ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Исследование сложных реакций из "Теория технологических процессов основного органического и нефтехимического синтеза" В некоторых из перечисленных случаев вопрос о выборе температуры решают, исходя из экономических критериев оптимизации. Так, если повышение температуры связано с использованием более дорогостоящего теплоносителя, противопоставляют увеличение затрат на теплоноситель снижению стоимости реактора из-за уменьшения его объема и массы при росте удельной производительности. Точно так же, если повышение температуры ведет к усиленному износу реактора или необходимости его изготовления из более дорогостоящего материала, эти дополнительные затраты противопоставляют выгодам, получаемым при уменьшении размеров аппарата. При этом оказывается, что сумма затрат минимальна при некоторой температуре она и будет для данного процесса оптимальной. [c.319] По-другому обстоит дело в случае обратимых экзотермических реакций, когда с изменением температуры константы скорости и равновесия меняются в противоположных направлениях. В результате появляется возможность вполне строгого, основанного на физико-химических характеристиках системы, выбора оптимальных температур, при которых производительность реактора максимальна. [c.319] Пример. Для обратимой экзотермической реакции А В найдены /Сс, 298 == 19,0, ДЯ = —75000 Дж/моль (—18 000 кал/моль) и константа скорости в уравнении первого порядка, равная 1 == 3-1(У ехр (—И 600// Г) мин . Найти оптимальный профиль температуры, которая по условиям осуществления реакции может меняться от 35 до 65 °С. [c.320] Изображаем полученные данные в координатах 1/ а1—температура для каждой степени конверсии (рис. 77). Кривая оптимальных температур определяется точками максимумов она представлена в координатах температура — Ха на рис. 78. [c.320] Из выведенных на стр. 309 выражений для удельной произвол дительности реакторов видно, что при необратимых реакциях с простыми кинетическими уравнениями производительность при прочих равных условиях зависит от начальных концентраций (или парциальных давлений) в степени, равной суммарному порядку реакции. Поэтому для повышения производительности начальные параметры выгодно выбирать возможно более высокими. В этом отношении имеются, однако, и ограничения, обусловленные недостаточной растворимостью реагентов, трудностями в осуществлении теплообмена при чрезмерном росте скорости, увеличением энергетических затрат на сжатие газов и т. д. [c.321] Для них существует оптимальное начальное давление, которое можно найти, решая кинетические уравнения для данного типа реактора и находя условия максимальной производительности. [c.322] Требуется найти начальное давление Ра, о, при котором производительность реактора идеального вытеснения будет максимальной, если степень конверсии Ха = 0,7. [c.323] Для обратимых реакций, идущих с уменьшением общего числа мОлей (гидрирование, гидратация, синтезы из СО и Нг), влияние начальных концентраций (парциальных давлений) на скорость и удельную производительность проявляется в большей степени, чем для необратимых процессов. Это зависит от одновременного изменения равновесной степени конверсии, определяющей движущую силу процесса. Такие реакции обычно осуществляются при повышенном давлении, выбор которого зависит от экономических факторов. [c.323] Другая ситуация наблюдается при обратимых реакциях, протекающих с увеличением общего числа молей (Aч B-f 2). В этом случае термодинамические и кинетические факторы действуют в разных направлениях, аналогично влиянию температуры на обратимые экзотермические реакции. Действительно, для таких процессов с повышением парциального давления исходного реагента увеличивается скорость прямой реакции, но снижается равновесная степень конверсии, от которой зависят движущая сила процесса и возможность достижения высокой степени конверсии. [c.323] Подобный максимум производительности наблюдается для тех же реакций, но идущих без изменения объема (е = 0), т. е. при большом разбавлений смеси инертными добавками или вторым реагентом, а также для жидкофазных процессов. [c.324] Из рис. 80 видно, что максимум удельной производительности наблюдается при Ра = 0.17—0,18 кгс/см . что случайно совпало с результатами для реактора полного смешения (см. предыдущий пример). [c.325] Прием применения избытка одного из реагентов (обычно более дешевого) широко используется в технологии. Так, гидролиз или щелочное дегидрохлорирование хлорпроизводных всегда осуществляют при некотором избытке щелочей, синтез хлористого винила из ацетилена ведут при избытке хлористого водорода, синте циклогексаноноксима — при избытке солянокислого гидроксилами-на и т. д. Для обратимых реакций кинетический эффект нестехио-метрического соотношения реагентов дополняется термодинамиче ским — происходит благоприятное для скорости и удельной производительности повышение равновесной степени конверсии, способствующее более полному превращению дорогостоящего-реагента. [c.326] Если реакция протекает в аппарате полного смешения, максимум удельной производительности соответствует максимуму скорости,. [c.326] Отсюда находим величину р, при которой удельная производительность такого реактора максимальна Рмакс = 1 + 2Ха. В случае реактора идеального вытеснения значение р меньше, и более сложное решение получится для гетерогеннокаталитической реакции, в которой вещества А и входят в знаменатель уравнения, имея разные адсорбционные коэффициенты. В последнем случае для повышения производительности выгодно применять избыток того реагента, для которого адсорбционный коэффициент р меньше. В любом случае использование избытка одного из реагентов, естественно, увеличивает его расход на реакцию и затраты на регенерацию. Поэтому вопрос о выборе оптимального соотношения исходных веществ может быть решен только с привлечением экономических критериев оптимизации. Это же относится, например, к определению оптимального количества гомогенного катализатора. [c.327] Наряду с начальными параметрами важное значение для удельной производительности реакторов имеет степень конверсии. Из ранее выведенных уравнений (стр. 309) очевидно, что для необратимых реакций при Ха 1 удельная производительность стремится к нулю и притом тем быстрее, чем выше порядок реакции. Для обратимых реакций то же происходит при приближении степени конверсии к ее равновесному значению, когда движущая сила реакции Ха — Ха) стремится к нулю. Особенно сильное снижение скорости и производительности с повышением степени конверсии наблюдается у реакций, тормозимых продуктами, что типично для гетерогеннокаталитических процессов, идущих с образованием хорошо адсорбирующихся веществ. В этих случаях оптимальную степень конверсии можно найти только при учете экономических факторов. При разных процессах органического синтеза она изменяется в очень широких пределах от 0,05 (для синтеза этанола из С2Н4 и Н2О) до 0,99 и выше (для некоторых реакций этерификации, гидрирования, хлорирования). [c.327] Выше мы неоднократно встречались с тем, что при варьировании условий реакции (температуры, начальных концентраций или ларциальных давлений, соотношения реагентов, степени конверсии) изменение этих параметров противоположно действовало на такие показатели, как удельная производительность установки, расход реагентов или энергетические затраты. Во всех этих случаях выбор оптимальных условий процесса можно осуществить только с учетом экономики. [c.327] В этом выражении 5в — себестоимость продукта, а /Суд — удельные капитальные вложения, которые умножаются на некоторый коэффициент Е его обратная величина равна сроку окупаемости капитальных вложений, принятому для данной отрасли промышленности. [c.328] Себестоимость имеет значение при использовании любого критерия экономической оптимизации. Она складывается из расходов, на всех стадиях производства, причем каждый его узел вносит в себестоимость больший или меньший вклад. Поскольку все стадии и узлы находятся в единой технологической схеме и связаны друг с другом, принятие какого-либо решения по одному из них немедленно сказывается на других. Поэтому при комплексной оптимизации производства приходится учитывать все эти взаимозависимости, решая сложную и еще мало разработанную задачу со многими переменными для отыскания глобального минимума себестоимости или максимума прибыли. Можно, однако, ограничиться приближенной и в ряде случаев вполне реальной задаче оптимизации отдельных стадий, прежде всего реакционного узла играющего обычно главную роль в определении себестоимости продуктов и прибыли. [c.328] Чем меньше начальная концентрация инициатора (или интенсивность излучения), тем ниже его расход (или затраты энергии на облучение). В случае химического инициирования в этом же направлении, действует и уменьшение температуры, так как энергия активации при распаде инициатора больше, чем при самой реакции. Однако все это ведет к увеличению объема реактора и его стоимости., Следовательно, при радикально-цепных реакциях с квадратичным обрывом цепи имеется оптимум интенсивности излучения или концентрации инициатора, а при химическом инициировании— еще и оптимум температуры. Одна из возможностей снижения расхода инициатора (обычно весьма дорогостоящего) состоит в постепенном или секционированном введении его в реактор, когда концентрация инициатора постоянно сохраняется невысокой. [c.331] Вернуться к основной статье