另一個(gè)例子是利用振蕩的電流提高電化學(xué)反應(yīng)的收率，因?yàn)閷?duì)于有一些電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，如硝基苯的還原，除電極表面反應(yīng)外還存在一個(gè)串聯(lián)的主體重排反應(yīng)。一定頻率下的電流強(qiáng)度振蕩正好可以獲得兩個(gè)反應(yīng)最好的匹配，以獲得高收率。

除此之外，強(qiáng)制非定態(tài)操作的例子還很多，如變壓吸附（PSA）和變壓反應(yīng)（PSR），從原理上都是通過(guò)一種外加的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程最有利的操作。

（4）一大類非定態(tài)操作見(jiàn)于連續(xù)過(guò)程的在線優(yōu)化。雖然一個(gè)過(guò)程已實(shí)現(xiàn)正常操作，但這并不表示它是在優(yōu)化的條件下操作。因?yàn)樽詈玫南闰?yàn)設(shè)計(jì)也并不能保證找到優(yōu)化條件:模型可能過(guò)度簡(jiǎn)化，參數(shù)可以隨時(shí)間變化，且總會(huì)有干擾存在。面臨大量的問(wèn)題是如何使已有的過(guò)程在有干擾的條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作，發(fā)揮最大效能。一個(gè)行之有效的方法是利用描述過(guò)程的模型，進(jìn)行在線的辨識(shí)，并獲得在該操作狀態(tài)下的優(yōu)化并進(jìn)行控制，如此周而復(fù)始，使過(guò)程一直處在非定常、但優(yōu)化的狀態(tài)下操作。

（5）一種過(guò)時(shí)的看法是，間歇過(guò)程是落后的，連續(xù)過(guò)程才是先進(jìn)的。事實(shí)證明愈來(lái)愈多的高性能的精細(xì)和生化產(chǎn)品是在間歇條件下生產(chǎn)而得。間歇過(guò)程是實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)工藝的最常用方法。間歇過(guò)程的控制和優(yōu)化是一個(gè)非常迫切且非常困難的問(wèn)題。人們常常抱怨間歇過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，這多數(shù)還是控制不當(dāng)造成的。但如何獲得優(yōu)化條件這一議題的背后，是一連串隱蔽的技術(shù)問(wèn)題，特別是間歇的過(guò)程常有過(guò)程復(fù)雜，對(duì)機(jī)理了解尚不透徹的特點(diǎn)，如發(fā)酵、聚合等。通過(guò)在線的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行模型識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行在線優(yōu)化，應(yīng)是一條現(xiàn)實(shí)之路。當(dāng)然這一過(guò)程必然涉及到一些實(shí)驗(yàn)逼近方法的應(yīng)用，通常可以用小型的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于時(shí)間坐標(biāo)的加入，使非定態(tài)過(guò)程從理論上看十分復(fù)雜。但一個(gè)時(shí)間變量參與過(guò)程，也給我們提供了一個(gè)可資利用的因素。已經(jīng)從非定態(tài)操作中有所獲益?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，非定態(tài)操作對(duì)已存在的大量過(guò)程的優(yōu)化，在提高收率、降低能耗方面有廣闊的潛在應(yīng)用:對(duì)將要建設(shè)的眾多過(guò)程可以利用多種有創(chuàng)新性質(zhì)的有效措施，使之在技術(shù)上更加合理。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)