基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的乳酸脫水制丙烯酸仿真模似制藥探討

王園園　夏峰平　丁麗華

【摘 要】利用生物質(zhì)在發(fā)酵時(shí)所出現(xiàn)的乳酸（即2-羥基丙酸）與醫(yī)藥與食品領(lǐng)域有著非常寬廣的商業(yè)使用價(jià)值，生物質(zhì)乳酸是一種可再生資源，現(xiàn)如今成了人們非常關(guān)注的化學(xué)原料。接下來(lái)，文章使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)乳酸脫水制成丙烯酸的催化階段實(shí)施了仿真探討。使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)確定其實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其主要考察的內(nèi)容是：原料液流速、載氣溫度以及載氣流量、原料液PH此四個(gè)要素對(duì)丙烯酸產(chǎn)率產(chǎn)生的影響。就正交試驗(yàn)中的缺點(diǎn)而言，把正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)應(yīng)起來(lái)，使用基于磁盤操作系統(tǒng)界面且可以方便與調(diào)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算載荷的程序包對(duì)其正交試驗(yàn)的最終結(jié)果實(shí)施訓(xùn)練，使用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬催化反應(yīng)機(jī)制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；丙烯酸仿真模擬；分析研究

0.引言

我們知道，丙烯酸和丙烯酸酯為非常重要的聚合物類單體，能夠用在生產(chǎn)水性涂料以及膠黏劑等某些精細(xì)化學(xué)品中，而丙烯酸與丙烯酸酯最為重要的作用為生產(chǎn)聚合物，使用丙烯酸聚合或者和其它單體共聚所生產(chǎn)出來(lái)的聚丙烯酸能夠用在合成樹膠、合成纖維粘合劑以及鞣革助劑、乳膠、合成橡膠等產(chǎn)品行業(yè)，所以市場(chǎng)的需求量巨大。丙烯酸現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)路線為石腦油催化裂化出現(xiàn)的丙烯通過(guò)兩步催化的氧化過(guò)程，其能夠生成丙烯醛以及丙烯酸。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)所需實(shí)際

乳酸，分析純，有北京某化學(xué)試劑公司生產(chǎn)；Y分子篩原粉，研究自己合成；正丁醇、丙烯酸以及乙醇、四水合硝酸鈣，分析純，廣東某權(quán)威制藥公司生產(chǎn)。

1.2氧化鈣/Y催化劑的制備

選取9.5克Ca（NO3）2·4H2O，置于500毫升三口燒瓶中，放入200毫升去離子水溶解，之后再次放入20克Y分子篩，而后把三口燒瓶置于水浴鍋中，在80攝氏度下攪拌4小時(shí)，在120攝氏度烘箱干燥過(guò)夜。在壓片0.55毫米到0.83毫米篩后，把催化劑置于馬弗爐中，程序升溫到550攝氏度，焙燒4小時(shí)之后取出，分裝以備用。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)試驗(yàn)固定床反應(yīng)器。選取一定量的氧化鈣/Y催化劑放置石英玻璃管中，連續(xù)熱電偶至穩(wěn)定控制儀，之后接進(jìn)出氣管；而后開始進(jìn)行程序升溫，并且放進(jìn)乳酸原料液與載氣氮?dú)?；?dāng)溫度達(dá)到了反應(yīng)溫度半小時(shí)之后，將收集瓶中相關(guān)反應(yīng)產(chǎn)物倒出，把收集瓶清洗干凈并吹干。另外，需要稱取原料液以及收集瓶的重量，這樣是為了有效研究丙烯酸的產(chǎn)率。把收集瓶與三口燒瓶連接好，開始實(shí)施軟酸脫水反應(yīng)。在反應(yīng)完全結(jié)束之后用氣相色譜來(lái)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分析研究，使用氮?dú)鈱?duì)反應(yīng)管進(jìn)行吹掃，最后把實(shí)驗(yàn)設(shè)備拆除。剩下的原料液需要避風(fēng)保存。

1.4分析方法

關(guān)于設(shè)鋪條件：FFAP（即改性聚乙二醇柱），其進(jìn)樣口的穩(wěn)定為200攝氏度，分流比是50：1，150毫升每分鐘是分流流量，柱室氣體的流量是3.0毫升每分鐘，柱箱程序升溫2分鐘，穩(wěn)定維持在40攝氏度。用40攝氏度每分鐘的速率程序升溫到200攝氏度，維系2分鐘。FID檢測(cè)儀，溫度220攝氏度，檢測(cè)儀氮?dú)饬髁繛?5毫升每分鐘，空氣流量是450毫升每分鐘，丙烯酸出峰的時(shí)間是324秒。

內(nèi)標(biāo)法分析：選取1.0毫升產(chǎn)物液置于5毫升的容量瓶中，之后放入1毫升正丁醇作為內(nèi)標(biāo)，使用無(wú)水乙醇丁容，最后實(shí)施GC分析。

2.結(jié)果與討論

（1）有關(guān)影響因素的選取。

實(shí)際上，能夠影響乳酸脫水制成丙烯酸的原因非常多，比如催化劑的用量以及類型、載氣流量或者流速、PH、壓強(qiáng)以及原料液流速或者流量、溫度等。此次研究分析查閱了大量的資料，發(fā)現(xiàn)氧化鈣/Y的作用是最佳的。原料液流速與氣速均能對(duì)原料于催化劑創(chuàng)出內(nèi)的停留時(shí)間有著非常大的影響，而停留時(shí)間為一個(gè)極其重要的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，影響著乳酸的轉(zhuǎn)化率與丙烯酸的選擇性。另外需要的注意的是，溫度能夠直接影響著反應(yīng)速率，所以在研究中一定要考慮這方面的問(wèn)題。在軟酸制丙烯酸過(guò)程中，其最大的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)物為乙醛，而乙醛的生成能夠分為兩種方法：即脫羰以及脫羧。脫羧為主要的方法，屬于常見(jiàn)的酸催化反應(yīng)，乳酸脫水和PH亦有著較大的聯(lián)系，原料液中的PH能夠直接對(duì)丙烯酸是生成產(chǎn)生影響。因?yàn)榇舜窝芯糠磻?yīng)器有著自身的特點(diǎn)，所以催化劑的裝入量在1.5克是最佳選擇，壓強(qiáng)必須和常壓比較的接近。縱觀本小節(jié)，我們能夠得出PH、液速以及溫度、氣速為需要特別注意的因素。

（2）最科學(xué)的反應(yīng)條件的選取。

表a 各個(gè)因素水平的選取

表b 正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

此次研究對(duì)氣速、PH以及液速、溫度四個(gè)主要的因素實(shí)施考察，沒(méi)有因素選擇三個(gè)水平，使用L9正交表實(shí)施實(shí)驗(yàn)（如表a所示）。

正交試驗(yàn)的結(jié)果如表b所示，觀察表b我們能夠發(fā)現(xiàn)，ph與流速最大限度的影響著丙烯酸的產(chǎn)率，影響第二大的為溫度與氣速。其最好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為ph等于5，流速是0.3毫升每分鐘，氣速是50毫升每分鐘，溫度是350攝氏度，在此環(huán)境在丙烯酸漆最大的產(chǎn)率是27.34%，因?yàn)檎辉囼?yàn)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)比較少，所以很難預(yù)測(cè)到所考察要素其它水平之間組合的最終結(jié)果，也很難預(yù)測(cè)到它們的互交作用。

（3）為了具體考察影響其丙烯酸產(chǎn)率中的不同要素不同水平的多個(gè)組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)多種組合要素所影響的有關(guān)丙烯酸產(chǎn)率實(shí)施預(yù)測(cè)，所得出的隨意兩要素的變化以及相互作用和丙烯酸產(chǎn)率之間的關(guān)系。

3.結(jié)論

（1）本文研究BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，它能夠適用在催化反應(yīng)中繁雜非線性影響要素的建模，此方法普遍適用，概況能力高，仿真的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比回歸方程模型更高。把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)完全融合起來(lái)，不但減少了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，同時(shí)也能更好的模擬乳酸制成丙烯酸的過(guò)程，客觀的考察了各個(gè)要素對(duì)丙烯酸的產(chǎn)率的影響。

（2）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬且使用窮舉法尋優(yōu)來(lái)確定反應(yīng)的最佳條件，所得出的最佳模擬值和實(shí)驗(yàn)值很接近，有效的克服了其正交試驗(yàn)中的不足。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王躍存，姜姍，熊途.光線跟蹤算法在織物CAD中的應(yīng)用[J].紡織學(xué)報(bào)，2009，（08）.

[2]Wang Hongjuan，Yu Dinghua，Sun Peng，Yan Jie，Wang Yang，Huang He.Rare earth metal modified NaY：structure and catalytic performance for lactic acid dehydration to acrylic acid.Catalysis Communications，2008.

[3]王西會(huì).“正交設(shè)計(jì)助手”軟件在AFS9120型原子熒光光度計(jì)測(cè)汞中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010，（05）.