王园园　夏峰平　丁丽华

【摘 要】利用生物质在发酵时所出现的乳酸（即2-羟基丙酸）与医药与食品领域有着非常宽广的商业使用价值，生物质乳酸是一种可再生资源，现如今成了人们非常关注的化学原料。接下来，文章使用BP神经网络来对乳酸脱水制成丙烯酸的催化阶段实施了仿真探讨。使用正交试验设计来确定其实验点，其主要考察的内容是：原料液流速、载气温度以及载气流量、原料液PH此四个要素对丙烯酸产率产生的影响。就正交试验中的缺点而言，把正交试验设计与神经网络完全对应起来，使用基于磁盘操作系统界面且可以方便与调节的神经网络计算载荷的程序包对其正交试验的最终结果实施训练，使用训练好的网络来模拟催化反应机制的动态过程。

【关键词】BP神经网络；丙烯酸仿真模拟；分析研究

0.引言

我们知道，丙烯酸和丙烯酸酯为非常重要的聚合物类单体，能够用在生产水性涂料以及胶黏剂等某些精细化学品中，而丙烯酸与丙烯酸酯最为重要的作用为生产聚合物，使用丙烯酸聚合或者和其它单体共聚所生产出来的聚丙烯酸能够用在合成树胶、合成纤维粘合剂以及鞣革助剂、乳胶、合成橡胶等产品行业，所以市场的需求量巨大。丙烯酸现阶段的工业生产路线为石脑油催化裂化出现的丙烯通过两步催化的氧化过程，其能够生成丙烯醛以及丙烯酸。

1.实验部分

1.1实验所需实际

乳酸，分析纯，有北京某化学试剂公司生产；Y分子筛原粉，研究自己合成；正丁醇、丙烯酸以及乙醇、四水合硝酸钙，分析纯，广东某权威制药公司生产。

1.2氧化钙/Y催化剂的制备

选取9.5克Ca（NO3）2·4H2O，置于500毫升三口烧瓶中，放入200毫升去离子水溶解，之后再次放入20克Y分子筛，而后把三口烧瓶置于水浴锅中，在80摄氏度下搅拌4小时，在120摄氏度烘箱干燥过夜。在压片0.55毫米到0.83毫米筛后，把催化剂置于马弗炉中，程序升温到550摄氏度，焙烧4小时之后取出，分装以备用。

1.3实验方法

此次试验试验固定床反应器。选取一定量的氧化钙/Y催化剂放置石英玻璃管中，连续热电偶至稳定控制仪，之后接进出气管；而后开始进行程序升温，并且放进乳酸原料液与载气氮气；当温度达到了反应温度半小时之后，将收集瓶中相关反应产物倒出，把收集瓶清洗干净并吹干。另外，需要称取原料液以及收集瓶的重量，这样是为了有效研究丙烯酸的产率。把收集瓶与三口烧瓶连接好，开始实施软酸脱水反应。在反应完全结束之后用气相色谱来对产物进行分析研究，使用氮气对反应管进行吹扫，最后把实验设备拆除。剩下的原料液需要避风保存。

1.4分析方法

关于设铺条件：FFAP（即改性聚乙二醇柱），其进样口的稳定为200摄氏度，分流比是50：1，150毫升每分钟是分流流量，柱室气体的流量是3.0毫升每分钟，柱箱程序升温2分钟，稳定维持在40摄氏度。用40摄氏度每分钟的速率程序升温到200摄氏度，维系2分钟。FID检测仪，温度220摄氏度，检测仪氮气流量为45毫升每分钟，空气流量是450毫升每分钟，丙烯酸出峰的时间是324秒。

内标法分析：选取1.0毫升产物液置于5毫升的容量瓶中，之后放入1毫升正丁醇作为内标，使用无水乙醇丁容，最后实施GC分析。

2.结果与讨论

（1）有关影响因素的选取。

实际上，能够影响乳酸脱水制成丙烯酸的原因非常多，比如催化剂的用量以及类型、载气流量或者流速、PH、压强以及原料液流速或者流量、温度等。此次研究分析查阅了大量的资料，发现氧化钙/Y的作用是最佳的。原料液流速与气速均能对原料于催化剂创出内的停留时间有着非常大的影响，而停留时间为一个极其重要的动力学数据，影响着乳酸的转化率与丙烯酸的选择性。另外需要的注意的是，温度能够直接影响着反应速率，所以在研究中一定要考虑这方面的问题。在软酸制丙烯酸过程中，其最大的竞争产物为乙醛，而乙醛的生成能够分为两种方法：即脱羰以及脱羧。脱羧为主要的方法，属于常见的酸催化反应，乳酸脱水和PH亦有着较大的联系，原料液中的PH能够直接对丙烯酸是生成产生影响。因为此次研究反应器有着自身的特点，所以催化剂的装入量在1.5克是最佳选择，压强必须和常压比较的接近。纵观本小节，我们能够得出PH、液速以及温度、气速为需要特别注意的因素。

（2）最科学的反应条件的选取。

表a 各个因素水平的选取

表b 正交实验的结果

此次研究对气速、PH以及液速、温度四个主要的因素实施考察，没有因素选择三个水平，使用L9正交表实施实验（如表a所示）。

正交试验的结果如表b所示，观察表b我们能够发现，ph与流速最大限度的影响着丙烯酸的产率，影响第二大的为温度与气速。其最好的实验环境为ph等于5，流速是0.3毫升每分钟，气速是50毫升每分钟，温度是350摄氏度，在此环境在丙烯酸漆最大的产率是27.34%，因为正交试验的实验点比较少，所以很难预测到所考察要素其它水平之间组合的最终结果，也很难预测到它们的互交作用。

（3）为了具体考察影响其丙烯酸产率中的不同要素不同水平的多个组合实验结果，借助BP神经网络对多种组合要素所影响的有关丙烯酸产率实施预测，所得出的随意两要素的变化以及相互作用和丙烯酸产率之间的关系。

3.结论

（1）本文研究BP神经网络发现，它能够适用在催化反应中繁杂非线性影响要素的建模，此方法普遍适用，概况能力高，仿真的精度远远比回归方程模型更高。把神经网络与正交试验设计完全融合起来，不但减少了实验的次数，同时也能更好的模拟乳酸制成丙烯酸的过程，客观的考察了各个要素对丙烯酸的产率的影响。

（2）利用BP神经网络的模拟且使用穷举法寻优来确定反应的最佳条件，所得出的最佳模拟值和实验值很接近，有效的克服了其正交试验中的不足。

【参考文献】

[1]王跃存，姜姗，熊途.光线跟踪算法在织物CAD中的应用[J].纺织学报，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]王西会.“正交设计助手”软件在AFS9120型原子荧光光度计测汞中的应用[J].内蒙古石油化工，2010，（05）.