非定態(tài)過程（非定態(tài)過程）

定義

過程，一種既古老卻又現代的生產方式，用來使原料的物理/化學性質產生變化，其歷史可以追溯遠古。簧火可能是人類最早所利用的過程一例。后來又有了諸如釀酒、金屬冶煉等對人類文明產生極大影響的過程。顯然這些過程的實現都是作坊式的、間歇的操作。由于技術的進步，上世紀以來愈來愈多的過程以連續(xù)操作方式實現，這也是大規(guī)模生產的要求。人們往往把連續(xù)生產作為近代過程工業(yè)的一種標志。

過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)(或非時變)操作，但這只是一種簡化的或不得已的處理方法，因為幾乎所有的連續(xù)過程在嚴格意義上都不是定態(tài)的：過程不可避免地會有擾動，原料狀態(tài)可能出現變化，催化劑會失活，熱交換器會結垢，等等。即使經過計算機控制，過程的狀態(tài)還是不斷地變化。特別是，實施先進過程控制(APC)的結果必然會不斷地使原先并非優(yōu)化的操作向優(yōu)化的操作狀態(tài)過渡，連續(xù)過程的非定態(tài)性質顯而易見。通常意義下的定態(tài)只是相對的、簡化后的，或虛擬的，以稱作擬定態(tài)更為確切。定態(tài)實際上只是非定態(tài)的一個特例。

非定態(tài)操作特點

（1）非定態(tài)問題比定態(tài)問題更需要數學模型的幫助，其中一個重要原因是化學過程常常表現很強的非線性性質。近代的計算技術為這些非線性模型的數值計算提供了可能，因而模型化就具備了更為實際的意義。模型是以對過程的簡化為基礎的。建立模型的方法可以基于機理，即白箱模型；另一種與其對應，基于輸入一輸出關系，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，使用時均有模型參數估計問題。

（2）將非定態(tài)方法用于過程性能測定已有很長歷史。在本世紀50年代，曾廣泛應用示蹤法，即在系統(tǒng)的某處外加一個脈沖信號或階躍信號作為示蹤，觀察對這一信號的響應，以求取物料的停留時間分布，并進而確定返混大小的方法。推而廣之，加人的可以是正弦信號或任何其它信號。這種信號一響應方法已成為一種經典方法。

同樣重要的是用非定態(tài)進樣測定催化反應動力學。這一方法與傳統(tǒng)的定態(tài)方法相比有明顯的優(yōu)點：可以了解定態(tài)法難以揭示的反應機理，如控制步驟等。當有多個競爭模型，存在多個模型參數時，非定態(tài)方法十分有利于從多個模型中鑒別以獲得合理的模型，并準確估計模型參數。

當然，非定態(tài)測試是以在線測量技術和必要的數據處理技術為基礎的。目前計算機采樣和一些在線分析技術，如質譜和紅外，已可提供足夠的手段。

（3）在化學工程中已有多種強制的非定態(tài)操作法。在60-70年代人們已注意到，對于一個氣固相催化反應，強制的反應物進口濃度振蕩可能對于提高時均的轉化率和選擇性有利。這時濃度振蕩的振幅和頻率就成為兩個新的過程操作變量，可以因各種不同的反應而異。但對于不同性質的反應，濃度振蕩的作用機理顯然不同。

在80年代，Mators實現了另一種強制的非定態(tài)操作，即強制的換向操作。通過反應器進出口定期的變換，使諸如氧化反應得以在低溫下進料，但通過催化劑層的蓄熱作用，使反應器中部保存一段往返移動的高溫區(qū)。兩端的低溫區(qū)保證了放熱可逆反應的高轉化率。這種反應器省材料，省能耗，操作簡便，在工業(yè)中的使用十分成功。

進一步將強制非定態(tài)操作拓展到其它過程，所用的手段可以是多種多樣的。涓流床反應器中當氣液量較低時催化劑表面的完全潤濕歷來是一個困難問題。在高流量下，床層達到了脈沖操作區(qū)，雖可解決潤濕問題，但這不符合工藝過程需要，又帶來高的△P。我們曾利用氣體強制非定態(tài)（脈沖）操作，實現了在低流量下的床層脈沖狀態(tài)，解決了催化表面潤濕問題。另一個例子是利用振蕩的電流提高電化學反應的收率，因為對于有一些電化學反應過程，如硝基苯的還原，除電極表面反應外還存在一個串聯的主體重排反應。一定頻率下的電流強度振蕩正好可以獲得兩個反應最好的匹配，以獲得高收率。

除此之外，強制非定態(tài)操作的例子還很多，如變壓吸附（PSA）和變壓反應（PSR），從原理上都是通過一種外加的手段實現對過程最有利的操作。

（4）一大類非定態(tài)操作見于連續(xù)過程的在線優(yōu)化。雖然一個過程已實現正常操作，但這并不表示它是在優(yōu)化的條件下操作。因為最好的先驗設計也并不能保證找到優(yōu)化條件：模型可能過度簡化，參數可以隨時間變化，且總會有干擾存在。面臨大量的問題是如何使已有的過程在有干擾的條件下實現優(yōu)化操作，發(fā)揮最大效能。一個行之有效的方法是利用描述過程的模型，進行在線的辨識，并獲得在該操作狀態(tài)下的優(yōu)化并進行控制，如此周而復始，使過程一直處在非定常、但優(yōu)化的狀態(tài)下操作。

（5）一種過時的看法是，間歇過程是落后的，連續(xù)過程才是先進的。事實證明愈來愈多的高性能的精細和生化產品是在間歇條件下生產而得。間歇過程是實現多目標工藝的最常用方法。間歇過程的控制和優(yōu)化是一個非常迫切且非常困難的問題。人們常常抱怨間歇過程的產品質量不穩(wěn)定，這多數還是控制不當造成的。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問題，特別是間歇的過程常有過程復雜，對機理了解尚不透徹的特點，如發(fā)酵、聚合等。通過在線的數據采集進行模型識別，并在此基礎上進行在線優(yōu)化，應是一條現實之路。當然這一過程必然涉及到一些實驗逼近方法的應用，通?？梢杂眯⌒偷哪M實驗來實現。

由于時間坐標的加入，使非定態(tài)過程從理論上看十分復雜。但一個時間變量參與過程，也給我們提供了一個可資利用的因素。已經從非定態(tài)操作中有所獲益?？梢灶A見到，非定態(tài)操作對已存在的大量過程的優(yōu)化，在提高收率、降低能耗方面有廣闊的潛在應用：對將要建設的眾多過程可以利用多種有創(chuàng)新性質的有效措施，使之在技術上更加合理。