По экономическим критериям

Оптимизация работы единичного реактора

В качестве экономического критерия используется приведенная себестоимость, которая при прочих равных условиях рассчитывается как сумма трех слагаемых:

где - затраты на изготовление и обслуживание реактора;

- объем реактора;

– стоимость единицы реакционного объема. В входит стоимость корпуса и катализатора.

- затраты на создание условий;

- затраты на обеспечение температурного режима;

– затраты на создание давления;

- затраты на транспорт реагента.

Это слагаемое различается для эндо- и экзотермических реакций. Если реакция эндотермическая, то затраты на создание условий складываются именно из затрат на создание температурного режима, давление и транспорт.

Если реакция экзотермическая, то затраты на обеспечение температурного режима – это разность между затратами на нагрев реакционной смеси и выгодой от получения вторичных энергоресурсов.

- затраты на переработку непрореагировавших исходных реагентов;

- норма затрат на переработку (штрафы).

Рассмотрим зависимости для экзотермической обратимой реакции.

С увеличением объема реактора увеличивается Х_А, следовательно, затраты на переработку уменьшаются.

После сложения получаем, что существует величина , при которой себестоимость минимальна. Именно этот объем реактора будет принят для проектирования.

Из зависимости получим, что существует степень превращения, отличная от 1, при которой себестоимость будет минимальна. И отсюда следует, что при проведении реакции в единичном реакторе проводить процесс до полного превращения ключевого компонента экономически нецелесообразно.

Для адиабатического и изотермического режимов зависимость для эндотермической реакции:

Рассматриваем изотермический режим.

Из этого следует, что для полного превращения ключевого компонента необходимо использование многосекционных реакторов.

Исторически идея использования многосекционных реакторов возникла при решении задачи проведения обратимой эндотермической реакции по линии оптимальных температур.

ЛОТ – линия оптимальных температур

Известно, что для обратимой экзотермической реакции по мере увеличения степени превращения ключевого компонента оптимальная температура уменьшается. Соответственно, какой бы температурный режим мы не использовали, уравнение теплового баланса и линия оптимальных температур пересекаются только в одной точке. Значит, подавляющий промежуток времени реактор работает не в оптимальном температурном режиме.

Использование реактора близкого к режиму идеального вытеснения: программирование температурного режима осложняется необходимостью отвода разного количества теплоты на различных участках реактора.

Эта идея применима, если увеличить число теплообменных трубок. Но это инженерно невозможно.

Скорость процесса приемлема, если значение скорости не менее 0.8 от максимального значения. Соответственно, появилась область оптимальных температур.

Это подтолкнуло к идее создания самых простых реакторов, разделенных на секции (от 2 до 5 секций)

Между секциями установлен выносной теплообменник. Объем одной секции рассчитывается таким образом, чтобы температура и состав реакционной смеси на выходе из первой секции соответствовали верхней границе области оптимальных температур.

Поверхность теплообмена и параметры теплоносителя рассчитывают таким образом, чтобы температура реакционной смеси на входе во вторую секцию соответствовала нижней границе ООТ.

Двухсекционный реактор

Объем второй секции рассчитывают исходя из условия, что температура и состав реакционной смеси на выходе из второй секции соответствуют верхней границе области оптимальных температур.

Использование такой схемы позволяет достичь практически 100% степени превращения.

Достоинства многосекционных реакторов:

· Простота конструкции (адиабатический режим)

· Наличие вторичных тепловых ресурсов за счет внешнего теплообмена

К относительным недостаткам можно отнести некоторую сложность технологической схемы, связанную с наличием внешнего теплообменного

оборудования.

В подавляющем большинстве на нижних полках работают высокотемпературные катализаторы, а на верхних секциях – низкотемпературные, если это экономически оправданно.

Такая многосекционная схема применяется для эндотермических реакций.

Единственным существенным отличием является отсутствие технологически обоснованной области оптимальных температур. То есть объем каждой секции рассчитывается исходя из минимума себестоимости продукции, а нагрев в вынесенном теплообменнике осуществляется до величины входной температуры. В частности по такой схеме процесс паровой конверсии метана проводит датская компания.

α – доля байпаса (та доля потока, которая направляется в обход).

Охлаждение производится свежей реакционной смесью (байпасная схема).

Сущность заключается в том, что часть исходной реакционной смеси направляется в обход одной или нескольких секций, и получается, за счет такой байпасной схемы мы уходим от усложнения оборудования (нет вынесенных теплообменников), и добавляя после каждой секции свежую реакционную смесь, мы не только снижаем температуру, но и увеличиваем концентрацию исходных реагентов, тем самым увеличивается скорость реакции.

Если рисовать , нужно рисовать ХЕА и ООТ для каждой секции, потому что в точке смешения изменяется исходный состав относительно первоначального. Но мы этого делать не будем по двум причинам:

· Эти величины изменяются незначительно

· Величина степени превращения при разных концентрациях относительная величина

ХЕА и ООТ изменяются, поэтому усложнять рисунок не будем.

Доля байпаса рассчитывается таким образом, чтобы температура и состав реакционной смеси после смешения соответствовал нижней границе ООТ. Следовательно, для решения этой задачи нам необходимо составить систему уравнений, отражающих материальный и тепловой баланс точки смешения.

Получаем точку смешения. Реакционная смесь охладилась и формально степень превращения уменьшилась, так как мы добавили свежих исходных реагентов.

Так как , то поменялся адиабатический коэффициент, и угол наклона стал больше. Отсюда следует, что при использовании секционирования с байпасом в каждой последующей секции наблюдается приближение к изотермическому режиму.

Задачи:

Охлаждение между секциями до

В первом реакторе объем первой фазы должен быть больше, чем последующей.

3. Вид зависимости степени превращения от доли байпаса

Скорость увеличивается, так как степень превращения увеличивается. Затем она падает.